原子蒸氣激光同位素分離

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勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)內的一套原子蒸氣激光同位素分離裝置。圖中發出綠光的裝置為銅蒸氣泵浦激光器，它作為泵浦能量源驅動精密調諧波長的染料激光器（橙色光束）

原子蒸氣激光同位素分離法，也稱AVLIS，為一種選擇性電離元素（通常是鈾）中特定質量的同位素，實現同位素分離的方法。其使用特殊工作波長的調諧激光，原理基於不同質量的同位素吸收光譜存在同位素位移。[1][2]

較之氣體離心法，AVLIS能夠實現更低的能耗與更高的分離效率。其分離過程也能減少傳統法所帶來的較大放射性廢料排放量。

另一種與其類似的技術利用激光分離分子而非原子，被稱為分子激光同位素分離工藝（MLIS）。

原理

由於它們的超精細結構差異，235U與238U的吸收光譜存在細微不同：238U的吸收峰位於502.74nm，而235U的吸收峰則移動至502.73nm。AVLIS過程使用可調諧染料激光，這種激光的中心發射波長能被準確調諧，使混合物中的235U吸收光子躍遷至激發態，產生光致游離並電離成離子。電離出的235U離子束被靜電場偏置方向進入收集裝置，而中性的238U則不受電場影響無礙通過。

一套完整的AVLIS系統由鈾蒸發系統、激光系統與尾料收集器組成。鈾蒸發系統通常由大功率條帶式或掃描式電子束槍組成，打到混合物靶上的能量大於2.5 kW/cm，生成高純度的氣態鈾元素。

激光激發

通常情況下，AVLIS使用的激光器由兩級組成：銅蒸氣激光器（CVL）與可調脈衝染料激光器。前者的作用是染料激光器的泵浦光源。[3][4]銅蒸氣激光器作為波長、模式可調諧的主振盪器提供窄線寬、低噪聲與高波長穩定性的種子光源。[5]它的輸出功率被作為光放大器的染料激光器放大，並最終照射至鈾蒸汽樣品上。需要指出的是在AVLIS過程中235U原子並非被直接電離，而是吸收一個小於電離能的光子到達激發態，再吸收第二、第三個光子的能量完成電離的逐級電離過程。因此AVLIS的激光裝置需三個不同波長的激光照射鈾蒸氣以完成三光子電離。[6]

分離其它元素的原子蒸氣激光同位素（如對鋰的同位素分離）通常採用窄線寬的可調諧半導體激光器。[7]

商業化與國際意義

在1994年，在美國政府史上規模最大的聯邦技術轉移過程中，AVLIS流程被轉讓至美國濃縮公司（United States Enrichment Corporation）並實現商業化。但在投資了一億美元資金後，美國濃縮公司在1996年6月9日取消了AVLIS技術的生產計劃。

當前某些國家仍然在持續研究推進AVLIS技術與配套工藝，並使國際社會對核技術監管提出了挑戰。[8]根據目前的公開資料顯示，伊朗曾經秘密開展過AVLIS技術的研究計劃。但在2003年被曝光後，伊朗政府聲稱該計劃所涉及的實驗設施已被拆除。[9][10]

工藝簡史

公開文獻來源顯示，AVLIS技術最早於1970年代初分別被前蘇聯與美國同時發明。[11]在美國，儘管有數個國家實驗室參與了AVLIS的早期研究，其主要研究工作實由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室負責進行。包括澳大利亞（1982-1984）、法國（1984）、印度（1994）與日本（1996）等國家的學術界也陸續發表了可用於AVLIS濃縮鈾的可調諧激光器研究。[11]

參見

參考資料

  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]. 
  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]. 
  9. ↑ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack. Focusing on Iran's Laser Enrichment Program (PDF). FirstWatch International. 2004-06-17 [2010-11-22]. 
  10. ↑ Paul Rogers. Iran's Nuclear Activities. Oxford Research Group. 2006-03 [2010-11-22]. 
  11. ↑ 11.0 11.1 F. J. Duarte. Tunable laser atomic vapor laser isotope separation. F. J. Duarte (Ed.) (編). Tunable Laser Applications 3rd. Boca Raton: CRC Press. 2016: 371–384. ISBN 9781482261066. 

外部連結

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