为啥这么多国家造不出核武真实按捺核扩散的是这个过程

我国核网|核职业必读的大众号

来历：把科学带回家（ID：steamforkids）

核兵器的物理原理其实并不杂乱，咱们在高中就学到了链式反响。可是避免核兵器分散的壁垒，在于别离差异只需1%的两个同位素。

参考资料 NRC 等

编译 七君

铀这个元素是德国化学家马丁·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）在1789年发现的，人类对它的知道只需230年的前史。一开端咱们没把它当回事儿。直到1938年，铀的暗黑潜质才被开掘。

是这样的，天然的铀矿含有铀的2个同位素：铀235（92个质子，143个中子）和铀238（92个质子，146个中子）。

铀235（左）和铀238（右）示意图

拿来造核弹的是铀235，由于它在裂变的进程中会开释出2个中子。而铀235是一种古怪的元素，它和其他元素，以及弟弟铀238有点不相同，它即便吸收了低能中子，也会发作裂变，迸发小世界。因而只需有少数铀235在裂变，其他铀235也会跟风裂变，这便是链式反响。

铀235的链式反响

@Uchichago magazine

链式反响维持在临界状态（无限介质增殖系数k∞= 1），也便是说一代代开释出来的中子数保持安稳，就能温文地开释能量，这便是核电站的原理；假如链式反响超临界（无限介质增殖系数k∞> 1），一代代开释出的中子数不断添加，那么就能造核武了。这个中学物理课也会上。

1941年，美籍意大利裔物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）用了一点点铀235制造出了史上第一次链式反响。

1942年12月2日，费米制造的世界上第一个核反响堆运行时的场景插图。

@Chicago Historial Society

不过呢，铀238和铀235不相同，它比较淡定，见到低能中子就伪装没事吃下去变成了铀239（92个质子，147个中子），并不会持续吐出中子（但会悄悄β衰变）。铀238只需被快中子撩了才会噼里啪啦裂变。

换句话说，假如铀235邻近老多铀238弟弟，那么它吐出的中子就后继无人，无法发作链式反响，就无法拿来制造兵器或许当作核燃料了。反过来说，链式反响要这么容易发作，地球上早就没有铀矿了不是吗？

所以，咱们才需求将铀235和兄弟别离，进行铀235果汁浓缩。可是类，地球的铀矿里只需0.7%是铀235，剩余的都是铀238。而要制造核电站核燃料的话，铀235的纯度要到达3.5%以上，而核兵器则需求80%-90%。

现在问题来了，要怎样浓缩满足的铀235呢？

这便是制造核兵器最困难的进程了。由于铀235和铀238的化学性质类似，没办法用化学反响将它俩分隔。并且它俩的大多数物理学性质，比方沸点也类似，也没有很好的办法用简略的物理办法分隔这两兄弟。

它们之间的细小不同，就在于铀235比铀238要轻一丢丢（铀238和铀235的原子量比为1.013）。所以某些情况下，铀235要比兄弟快那么一点点。现在的干流铀浓缩办法，便是使用了铀235比铀238快一点点的性质。

第一种铀浓缩的办法，也是制造第一个原子弹的办法——气体分散法。

气体分散法进程大概是这样的：铀的化合物的气体经过一个有孔的管子，管子放在一个压强更低的盒子里。

依据格锐目规律，气体分散速度和气体密度的平方根成反比。因而铀235会比体重更大的兄弟更早从管子的孔隙里分散出来。搜集这波早进场的气体，就能够取得浓度更高的铀235。如此重复操作，铀235含量就会持续添加，终究到达制造核电站燃料，或是核弹所需的水平。

这样的工厂就叫做气体分散工厂。第一个原子弹的气体分散工厂K-25坐落美国田纳西州，占地近16万平方米，里边有总长150千米的管道，长这姿态——

K-25气体分散工厂

@wikipedia

除了这种办法，别的还有一种更常见的浓缩铀的办法，那便是是气体离心法。当然，它使用的也是铀235和铀238的密度的细小差异。

气体离心法是这样操作的：铀的化合物气体被输入后，离心机里的滚轮就这样转啊转。

密度更大的铀238就被甩到了外层和下部，铀235留在更靠中心的上部。收集接近中心的上层气体，就能够取得浓度更高的铀235了。

可是一个离心机并不能一步登天。这样把离心机相互串联，变成铀体蜈蚣，多甩几回，才干把铀235甩到特定的水平。

气体离心法的耗能只需气体分散法的1/60，并且理论上的浓缩功率更高。当然，也是由于功率更高，现在能做铀浓缩的国家也多了起来。实际上，离心机法为核兵器分散带来了风险，所以某强国才让某文明古国别把铀235甩到3.5%以上。

2008年4月8日，时任伊朗总统的艾哈迈迪内贾德观赏伊朗的铀浓缩设备。

@AP

那么，方才说的这个铀的化合物气体是什么呢？

它便是六氟化铀（UF6），便是6个氟原子包着一个铀原子的分子。

固态的UF6

@wikipedia

这个有根呆毛的UFO是怎样造的呢？

铀矿挖掘出来今后，首要要去除里边含碳的成分，然后泡在硝酸里，再顺次和氨、氢、氢氟酸和氟反响，最终得到UF6，就能够开端浓缩了。

而浓缩完的UF6气体，还要变成固体才干用。所以，浓缩好的UF6气体里还要参加钙，渣氟更中意钙，此刻才会把铀扔掉。

这样一波操作之后，最终剩余了孤孤单单一个人的铀的氧化物——二氧化铀。二氧化铀要在到1400摄氏度的高温下烘烤，然后被制造成这样的小块。

用来做核燃料的陶瓷型二氧化铀芯块

@science photo library

不过仔细的人还会有疑问：实际上变成UF6之后，铀235和铀238构成的化合物之间的质量比距离更小了，这不是给别离造成了更大的困难吗？为何需求挑选UF6呢？为啥不直接用铀的氧化物，或许铀单质来浓缩呢？

这主要有2个原因。首要，铀的氧化物和铀单质的沸点都太高了。比方铀单质的沸点到达了4131摄氏度。假如它都变成了蒸汽，谁家的金属容器还能顶得住啊？

相反，UF6的沸点很低。UF6在常温常压下是白色固体，可是只需求56摄氏度（常压下），它就能够变成气体。

更巧的是，氟只需一个安稳的同位素F19，因而气体分散法和气体离心法才干派上用场。

幻想一下啊，假如氟和铀相同有多种同位素，那么即便别离出了更轻的气体，咱们也不能确认别离出来的是更轻的铀235，仍是更轻的氟的同位素。

好的，现在咱们了解了，UF6用来浓缩铀很适宜。听起来很简略，但实际上制造UF6的进程困难重重，技能门槛和风险系数极高。

首要，UF6适当不好惹，它不光剧毒，并且会和水剧烈反响，生成要命的氢氟酸。咱们前次介绍过，氢氟酸腐蚀人手的时分，你甚至都不会有感觉（点我检查）。

被盐酸（左），氢氟酸（中），硫酸（右）泡了18小时的大鸡腿（点我检查具体）

UF6还能腐蚀大多数金属，因而要制造能顶得住UF6的离心机也是很666了。

此外，在制造UF6时要用到的氟单质自身便是个大妖怪，这个家伙性质超生动，和谁都能打得火热，它能够和元素周期表上除了氖和氦以外的一切元素反响。

举个比如，在零下250摄氏度的黑私自，氟和氢都能炸起来。用玻璃装氟单质的话，氟和玻璃上的一点点水蒸气都能发作反响，生成能烂穿玻璃的氢氟酸。诺丁汉大学的化学教授 Martyn Poliakoff 说，大多数化学家看到氟单质都怕得要死。它的风险可想而知。

管子里通的氟单质气体把钢丝棉烂穿了一个洞

@pediodicvideos

实际上，第一个制备别离出氟单质，一起没有当场逝世的人亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）就凭这一点拿下了1906年的诺贝尔化学奖。

在莫瓦桑之前，虽然有很多人也发现了氟单质，可是却由于不知道怎么安全别离而少了一肢或许挂掉。插一句嘴，现在世界上氟单质的最大用途便是铀浓缩。

大鼻子法国化学家亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）

@wikimedia

最终，气体离心机的转速很高，浓缩铀的离心机能够发作百万倍重力的离心力。

这有多快呢？举个比如，二战后苏联靠抓来的一支德国悲催小分队创造的Z型离心机的转速到达了每秒1500转。作为比照，一般家用洗衣机脱水的时分大概是每秒12-25转。

因而要制造浓缩铀的离心机的话，需求不会在高转速的情况下甩炸，并且不会被UF6腐蚀的十分特别的金属。一般用来制造离心机的常见金属是金属是铝和钢。铝表面会构成一层氟化物膜，阻挠和UF6的进一步反响。

上面这些技能难点便是避免核兵器分散的技能壁垒，也是避免人类作死的最终一道技能防地了。

来看看美国俄亥俄派克顿的气体分散浓缩铀工厂。这个工厂里有6万台气体离心机，但也只能把铀235浓缩到30%的水平。

美国俄亥俄派克顿的气体分散浓缩铀工厂

@wikimedia

最终告知咱们一个日子小常识。咱们看到这样色彩的古玩瓷器请丢掉手里的小鲤鱼并尖叫逃走，由于这种妖媚的橙色便是用铀制造的。

20世纪30-70时代的时分，美国瓷器公司Fiesta 就从前用铀烧了一批又一批芬达橙瓷器。它们到现在还有放射性，会让盖革计数器吱吱乱叫（铀238会发作α衰变，开释出α粒子）。

咱们也绝对不能用这种瓷器盛饭吃...由于吃完今后会在夜晚宣布荧光...

原标题：为啥这么多国家造不出核武？真实按捺核分散的是这个进程

声明

本文系转载，如触及版权等问题，请联络咱们。