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为啥这么多国家造不出核武?真正抑制核扩散的是这个步骤
2019-12-28           作者: 中科院物理所
为啥这么多国家造不出核武?真正抑制核扩散的是这个步骤
核武器的物理原理其实并不复杂,我们在高中就学到了链式反应。但是防止核武器扩散的壁垒,在于分离差异只有1%的两个同位素。

参考资料 NRC 等

编译 七君

铀这个元素是德国化学家马丁·克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)在1789年发现的,人类对它的认识只有230年的历史。一开始大家没把它当回事儿。直到1938年,铀的暗黑潜质才被发掘。

是这样的,天然的铀矿含有铀的2个同位素:铀235(92个质子,143个中子)和铀238(92个质子,146个中子)。

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铀235(左)和铀238(右)示意图

拿来造核弹的是铀235,因为它在裂变的过程中会释放出2个中子。而铀235是一种奇怪的元素,它和其他元素,以及弟弟铀238有点不一样,它即使吸收了低能中子,也会发生裂变,爆发小宇宙。因此只要有少量铀235在裂变,别的铀235也会跟风裂变,这就是链式反应。

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铀235的链式反应

@Uchichago magazine

链式反应维持在临界状态(无限介质增殖系数 k = 1),也就是说一代代释放出来的中子数保持稳定,就能温和地释放能量,这就是核电站的原理;如果链式反应超临界(无限介质增殖系数 k > 1),一代代释放出的中子数不断增长,那么就能造核武了。这个中学物理课也会上。

1941年,美籍意大利裔物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)用了一点点铀235制造出了史上第一次链式反应。

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1942年12月2日,费米制造的世界上第一个核反应堆运行时的场景插图。

@Chicago Historial Society

不过呢,铀238和铀235不一样,它比较淡定,见到低能中子就假装没事吃下去变成了铀239(92个质子,147个中子),并不会继续吐出中子(但会偷偷β衰变)。铀238只有被快中子撩了才会噼里啪啦裂变。

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换句话说,如果铀235附近老多铀238弟弟,那么它吐出的中子就后继无人,无法产生链式反应,就没法拿来制造武器或者当作核燃料了。反过来说,链式反应要这么容易发生,地球上早就没有铀矿了不是吗?

所以,我们才需要将铀235和兄弟分离,进行铀235果汁浓缩。但是类,地球的铀矿里只有0.7%是铀235,剩下的都是铀238。而要制造核电站核燃料的话,铀235的纯度要达到3.5%以上,而核武器则需要80%-90%。

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现在问题来了,要怎样浓缩足够的铀235呢?

这就是制造核武器最困难的步骤了。因为铀235和铀238的化学性质相似,没办法用化学反应将它俩分开。而且它俩的大多数物理学性质,比如沸点也相似,也没有办法用简单的物理方法分开这两兄弟。

它们之间的微小差别,就在于铀235比铀238要轻一丢丢(铀238和铀235的原子量比为1.013)。所以某些情况下,铀235要比兄弟快那么一点点。现在的主流铀浓缩方法,就是利用了铀235比铀238快一点点的性质。

第一种铀浓缩的方法,也是制造第一个原子弹的方法——气体扩散法。

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气体扩散法过程大概是这样的:铀的化合物的气体通过一个有孔的管子,管子放在一个压强更低的盒子里。

根据格锐目定律 ,气体扩散速度和气体密度的平方根成反比。因此铀235会比体重更大的兄弟更早从管子的孔隙里扩散出来。收集这波早出场的气体,就可以得到浓度更高的铀235。如此反复操作,铀235含量就会继续增加,最终达到制造核电站燃料,或是核弹所需的水平。

这样的工厂就叫做气体扩散工厂。第一个原子弹的气体扩散工厂K-25位于美国田纳西州,占地近16万平方米,里面有总长150千米的管道,长这样子——

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K-25气体扩散工厂

@wikipedia

除了这种方法,另外还有一种更常见的浓缩铀的方法,那就是是气体离心法。当然,它利用的也是铀235和铀238的密度的微小差异。

气体离心法是这样操作的:铀的化合物气体被输入后,离心机里的滚轮就这样转啊转。

密度更大的铀238就被甩到了外层和下部,铀235留在更靠中心的上部。采集靠近中心的上层气体,就可以得到浓度更高的铀235了。

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但是一个离心机并不能一步登天。这样把离心机互相串联,多甩几次,才能把铀235甩到特定的水平。

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气体离心法的耗能只有气体扩散法的1/60,而且理论上的浓缩效率更高。当然,也是因为效率更高,现在能做铀浓缩的国家也多了起来。实际上,离心机法为核武器扩散带来了隐患,所以某强国才让某文明古国别把铀235甩到3.5%以上。

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2008年4月8日,时任伊朗总统的艾哈迈迪内贾德参观伊朗的铀浓缩设施。

@AP

那么,刚才说的这个铀的化合物气体是什么呢?

它就是六氟化铀(UF6),就是6个氟原子包着一个铀原子的分子。

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固态的UF6

@wikipedia

这个有根呆毛的UF6是怎么造的呢?

铀矿开采出来以后,首先要去除里面含碳的成分,然后泡在硝酸里,再依次和氨、氢、氢氟酸和氟反应,最后得到UF6,就可以开始浓缩了。

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而浓缩完的UF6气体,还要变成固体才能用。所以,浓缩好的UF6气体里还要加入钙,渣氟更中意钙,此时才会把铀抛弃。

这样一波操作之后,最后剩下了孤孤单单一个人的铀的氧化物——二氧化铀。二氧化铀要在到1400摄氏度的高温下烘烤,然后被制作成这样的小块。

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用来做核燃料的陶瓷型二氧化铀芯块

@science photo library

不过细心的人还会有疑问:实际上变成UF6之后,铀235和铀238构成的化合物之间的质量比差距更小了,这不是给分离造成了更大的困难吗?为什么要选择UF6呢?为什么不直接用铀的氧化物,或者铀单质来浓缩呢?

这主要有2个原因。首先,铀的氧化物和铀单质的沸点都太高了。比如铀单质的沸点达到了4131摄氏度。如果它都变成了蒸汽,谁家的金属容器还能顶得住啊?

相反,UF6的沸点很低。UF6在常温常压下是白色固体,但是只需要56摄氏度(常压下),它就可以变成气体。

更巧的是,氟只有一个稳定的同位素F19,因此气体扩散法和气体离心法才能派上用场。

想象一下啊,如果氟和铀一样有多种同位素,那么即使分离出了更轻的气体,我们也不能确定分离出来的是更轻的铀235,还是更轻的氟的同位素。

好的,现在我们了解了,UF6用来浓缩铀很合适。听起来很简单,但实际上制造UF6的过程困难重重,技术门槛和危险系数极高。

首先,UF6相当不好惹,它不但剧毒,而且会和水剧烈反应,生成要命的氢氟酸。我们上次介绍过,氢氟酸腐蚀人手的时候,你甚至都不会有感觉。

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被盐酸(左),氢氟酸(中),硫酸(右)泡了18小时的大鸡腿

UF6还能腐蚀大多数金属,因此要制造能顶得住UF6的离心机也是很666了。

此外,在制造UF6时要用到的氟单质本身就是个大妖怪,这个家伙性质超活泼,和谁都能打得火热,它可以和元素周期表上除了氖和氦以外的所有元素反应。

举个例子,在零下250摄氏度的黑暗中,氟和氢都能炸起来。用玻璃装氟单质的话,氟和玻璃上的一点点水蒸气都能发生反应,生成能烂穿玻璃的氢氟酸。诺丁汉大学的化学教授 Martyn Poliakoff 说,大多数化学家看到氟单质都怕得要死。它的危险可想而知。

为啥这么多国家造不出核武?真正抑制核扩散的是这个步骤为啥这么多国家造不出核武?真正抑制核扩散的是这个步骤

管子里通的氟单质气体把钢丝棉烂穿了一个洞

@pediodicvideos

实际上,第一个制备分离出氟单质,同时没有当场去世的人亨利·莫瓦桑(Henri Moissan)就凭这一点拿下了1906年的诺贝尔化学奖。

在莫瓦桑之前,虽然有很多人也发现了氟单质,但是却因为不知道如何安全分离而少了一肢或者挂掉。插一句嘴,现在世界上氟单质的最大用处就是铀浓缩。

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大鼻子法国化学家亨利·莫瓦桑(Henri Moissan)

@wikimedia

最后,气体离心机的转速很高,浓缩铀的离心机可以产生百万倍重力的离心力。

这有多快呢?举个例子,二战后苏联靠抓来的一支德国悲催小分队发明的Z型离心机的转速达到了每秒1500转。作为对比,普通家用洗衣机脱水的时候大概是每秒12-25转。

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因此要制造浓缩铀的离心机的话,需要不会在高转速的情况下甩炸,而且不会被UF6腐蚀的非常特殊的金属。一般用来制造离心机的常见金属是金属是铝和钢。铝表面会形成一层氟化物膜,阻止和UF6的进一步反应。

上面这些技术难点就是防止核武器扩散的技术壁垒,也是防止人类作死的最后一道技术防线了。

来看看美国俄亥俄派克顿的气体扩散浓缩铀工厂。这个工厂里有6万台气体离心机,但也只能把铀235浓缩到30%的水平。

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美国俄亥俄派克顿的气体扩散浓缩铀工厂

@wikimedia

最后告诉大家一个生活小常识。大家看到这样颜色的古董瓷器请丢掉手里的小鲤鱼并尖叫逃走,因为这种妖艳的橙色就是用铀制作的。

20世纪30-70年代的时候,美国瓷器公司 Fiesta 就曾经用铀烧了一批又一批芬达橙瓷器。它们到现在还有放射性,会让盖革计数器吱吱乱叫(铀238会发生α衰变,释放出α粒子)。

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大家也千万不要用这种瓷器盛饭吃...因为吃完以后会在夜晚发出荧光...

无标注图片来源网络。

参考资料和动图来源储存于石墨:

https://shimo.im/docs/JH8WkrVDDdCJ6PrT/

来源:把科学带回家

编辑:米老猫

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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