製造原子彈的鈾到底是什麼鬼?

這是人類第一次使用原子彈後的樣子

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這是切爾諾貝利核電站洩漏後的樣子

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這兩個事件都指向同一種金屬:鈾,其元素符號是U。


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它的原子序數為92,在自然界中它是這種樣子

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地殼中鈾的平均含量約為百萬分之2.5,即平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾,這比鎢、汞、金、銀等元素的含量還高。


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鈾存在三種同位素,均帶有放射性,擁有非常長的半衰期,現在被用作核燃料。


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當然大家也別談鈾色變,畢竟它還有別的用處。比如它被用作讓飛機保持平衡的負重。


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它被用作坦克的裝甲。


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甚至鈾化合物早期用於瓷器的著色,當然這種情況現在是不成了,畢竟當時人們對鈾的認識還是比較淺薄的。


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雖然它不能再被人們用作瓷器的著色劑,但是它被用作核裂變現象後,價值直升百倍,誰還捨得拿去給酒杯著色啊。

也許你們並沒有見過真正的純淨的鈾,下面就是它真是的面目,被切削出的碎屑。


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鈾的碎屑在空氣中點燃後是可以燃燒的,我知道,這個場景你們也是平生第一次見。


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鈾的回收、降低核災難的風險和對自然環境的汙染

這些歷史使命就交給大家了


鈾的製造

本來不想涉及這個話題,畢竟咱們之前談論過,但說到鈾又繞不過核武器和鈾的製造。


小故事:60年代,一個美國文科大學生在上核擴散理論課時與教授發生爭執,說他可以單憑公開的科普資料來造出核彈。教授不信,就把這個當作對學生的考試,說給你一個月時間寫出設計方案,不能爆就不及格。結果學生贏了,他根據公開資料設計了一個“槍式核彈”,其可行性得到當時軍方核專家的認可。

咱們先看一下什麼是槍式核彈?


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投到廣島的原子彈“小男孩”的內部構造


這是典型的槍式原子彈, A、B為兩塊鈾。兩塊鈾合為一體時就會出現核爆炸,B後面為引爆用的普通炸藥,用於把B鈾塊推過去。


類似於下面這個樣子

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A、B鈾到底是什麼樣子?下面是一塊武器級鈾金屬,從退役的槍式原子彈中拆出。

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再看一下鈾的製造

鈾是具有致密而有延展性的銀白色放射性金屬。鈾通常被人們認為是一種稀有金屬。


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核燃料進入核反應堆前要經歷鈾礦開採、提取、精製、轉化、濃縮、燃料元(組)件製造等過程的加工。

鈾礦石

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鈾礦開採

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鈾提煉

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分離

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下一步是濃縮。分離濃縮想必大家都清楚,就是通過氣體離心機完成。


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下圖為佈滿離心機的濃縮鈾工廠

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下面這個是裝黃餅的桶,可以看看工作人員有什麼特別防護沒有。

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下圖為核電站中使用的核燃料,它是由上面的黃餅繼續提純後得來的,戴著一副手套後,你依然可以用手捧著它們。


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接下來我們用視頻看看鈾是怎麼來的

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最後看一看鈾的爆炸威力

1千克鈾235全部裂變後放出的能量,接近2萬噸TNT炸藥!如果用火車拉,足足需要340多節車廂,火車長達5.2千米!

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如果這些中子撞擊到另外的原子核,引發一次,甚至更多次新的裂變,像鏈條一樣傳遞下去,就是鏈式反應。

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可如果大多數中子還沒撞上原子核,就飛到外面了,裂變反應的規模就沒法變大,也就沒法形成核爆炸。

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如果把這塊鈾材料加厚加大,裂變產生的新中子,就能在飛出去前,有足夠機會撞上原子核,結果一次裂變變成兩次,然後變成四次、八次……這就形成了核爆炸。一微秒內,這個數量就能超過2億億億次!基本上一千克鈾裡面的原子核都能被撞裂。


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因此把核材料積累到一定數量,就能產生核爆炸,這個質量就叫做臨界質量。最簡單的原子彈,就是把兩塊都不夠臨界質量的核材料,猛地合到一起。也就是我們文章開始講到的“槍式原子彈”,最簡單的原子彈。


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