铀浓缩环节详解：工艺流程、技术原理与分离功需求逻辑
思瀚产业研究院    2025-07-31

1、铀浓缩位于核燃料循环过程的中游

天然铀开采制成铀精矿（黄饼）环节：采用湿法冶金把铀矿石中铀的有用组分转化为可溶性化合物提取铀的过程，产品形态主要为重铀酸盐和八氧化三铀（U3O8）。将水冶后生成的铀化合物再溶解精制、煅烧、冷却，生成二氧化铀（UO2）和八氧化三铀（U3O8）的过程。

铀转化：一般是先将铀氧化物转化为四氟化铀，再将四氟化铀通过高温氟化转化为六氟化铀。六氟化铀是唯一一种既稳定又具有高度挥发性的铀化合物，非常有利于下一步对铀-235的浓缩，所以至今一直被用作富集工厂的供料。

铀浓缩：用人工方法使铀-235丰度增加的过程。主要采用气体离心法。将六氟化铀（UF₆）气体引入高速旋转的离心机中，利用离心力的作用，较重的U-238分子趋向于离心机的外壁，而较轻的U-235分子则集中在中心。通过多级离心分离，逐步提高U-235的浓度。

逆转化：将 UF6气体脱氟转化为 UO2固体的过程，二氧化铀是制作核燃料组件所需的产品形态

组件加工：将处理好的 UO2 加工为可以进行使用的核燃料元件的过程。该流程主要分为芯块制备、燃料棒制备，组件组装三道工序。

2、尾料浓度决定天然铀消耗与分离功的需求

铀浓缩的原料是从转化工厂获得的六氟化铀（UF₆）。浓缩后将形成两类UF₆：一类是浓缩产品，含有较高浓度的铀-235（U-235），将用于制造核燃料；另一类是“尾料”，含有较低浓度的U-235，被称为贫铀（DU）。尾料浓度（即U-235的含量）是一个重要参数，它间接决定了为了达到特定产品浓度，需要对一定量的铀进行多少“分离功”。

原料中U-235的浓度可能因来源不同而变化。天然铀中的U-235浓度约为0.7%，而回收铀大约为1%，尾料浓度通常为0.25%–0.30%。• 浓缩厂的产能以“分离功单位”（SWU）计量。SWU表示：相对于处理的铀量所需的能量输入，浓缩程度（即U-235同位素相对于其余部分的浓度提升），以及剩余部分（即尾料）中U-235的去除程度。SWU的单位严格为“千克分离功单位”，用来衡量当进料与产物量以千克计时，为实现一定程度的浓缩所需的分离功。

浓缩SWU的成本和铀的成本之间存在权衡。例如，如果工厂的尾料浓度为0.25%，生产一公斤铀235丰度达到5%的铀需要7.9个SWU；如果尾料含量为0.20%，则需要8.9个SWU。

3、铀-235浓度提升带动分离功需求非线性增长

随U235丰度升高，单位成品所需分离功越高，单位天然铀所需的分离功也越高。根据WNA数据，1吨天然铀浓缩至4%~5%可产出 120–130kg浓缩铀，每公斤浓缩铀约需6.25–8.85 SWU，是商业化最成熟区域；浓缩至20%（研究堆）仅产出26kg，每公斤浓缩铀约需45 SWU；浓缩至90%（武器用途）产量锐减至5.6kg，每公斤浓缩铀约需227 SWU。

4、气体离心法是当下浓缩铀的主流制备路线

气体扩散法是美国最早商用的铀浓缩工艺，该技术需要极高的电力消耗。目前，全球范围内所有气体扩散装置均已被第二代离心技术取代。

气体离心法在1940年代首次被验证可行，但当时由于气体扩散法更为简单，故未投入工业化应用。直到1960年代，气体离心法作为第二代浓缩技术得以开发并投运。气体离心法也以UF₆气体为原料，并利用铀-235和铀-238之间微小的质量差进行分离。UF₆气体被输入一系列真空筒中，每个真空筒内置一个转子，转子长度为3–5米，直径约20厘米。

欧洲的离心机单台产能为每年40~100 SWU。当转子以50,000至70,000转/分钟的高速旋转时，较重的铀-238分子会向圆筒外缘聚集，较轻的铀-235分子则集中在轴心附近。借助轴向的温度梯度与逆向气流，富含铀-235的气体在圆筒轴心处被提取，而贫铀部分则沿边缘排出。

经过初步分离后，浓缩的UF₆气体将送往下一阶段进行进一步浓缩，而贫化的部分则返回前一阶段循环使用。最终，浓缩铀和贫铀会分别从多个离心级中抽出，达到所需浓度。离心系统通常由多台并联的离心机组成，离心机的设计使用寿命约为连续运行25年。

激光浓缩工艺有望成为第三代铀浓缩技术，有望降低能耗、降低资本成本和尾矿含量，从而带来显著的经济优势。激光产生精确波长的光，然后可用于增加由特定同位素组成的原子或分子种类的能量（“激光激发”），从而改变其性质并使其分离。

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