06.03 科普:核武器中的濃縮鈾是怎樣做出來的?

現在,唐納德·特朗普(Donald Trump)總統已經把美國從與伊朗的核協議中拉了出來,全世界的人們都在想,中東國家是否會把自己的精力投入到製造核武器上。但是,如果真的要製造原子彈,那麼研究人員將如何獲得足夠的濃縮鈾,該怎麼做呢?

本文僅為科普!

鈾濃縮是建設核武器的關鍵步驟之一。只有某種類型的鈾才能在核反應堆和炸彈中工作。將這種類型的鈾從更常見的品種中分離出來需要大量的工程技術,儘管完善這項技術需要數十年的時間。但是,真正的挑戰不在於如何分離鈾,而在於構建和運行濃縮鈾任務所需的設備。

科普:核武器中的濃縮鈾是怎樣做出來的?

2007年,哈薩克斯坦烏斯-卡姆諾戈爾斯克的烏爾巴冶煉廠,冷卻中的鈾顆粒。

鈾原子,就像每個元素的原子一樣,都存在於自然界中,稱為同位素。 (每個同位素在其原子核中有不同數量的中子)。鈾-235是一種同位素,其含量不到全天然鈾的1%,可以為核反應堆和核彈提供燃料,而同位素鈾-238佔天然鈾的99%,但沒有核能利用價值。

怎樣將1%的鈾-235分離出來呢?它們分離的關鍵是:鈾-235的原子重量比鈾-238的原子稍小。

為了分離天然鈾礦石中存在的微量鈾-235,工程師們首先要使用化學反應將鈾轉化為氣體。然後,將氣體放入離心管 —一個一人高或更大尺寸的圓柱形管。每根管都以極高的速度在其軸上旋轉,將較重的鈾-238氣體分子拉入管的中心,使較輕的鈾-235氣體分子更靠近管的邊緣,在那裡鈾-235氣體分子可以被吸出。

每次氣體在離心機中旋轉時,只有少量的鈾-238氣體被從混合物中除去,因此這些管需要串聯使用。每個離心機抽出一點鈾-238,然後讓稍微精煉的氣體混合物通過下一個管,直到成千上萬次旋轉後,剩餘在管內的氣體就幾乎全部是鈾-235氣體分子。

在通過許多離心步驟分離出氣態鈾-235後,工程師會使用另一種化學反應將氣體鈾轉換回固態金屬。這種金屬便可以塑造成用於反應堆或原子彈的濃縮鈾原料了。

由於每一步都只是對鈾氣體混合物進行少量淨化,因此濃縮過程基本只會選用運行效率最高的離心機。否則,即使生產少量的純鈾-235也會變得非常昂貴。

而設計和製造這些離心管,已經超出許多國家能承受的經費和技術水平。 這些管子需要特殊類型的鋼或複合材料,以承受極端的旋轉壓力,必須製造完美的圓柱形,以最大限度地提高效率。製造過程需要特殊的機器,而機器本身幾乎與離心管一樣難以製造。

當年,美國為了製造在廣島投下的原子彈,需要137磅(62公斤)的鈾-235。而美國分離濃縮出137磅重的鈾-235 使用了當時全國電力的10%。據統計,在1944年美國花費了2萬人建造該結構,12,000人操作該設施,花費超過5億美元。摺合2018年約為72億美元。

所以,核武器不是誰想造就能造出來的!


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