打開潘多拉盒子的鑰匙-核離心機的發明及其技術擴散路徑

大家都知道,原子彈的原理並不複雜,真正複雜的是核燃料的提取過程,那麼核燃料到底是怎麼提取濃縮的呢?那就離不開濃縮離心機了。

鈾濃縮離心分離機是吉爾諾特·茲普博士發明的。整個發明過程沒有突破性進展,沒有興奮的歡呼,也沒有靈光一閃。它的發明進度十分緩慢,但最終吉爾諾特·茲普博士和他的同事們催生了這個小巧、精密,用於收集鈾元素中最稀有的U-235同位素的儀器。


打開潘多拉盒子的鑰匙-核離心機的發明及其技術擴散路徑


  這正是這個儀器揭開了核時代的帷幕:到20世紀60年代,茲普型離心分離機已經成為替反應堆以及核武器提供燃料的最簡單的方法。他的這項發明為城市帶來了更多的照明,同時讓城市處於隨時被毀滅的威脅中。現在全世界的鈾離心分離機已經多達數百萬臺,是各國重兵保護的對象,它們正在一道道鐵絲網的包圍中高速運轉著。

  如果一個發明家有任何遺憾的話,他一般是不會向別人提及這樣的遺憾的。但最近在接受《紐約時報》記者採訪時,茲普用極富哲理的語言對他的團隊的發明進行了評價。他說,決定他的發明對人類是有利還是有害的權力,掌握在那些正在利用它的發明的國家的手裡。

  在慕尼黑進行的一次電話中,吉爾諾特·茲普表示:“你既可以用廚房裡的菜刀削馬鈴薯,也可以用它殺死你的鄰居。確保'鈾離心分離機'為人類的利益服務,這是政府的責任。”茲普今年已經86歲高齡,有時還會出來工作,有時也去參加一些國際會議。

  這項發明的給人類帶來了利益在那裡明擺著:利用茲普型離心機生產的鈾燃料的核反應堆產生的電量佔全世界總電量的16%。隨著人們越來越擔心全球溫室效應和石油危機,在接下來的幾十年中,核反應堆提供的電能所佔的比例還會上升。但是最近關於茲普博士的發明的新聞都是集中在它的非法傳播所帶來的危害上。專家警告說,它可能會使核武器落到恐怖分子手中,或者落到那些對恐怖分子持同情態度的國家手裡。

  今年2月,巴基斯坦的核專家卡迪爾汗承認,他經營著一個巨大的黑市,至少為三個國家提供了茲普型離心分離機。這似乎是原擴散史上發生的的最糟糕的事情。當某些國家在為他們揭露了這一走私網絡而興奮不已的時候,民間的專家指出,這次非法交易的核心部分是離心機的秘密設計圖紙,有些國家或組織仍希望搞到這種機器,它被非法利用的危險遠沒有結束。

  總部設在華盛頓的武器控制組織“科技和國際安全研究會”的主席大衛·布萊特說:“它很小,你可以用它秘密製造你所需要的東西而不被別人發現。”如果茲普型離心機的未來和它的過去一樣令人驚訝的話,這個世界可能會因此而忐忑不安。

            他曾是納粹的技術專家

  離心機的製造過程充滿了曲折和汗水。美國佛吉尼亞大學的離心機專家休斯頓·伍德說:“那是一項非常艱苦的工作,很多難題必須解決。”茲普博士出生在奧地利,也是在奧地利長大的。30年代的時候,他到維也納大學學習物理。之後他為德國的納粹空軍服務,擔任飛行教師,研究雷達和飛機推進器。1945年,蘇聯人把他關進了一座專門用來囚禁技術人員的監獄裡。

  莫斯科當時正急切希望在核武器方面趕上華盛頓。核武器中最難的其實不是設計問題,而是如何獲取燃料。這項工作集中在鈾的同位素上。同位素是質子數相同而中子數不同的一類元素。比較普通的鈾的同位素是U-238,有146箇中子,在自然的鈾元素中佔有99.3%的比重。U-238比鈾的另一種同位素U-235稍微重一點,U-235比U-238少三個中子,在自然界的鈾元素中僅佔0.7%的比重。

  但是U-235的價值卻要高得多,因為它很容易分裂,在分裂過程中能夠釋放出巨大的原子能。當天然鈾中U-235的含量被強化到5%時候,它就能為核反應堆提供燃料,當然在90%的情況下,是為原子彈提供燃料。

  蘇聯人讓茲普博士和其他的德國戰俘來研製離心機以獲取稀有的同位素U-235。美國人也曾經嘗試過,不過最後轉向了用其他方法來獲取U-235。美國人的方法佔地很大,很複雜,而且成本高。蘇聯人認識到,鈾離心分離機必須幾百個、幾千個連在一起工作才有效率。這樣每臺機器可以增加少量U-235的產量,集中起來,慢慢的增加U-235的含量。而且這些機器必須持續不斷的運轉好幾年,才能實現經濟、高效的目的。

            離心機的原理並不複雜

  在工業上離心分離機是一個很普通的機器。其工作原理就是利用高速的旋轉,把混合在一起的物質分開。比如,從血漿中分離出血球。儘管這聽起來很不可思議,但是他們的原理其實就這麼簡單。滾筒式洗衣機也是一臺分離機,它旋轉所產生的人造重力能夠把水(重)和衣服(輕)分開。一臺好的洗衣機大約每秒鐘旋轉15圈。U-235和U-238的差別是很細微的,蘇聯人為了能把U-235分離出來所需要的離心機的轉速大約是洗衣機的100倍,接近了聲音的速度。

  茲普博士回憶說:“每個人都在嘲笑我,並且說:‘這是不可能成功的。'我是一個年輕人,我不知道如何做才能成功,但是我決心盡我最大的努力。”在60名左右的專家中,茲普博士很快就被任命為研究組的首席研究員,因為他那天才般的創意似乎能把這個機器研製出來。研究組的主要領導是馬克斯·斯坦伯克,他是一名物理學家,也是德國西門子公司的前任主管。

  整體上的思路是很清晰的,儘管在具體方法上還不是很明朗:在一個空間中安放一個高速滾筒。用氣態的鈾充滿這個空間。在滾筒的底部利用一個規則變動的磁場(這和電動機很相似),來使這個滾筒高速旋轉,這樣比較重的U-238就會向著筒壁方向飄去,而U-235則會中間地帶聚集起來。在底部稍微加熱,這些氣態的混合物就會產生這樣的效果:U-238向下沉,而U-235則會向上飄,這樣就能收集到所需要的同位素了。

  為了實現這個目標遠大的計劃,整個團隊必須努力工作來打敗旋轉過程的主要敵人--摩擦力。摩擦力能夠讓轉速減慢,損壞甚至毀掉整套設備,而這些機器原本需要毫無瑕疵地工作好多年。抽光滾筒裡的空氣,用一個磁力軸承把滾筒的頂部固定好,這樣就可以減少所必需的物理支撐。

  或許最重要的是,整個團隊把這個滾筒的底部安裝在了一個針狀的軸承上。這是整套系統中唯一的一個物理接觸點。設計人員花費了數年的時間不停地試驗和修改,最後終於把這個複雜的設備研製出來了。

  他的“作品”改變了世界

  1956年,茲普博士被釋放了出來,回到了維也納。1957年,他前往阿姆斯特丹參加一個會議,驚訝地發現西方世界比他們團隊的研究成果落後了很多年。他決定分享他所知道的一切。儘管蘇聯禁止他帶走任何筆記和報告,但正如他回憶時所說:“這一切都裝在我的腦子裡呢。”

  茲普博士來到了美國,在美國政府的干預下,他在佛吉尼亞大學建立了一個研究所。他要在那裡再現他在蘇聯研製的離心機。華盛頓方面邀請他參加美國的秘密核能實驗室,並且答應為他改變國籍。他謝絕了。在蘇聯的那段日子,給他的印象太深刻了。事實上,他更希望能夠利用他的發明為和平事業服務,為商用的核能反應堆提供鈾。

  1960年,茲普又回到了歐洲,在工業界大顯身手,尤其是為西德服務。他參加了歐洲戰後擺脫美國的核獨立運動。“科技和國際安全研究會”的埃爾伯特把茲普與羅伯特·奧本海默博士相提並論:“茲普博士很象奧本海默。”奧本海默是美國原子彈計劃的領導者,他把一群固執的核專家們團結在一起,為美國創造了核奇蹟。

  60年代,茲普博士和他的同事們設法使離心機工作得更有效率。他們把滾筒的材料由鋁變成了一種叫做“馬氏鋼”的超硬合金。這樣滾筒可以旋轉得更快,加快U-235的積累速度,而不必擔心會把滾筒轉裂。研究人員還設法使滾筒的工作時間延長,這樣可以增加U-235的收集量。他們在連接處設置了一個叫做風箱的特殊裝置,這樣在旋轉速度加快時,可以使分離機的工作時間更加長久,茲普博士說:“工作時間可以延長十倍以上。”

  在70年代,製造核原料的歐洲企業Urenco公司採納了茲普博士的設計,但這家公司對這項具有潛在致命性的技術的安全防範措施卻非常松。巴基斯坦核專家卡迪爾汗在替Urenco公司擔任顧問期間,偷走了這項設計。他利用這些設計在巴基斯坦建造了離心機來為核武器生產燃料,而且根據最近剛剛揭露出來的消息,他後來又把離心機的設計圖和機器賣給了伊朗、利比亞等國。茲普說:“這是一個令人非常難過的消息。”

總結一下就是:吉爾諾特·茲普博士在蘇聯發明了離心機-被釋放後把技術給了美國-回到西德後又把技術傳授給了歐洲企業Urenco公司-巴基斯坦核專家卡迪爾汗將技術擴散給了巴基斯坦、伊朗、利比亞等過。


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