首頁>軍事>

核武器的物理原理其實並不複雜,我們在高中就學到了鏈式反應。但是防止核武器擴散的壁壘,在於分離差異只有1%的兩個同位素。

參考資料 NRC 等

編譯 七君

鈾這個元素是德國化學家馬丁·克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)在1789年發現的,人類對它的認識只有230年的歷史。一開始大家沒把它當回事兒。直到1938年,鈾的暗黑潛質才被髮掘。

是這樣的,天然的鈾礦含有鈾的2個同位素:鈾235(92個質子,143箇中子)和鈾238(92個質子,146箇中子)。

鈾235(左)和鈾238(右)示意圖

拿來造核彈的是鈾235,因為它在裂變的過程中會釋放出2箇中子。而鈾235是一種奇怪的元素,它和其他元素,以及弟弟鈾238有點不一樣,它即使吸收了低能中子,也會發生裂變,爆發小宇宙。因此只要有少量鈾235在裂變,別的鈾235也會跟風裂變,這就是鏈式反應。

鈾235的鏈式反應

@Uchichago magazine

鏈式反應維持在臨界狀態(無限介質增殖係數 k∞ = 1),也就是說一代代釋放出來的中子數保持穩定,就能溫和地釋放能量,這就是核電站的原理;如果鏈式反應超臨界(無限介質增殖係數 k∞ > 1),一代代釋放出的中子數不斷增長,那麼就能造核武了。這個中學物理課也會上。

1941年,美籍義大利裔物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)用了一點點鈾235製造出了史上第一次鏈式反應。

1942年12月2日,費米制造的世界上第一個核反應堆執行時的場景插圖。

@Chicago Historial Society

不過呢,鈾238和鈾235不一樣,它比較淡定,見到低能中子就假裝沒事吃下去變成了鈾239(92個質子,147箇中子),並不會繼續吐出中子(但會偷偷β衰變)。鈾238只有被快中子撩了才會噼裡啪啦裂變。

換句話說,如果鈾235附近老多鈾238弟弟,那麼它吐出的中子就後繼無人,無法產生鏈式反應,就沒法拿來製造武器或者當作核燃料了。反過來說,鏈式反應要這麼容易發生,地球上早就沒有鈾礦了不是嗎?

所以,我們才需要將鈾235和兄弟分離,進行鈾235果汁濃縮。但是類,地球的鈾礦裡只有0.7%是鈾235,剩下的都是鈾238。而要製造核電站核燃料的話,鈾235的純度要達到3.5%以上,而核武器則需要80%-90%。

現在問題來了,要怎樣濃縮足夠的鈾235呢?

這就是製造核武器最困難的步驟了。因為鈾235和鈾238的化學性質相似,沒辦法用化學反應將它倆分開。而且它倆的大多數物理學性質,比如沸點也相似,也沒有辦法用簡單的物理方法分開這兩兄弟。

它們之間的微小差別,就在於鈾235比鈾238要輕一丟丟(鈾238和鈾235的原子量比為1.013)。所以某些情況下,鈾235要比兄弟快那麼一點點。現在的主流鈾濃縮方法,就是利用了鈾235比鈾238快一點點的性質。

第一種鈾濃縮的方法,也是製造第一個原子彈的方法——氣體擴散法。

氣體擴散法過程大概是這樣的:鈾的化合物的氣體通過一個有孔的管子,管子放在一個壓強更低的盒子裡。

根據格銳目定律 ,氣體擴散速度和氣體密度的平方根成反比。因此鈾235會比體重更大的兄弟更早從管子的孔隙裡擴散出來。收集這波早出場的氣體,就可以得到濃度更高的鈾235。如此反覆操作,鈾235含量就會繼續增加,最終達到製造核電站燃料,或是核彈所需的水平。

這樣的工廠就叫做氣體擴散工廠。第一個原子彈的氣體擴散工廠K-25位於美國田納西州,佔地近16萬平方米,裡面有總長150千米的管道,長這樣子——

K-25氣體擴散工廠

@wikipedia

除了這種方法,另外還有一種更常見的濃縮鈾的方法,那就是是氣體離心法。當然,它利用的也是鈾235和鈾238的密度的微小差異。

氣體離心法是這樣操作的:鈾的化合物氣體被輸入後,離心機裡的滾輪就這樣轉啊轉。

密度更大的鈾238就被甩到了外層和下部,鈾235留在更靠中心的上部。採集靠近中心的上層氣體,就可以得到濃度更高的鈾235了。

但是一個離心機並不能一步登天。這樣把離心機互相串聯,多甩幾次,才能把鈾235甩到特定的水平。

氣體離心法的耗能只有氣體擴散法的1/60,而且理論上的濃縮效率更高。當然,也是因為效率更高,現在能做鈾濃縮的國家也多了起來。實際上,離心機法為核武器擴散帶來了隱患,所以某強國才讓某文明古國別把鈾235甩到3.5%以上。

2008年4月8日,時任伊朗總統的艾哈邁迪內賈德參觀伊朗的鈾濃縮設施。

@AP

那麼,剛才說的這個鈾的化合物氣體是什麼呢?

它就是六氟化鈾(UF6),就是6個氟原子包著一個鈾原子的分子。

固態的UF6

@wikipedia

這個有根呆毛的UF6是怎麼造的呢?

鈾礦開採出來以後,首先要去除裡面含碳的成分,然後泡在硝酸裡,再依次和氨、氫、氫氟酸和氟反應,最後得到UF6,就可以開始濃縮了。

而濃縮完的UF6氣體,還要變成固體才能用。所以,濃縮好的UF6氣體裡還要加入鈣,渣氟更中意鈣,此時才會把鈾拋棄。

這樣一波操作之後,最後剩下了孤孤單單一個人的鈾的氧化物——二氧化鈾。二氧化鈾要在到1400攝氏度的高溫下烘烤,然後被製作成這樣的小塊。

用來做核燃料的陶瓷型二氧化鈾芯塊

@science photo library

不過細心的人還會有疑問:實際上變成UF6之後,鈾235和鈾238構成的化合物之間的品質比差距更小了,這不是給分離造成了更大的困難嗎?為什麼要選擇UF6呢?為什麼不直接用鈾的氧化物,或者鈾單質來濃縮呢?

這主要有2個原因。首先,鈾的氧化物和鈾單質的沸點都太高了。比如鈾單質的沸點達到了4131攝氏度。如果它都變成了蒸汽,誰家的金屬容器還能頂得住啊?

相反,UF6的沸點很低。UF6在常溫常壓下是白色固體,但是隻需要56攝氏度(常壓下),它就可以變成氣體。

更巧的是,氟只有一個穩定的同位素F19,因此氣體擴散法和氣體離心法才能派上用場。

想象一下啊,如果氟和鈾一樣有多種同位素,那麼即使分離出了更輕的氣體,我們也不能確定分離出來的是更輕的鈾235,還是更輕的氟的同位素。

好的,現在我們了解了,UF6用來濃縮鈾很合適。聽起來很簡單,但實際上製造UF6的過程困難重重,技術門檻和危險係數極高。

首先,UF6相當不好惹,它不但劇毒,而且會和水劇烈反應,生成要命的氫氟酸。我們上次介紹過,氫氟酸腐蝕人手的時候,你甚至都不會有感覺。

被鹽酸(左),氫氟酸(中),硫酸(右)泡了18小時的大雞腿

UF6還能腐蝕大多數金屬,因此要製造能頂得住UF6的離心機也是很666了。

此外,在製造UF6時要用到的氟單質本身就是個大妖怪,這個傢伙性質超活潑,和誰都能打得火熱,它可以和元素週期表上除了氖和氦以外的所有元素反應。

舉個例子,在零下250攝氏度的黑暗中,氟和氫都能炸起來。用玻璃裝氟單質的話,氟和玻璃上的一點點水蒸氣都能發生反應,生成能爛穿玻璃的氫氟酸。諾丁漢大學的化學教授 Martyn Poliakoff 說,大多數化學家看到氟單質都怕得要死。它的危險可想而知。

管子裡通的氟單質氣體把鋼絲棉爛穿了一個洞

@pediodicvideos

實際上,第一個製備分離出氟單質,同時沒有當場去世的人亨利·莫瓦桑(Henri Moissan)就憑這一點拿下了1906年的諾貝爾化學獎。

在莫瓦桑之前,雖然有很多人也發現了氟單質,但是卻因為不知道如何安全分離而少了一肢或者掛掉。插一句嘴,現在世界上氟單質的最大用處就是鈾濃縮。

大鼻子法國化學家亨利·莫瓦桑(Henri Moissan)

@wikimedia

最後,氣體離心機的轉速很高,濃縮鈾的離心機可以產生百萬倍重力的離心力。

這有多快呢?舉個例子,二戰後蘇聯靠抓來的一支德國悲催小分隊發明的Z型離心機的轉速達到了每秒1500轉。作為對比,普通家用洗衣機脫水的時候大概是每秒12-25轉。

因此要製造濃縮鈾的離心機的話,需要不會在高轉速的情況下甩炸,而且不會被UF6腐蝕的非常特殊的金屬。一般用來製造離心機的常見金屬是金屬是鋁和鋼。鋁表面會形成一層氟化物膜,阻止和UF6的進一步反應。

上面這些技術難點就是防止核武器擴散的技術壁壘,也是防止人類作死的最後一道技術防線了。

來看看美國俄亥俄派克頓的氣體擴散濃縮鈾工廠。這個工廠裡有6萬臺氣體離心機,但也只能把鈾235濃縮到30%的水平。

美國俄亥俄派克頓的氣體擴散濃縮鈾工廠

@wikimedia

最後告訴大家一個生活小常識。大家看到這樣顏色的古董瓷器請丟掉手裡的小鯉魚並尖叫逃走,因為這種妖豔的橙色就是用鈾製作的。

20世紀30-70年代的時候,美國瓷器公司 Fiesta 就曾經用鈾燒了一批又一批芬達橙瓷器。它們到現在還有放射性,會讓蓋革計數器吱吱亂叫(鈾238會發生α衰變,釋放出α粒子)。

大家也千萬不要用這種瓷器盛飯吃...因為吃完以後會在夜晚發出熒光...

最新評論
  • 東風家族日益強大,美國亞太老巢不安穩,五角大樓急尋新防禦手段
  • 為何解放軍的步槍,都不安裝瞄準鏡?專家:不是買不起而是不需要