原子蒸气激光同位素分离

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)内的一套原子蒸气激光同位素分离装置。图中发出绿光的装置为铜蒸气泵浦激光器，它作为泵浦能量源驱动精密调谐波长的染料激光器（橙色光束）

原子蒸气激光同位素分离法，也称AVLIS，为一种选择性电离元素（通常是铀）中特定质量的同位素，实现同位素分离的方法。其使用特殊工作波长的调谐激光，原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移。[1][2]

较之气体离心法，AVLIS能够实现更低的能耗与更高的分离效率。其分离过程也能减少传统法所带来的较大放射性废料排放量。

另一种与其类似的技术利用激光分离分子而非原子，被称为分子激光同位素分离工艺（MLIS）。

原理

由于它们的超精细结构差异，235U与238U的吸收光谱存在细微不同：238U的吸收峰位于502.74nm，而235U的吸收峰则移动至502.73nm。AVLIS过程使用可调谐染料激光，这种激光的中心发射波长能被准确调谐，使混合物中的235U吸收光子跃迁至激发态，产生光致游离并电离成离子。电离出的235U离子束被静电场偏置方向进入收集装置，而中性的238U则不受电场影响无碍通过。

一套完整的AVLIS系统由铀蒸发系统、激光系统与尾料收集器组成。铀蒸发系统通常由大功率条带式或扫描式电子束枪组成，打到混合物靶上的能量大于2.5 kW/cm，生成高纯度的气态铀元素。

激光激发

通常情况下，AVLIS使用的激光器由两级组成：铜蒸气激光器（CVL）与可调脉冲染料激光器。前者的作用是染料激光器的泵浦光源。[3][4]铜蒸气激光器作为波长、模式可调谐的主振荡器提供窄线宽、低噪声与高波长稳定性的种子光源。[5] 它的输出功率被作为光放大器的染料激光器放大，并最终照射至铀蒸汽样品上。需要指出的是在AVLIS过程中235U原子并非被直接电离，而是吸收一个小于电离能的光子到达激发态，再吸收第二、第三个光子的能量完成电离的逐级电离过程。因此AVLIS的激光装置需三个不同波长的激光照射铀蒸气以完成三光子电离。[6]

分离其它元素的原子蒸气激光同位素（如对锂的同位素分离）通常采用窄线宽的可调谐半导体激光器。[7]

商业化与国际意义

在1994年，在美国政府史上规模最大的联邦技术转移过程中，AVLIS流程被转让至美国浓缩公司（United States Enrichment Corporation）并实现商业化。但在投资了一亿美元资金后，美国浓缩公司在1996年6月9日取消了AVLIS技术的生产计划。

当前某些国家仍然在持续研究推进AVLIS技术与配套工艺，并使国际社会对核技术监管提出了挑战。[8] 根据目前的公开资料显示，伊朗曾经秘密开展过AVLIS技术的研究计划。但在2003年被曝光后，伊朗政府声称该计划所涉及的实验设施已被拆除。[9][10]

工艺简史

公开文献来源显示，AVLIS技术最早于1970年代初分别被前苏联与美国同时发明。[11]在美国，尽管有数个国家实验室参与了AVLIS的早期研究，其主要研究工作实由劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责进行。包括澳大利亚（1982-1984）、法国（1984）、印度（1994）与日本（1996）等国家的学术界也陆续发表了可用于AVLIS浓缩铀的可调谐激光器研究。[11]

参见

参考资料

  1. ^ L. J. Radziemski, R. W. Solarz, and J. A. Paisner (Eds.), Laser Spectroscopy and its Applications (Marcel Dekker, New York, 1987) Chapter 3.
  2. ^ Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor. Wiley-VCH, Berlin, August 2006, ISBN 3-527-40621-2
  3. ^ F. J. Duarte and L.W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapter 9.
  4. ^ C. E. Webb, High-power dye lasers pumped by copper vapor lasers, in High Power Dye Lasers, F. J. Duarte (Ed.) (Springer, Berlin, 1991) Chapter 5.
  5. ^ F. J. Duarte and J. A. Piper, Narrow linewidth high prf copper laser-pumped dye-laser oscillators, Appl. Opt. 23, 1391-1394 (1984).
  6. ^ "Annex 3": List of Items to Be Reported to IAEA. Iraqwatch.org. [2010-11-22]. （原始内容存档于2011-05-14）. 
  7. ^ I. E. Olivares, A. E. Duarte, E. A. Saravia, and F. J. Duarte, Lithium isotope separation with tunable diode lasers, Appl. Opt. 41, 2973-2977 (2002).
  8. ^ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack. Laser Enrichment: Separation Anxiety. Council on Foreign Relations. March–April 2005 [2010-11-22]. （原始内容存档于2010-12-22）. 
  9. ^ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack. Focusing on Iran's Laser Enrichment Program (PDF). FirstWatch International. June 17, 2004 [2010-11-22]. （原始内容存档 (PDF)于2013-05-14）. 
  10. ^ Paul Rogers. Iran's Nuclear Activities. Oxford Research Group. March 2006 [2010-11-22]. （原始内容存档于2007-02-06）. 
  11. ^ 11.0 11.1 F. J. Duarte. Tunable laser atomic vapor laser isotope separation. F. J. Duarte (Ed.) (编). Tunable Laser Applications 3rd. Boca Raton: CRC Press. 2016: 371–384. ISBN 9781482261066. 

外部链接