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...