淺談鈾濃縮——一些細碎的事情

有希最近忙死了的說，頂著季節失眠還是更一期吧。

核彈大家都知道了，那麼作為核彈核心的核材料的鈾和鈈該怎麼樣獲取呢？有希想談談鈾濃縮的一些故事。首先必須明確的一點是核彈引爆的是鈾235和鈈239，這兩種東西都是鈾和鈈的同位素！記住了同位素的說。

同位素（英語：Isotope）是某種特定化學元素之下的不同種類，同一種元素下的所有同位素都具有相同原子序數，質子數目相同，但中子數目卻不同。這些同位素在化學元素周期表中佔有同一個位置，因此得名。

例如氫元素中，氕、氘和氚，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0個中子、1個中子及2個中子，所以它們互為同位素。由於同位素的原子核的差距只是中子數的不同，因此在化學性質上並無多大差距，想依靠核化學的方法分離幾乎不可能。同時很有意思的是，天然鈾中鈾235的丰度只有約0.7%！因此要提取出數公斤的鈾235，可能需要數十噸上百的鈾礦。

這就是金屬鈾，鈾金屬呈銀白色，其大部分都是鈾238

事實上鈾礦的提取相當複雜，首先從礦石開始。

中國開採出的第一塊鈾礦石

在進行選礦，粉碎，酸處理，離子交換，化學試劑反覆萃取之後可以獲得濃度為75%的鈾酸鹽，再此基礎上再進行純化，最後得到氧化鈾，並且和氫氟酸反應之後獲得超高純度的六氟化鈾。

這就是硝酸鈾，硝酸鈾進一步與氨反應，生成重鈾酸銨(NH4)2U2O7。加氫還原得到二氧化鈾，再與氫氟酸反應生成四氟化鈾。四氟化鈾與氟進行氧化反應產生UF6。

之所以選用六氟化鈾作為鈾濃縮的材料是因為氟很有意思，氟自然界中只存在一種核素F19豐都接近100%，其同位素F18隻有約100分鐘半衰期，因此各種六氟化鈾分子的相對分子質量差異可以完全歸咎於各種鈾核素相對原子質量的差異。

同時更有意思的是六氟化鈾的三相點是64 °C，氣壓比大氣壓略高，容易氣化。因此不管是離心機還是氣體擴散法都喜歡用它。

裝在玻璃管里的六氟化鈾，通常狀態為白色固體。值得提醒的是：六氟化鈾有劇毒！並且會和水劇烈反應生成氫氟酸。因此這是一種極其危險的化學品。

那麼有什麼方法能把鈾235提出來呢？答案是有的首先介紹一下大名鼎鼎的離心機吧。

這就是差點引爆戰爭的伊朗鈾濃縮裝置，內賈德身邊的就是用來執行鈾濃縮的離心機。離心機的原理說起來其實很簡單。

六氟化鈾氣體從上端進入內腔由一種高性能電機帶動，以4-6萬轉速度高速旋轉，較重的分子（U238組成的六氟化鈾）會被集中在筒壁稍微較輕含U235的六氟化鈾會富集在頂部和轉子附近將它們抽出來，進入下一級繼續分離即可。鈾濃縮一台離心機的效率往往不夠，需要多台串聯才能完成濃縮過程，完成數公斤武器級（鈾235丰度90%）的鈾濃縮可能需要數千台離心機協力工作一個月。值得一提的是由於離心機的轉子必須以高速運轉因此電機的技術很難被掌握，這也是離心機法的一個門檻。伊朗在趁著蘇聯解體的混亂中從俄羅斯和原蘇聯加盟共和國手中獲取了電機技術，使得伊朗核問題成為了一個防核擴散中不可忽視的重大隱患。

2015年7月14日，伊朗與美國、中國、俄羅斯、英國、德國、法國六大國經過漫長談判後，就限制伊朗發展核武及解除對伊朗的制裁問題達成協議。該全面協議由正文及五個技術附件組成，五個技術附件分別涉及核、制裁、民用核能合作、聯委會及實施等五方面內容。伊朗還同意15年內將鈾濃縮濃度限制在不超過3.67%的範圍內，聯合國對伊朗的彈道導彈制裁將保留8年。

能驚動五常加德國，伊朗鈾濃縮技術的威脅可想而知，幾乎已經到了製造核武器的前夜的說。

除此之外還有一招氣體擴散法，氣體擴散法最為世人所知的就是兩個字——「耗電」！。但是它確實離心機之外唯一可以穩定完成有濃縮的方法，並且被廣為使用，技術門檻也不高。

這個方法技術原理也很簡單，說白了就是在機器里準備多孔薄膜，質量輕的U235的六氟化鈾氣體會被更快的壓過薄膜，質量較重則反之。只要氣體壓力足夠低，薄膜足夠薄（孔徑約為0.01～0.03μm）。由於鈾235與238之間相對分子量差別很小。所以理論分離係數約為1.0043，而實際分離係數大概只有1.003。因此同離心法不同的是，要想分離出鈾235需要將大量的擴散分離機串聯起來，逐級提高鈾的富集程度。為製得3%的鈾235，大約需要1200多台分離機。 擴散廠由於需要不斷重複分離氣體，能耗十分巨大。每單位分離功大約需耗能2500～3000kw.h。

中國的鈾濃縮工廠，使用的氣體擴散法可見其需要規模之大。

另一個方法獲得核材料就是鈈239，鈈239也是引發鏈式反應的核材料，美國投在長崎的胖子就是鈈彈。鈈-239的來源其實很有意思，它使反應堆中鈾238吸收中子後的產物，因此法國人搞的快中子堆一直被稱為增殖堆，因為它會逐漸的將鈾238轉化為鈈239.這裡還有一種更適合製造核武器的就是所謂的重水熱中子堆。

注意鈈和鈾的轉化（左上角），核燃料中包含兩種成分，一種是如鈾-235、鈈-239等容易產生分裂的同位素，稱為「可裂變物質」，另一種是如鈾-238等的，捕捉到一個中子後可以轉變為相對應的可裂變物質，因此稱為「增殖性材料」，如鈾-238可轉變為鈈-239，釷-232可轉變為鈾-233。

伊朗的重水堆，這就是麻煩之源

因這是獲得鈈一個很不錯的方法。不過弊端也是有的，核反應堆建設周期長，耗費巨大且目標顯眼，極易被發現甚至被攻擊。伊拉克購入的反應堆就曾經被以色列摧毀過，而伊朗朝鮮兩國的核設施在運作之初就被國際社會探知發現，並且被監視。如果是有相當力量大國自然好說話，對於小國而已是扛不住國際社會的壓力的，伊朗朝鮮都是如此。

鈾238經過一定時間的輻照之後，放入水池冷卻等短半衰期的元素都衰變之後使用化學試劑即可完成提取。

死亡金屬——鈈

綜上所述：核武器所需要的核材料鈾鈈的獲取都是可以通過鈾礦經過一定的工序轉化的，不過對於這樣的技術，需要相當的工業基礎，小國很難掌握，因此像伊朗朝鮮這種不大不小的流氓國家也就成為了社會的靶子。祈禱一個沒有核武器的世界吧。

後記：這一期的文章特別簡短也沒有辦法，這段時間有希忙著寫綜述和搬家...23333，順便感謝這段時間我家小天使對有希的支持，如果沒有她真不知道這段時間有希該怎麼度過。這一期寫的比較匆忙，有問題請指出吧。以上吧

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