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防止核灾难的技术障碍 精选

已有 6756 次阅读 2013-5-5 08:25 |系统分类:科普集锦| 核灾难, 浓缩铀, 伊朗病毒

周末也改不了读读写写的习惯, 但是可以做到不看专业文章,不写硬文.就写篇非本专业的科普吧.

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防止核灾难的技术障碍

 

   自从1945年原子弹实验成功, 核灾难就时时困扰着人类. 经过冷战时代,核大国之间互扔核弹的可能性越来越小, 但极端主义和恐怖组织掌握核弹的威胁却日益增长. 一个装在普通轿车中的核弹, 可以轻而易举地杀死成千上万的人. 利用核废料做成的脏弹”, 也可以立刻破坏一个现代化大城市,使其因强放射污染而几百年不宜居住.

   在1950年代, 核技术是个人或小组织无法达到的超高技术. 但是几十年来随人类社会高速发展, 当年所有高技术都逐渐变成低技术, 个人在自家后院里造核弹也就不再是天方夜谈. 世界上铀矿有至少能提供5百万吨铀, 造原子弹的原料是比较容易弄到的. 原子弹的构造也比较简单, 科普书里都有.1960年代, 一个美国文科大学生在上核扩散理论课时与教授发生争执, 说他可以单凭公开的科普资料来造出核弹. 教授不信, 就把这个当作对学生的考试, 说给你一个月时间写出设计方案, 不能爆就不及格. 结果学生赢了, 他根据公开资料设计了一个式核弹, 其可行性得到当时军方核专家的认可 (图一).

 


图一 投到广岛的原子弹小男孩的内部构造. 这是典型的枪式原子弹, 红色为两块铀. 上面一块中空, 和下面一块合为一体时就会出现核爆炸, 黄色为引爆用的普通炸药, 用于把上面那块中空的铀块推下来.

 

五十年前文科生能做到的事, 今天当然更不是问题了. 可是在自家后院造核弹还有一个更大的技术障碍铀浓缩, 希望这个障碍能推迟人类核灾难的发生.

   铀在元素周期表上排第92,即其原子核内含有92个质子. 但同样含有92个质子的原子核里可以含有不同数量的中子. 如含有146个中子的叫铀238,143个中子的称为铀235. 另外还有铀234,237等等, 统称为铀的同位素.

235是原子弹的原料, 其原子核在接受一个外来中子的轰击后会裂成两半, 放出巨大的能量和两个中子. 这两个中子再去轰击周围其他的铀235原子, 放出更多能量和中子. 如此中子从一到二, 二到四, 四到8在极短的时间内一块铀235中的所有原子都被中子轰击而分裂. 这就是所谓核爆炸的连索反应, 可以在短短的百万分之一秒内完成核反应. 之后这相当与上万吨烈性炸药的核能量才会砰的一声炸开, 转换成大气中的动能来摧毁周围一切. 核链式反应必须在极短时间完成,如果时间长了铀块就会变形使链式反应的条件破坏. 比如,一个垒球大小的铀235核弹如果膨胀到篮球大小, 链式反应就完全中断了, 这样大部分铀原子在没有分裂前就被炸散, 整个原子弹的威力就小多了.

天然铀中铀238占约99.2%. 235只占约0.7%. 铀238很能吸收中子却不分裂, 因此铀238可以破坏链式反应, 从天然铀矿石中提炼出的铀是不可能直接用于造原子弹的, 必须把其中是铀235提炼出来,变成武器级铀才行 (图二).


图2一块武器级铀金属, 从退役的枪式原子弹中拆出.


在原子能行业里, 按铀235的含量把铀分成等级.造原子弹一般需要85%以上, 但铀235含量在20%以上就是武器级. 武器级也称高浓缩铀. 低于20%的铀又叫低浓缩铀(LEU, low-enricheduranium), 用于轻水堆型反应器(民用核电站). 更低浓度的浓缩铀则用于民用核电站的重水堆,含铀235约1-2%.

 

浓缩铀的技术障碍在于铀235238的化学性能是完全相同的, 所以用化学实验室的瓶瓶罐罐根本不行, 必须要用物理学方法.  最常用的方法是气体离心方法, 就是先把铀变成六氟化铀气体, 由于铀238的六氟化铀气体比235的重0.85%,把这气体进行高速离心,含铀238的气体就会富集在外层,235的富集在中心. 如此用这个方法每次离心可以使铀235浓度提高0.5%左右. 因此在铀浓缩提炼场需要用多级离心机串联起来才能达到有效的分离作用 (图3)


图3 一个美国铀浓缩厂内的多级离心机. 每个竖直的铝桶内有一级离心机.



这离心技术需要的不就是铝管吗? 好一点的中国乡镇企业都能造.  2003年美国打伊拉克战争的一个借口就是说伊拉克在提炼浓缩铀造核弹, 证据是卫星照片发现伊拉克偷偷从外国进口铝管. 实际上那进口的铝管比浓缩铀离心机用的要细一些, 是造火箭炮用的. 当时伊拉克的工业早被炸回史前时代了, 根本不能造核弹.

从伊朗的例子也能看到即使在2000年代, 浓缩铀也需要倾国之努力. 伊朗几十年来一直想拥有核弹, 这理所当然遭到美国和以色列千方百计的破坏.2010年一位首席的核工程师被贴在汽车窗户上的炸弹暗杀. 可是当时浓缩铀的Natanz气体离心厂还在运转. 虽然当时浓缩的铀235只达到5%左右,离造原子弹的95%还差得远. 但美国还是不放心, 由中央情报局制定了代号为 奥运会 的破坏计划.2010年这个离心厂被一个叫做Stuxnet的计算机病毒破坏了. 具体情况现在目前还没解密, 咱们只能戏说. 据说Natanz离心厂的计算机根本不联网, 而且用的是原始的Windows系统, 对病毒基本上是油盐不入. 可是以色列派了个间谍, 在酒吧里和一个工程师打得火热. 间谍给那个工程师不少黄色录像, 里面藏了一个特制的蠕虫病毒. 工程师回家看黄碟, 结果就把家里的计算机感染了. 后来又把工作带回家做, 结果就通过自己的U盘感染了厂里的计算机. 病毒发作后离心机一会超速一会减速, 把很多关键部分磨坏了. 这样从200911月到2010年初, 使大约1000台离心机被破坏了. 后来这个病毒失去控制, 感染了伊朗58%的计算机, 并散布到了其他国家, 被搞计算机病毒的人一行一行地破了译, 才发现里面有专门破坏离心机的程序, 来源于以色列. 它攻击伊朗的目的十分明显, 因为它对一般机器无害,只针对有特殊硬件配置的机器, 而且会在2012年4月删除自己.纽约时报的专稿说这是美国计算机战争的第一个战例. 教训哪! 要发展核武器一定要先扫黄! 伊朗说要卷土重来, 今年说要把铀浓缩能力提高3倍以上, 并把今年四月九日定为国家核武器日(图四).



图四 内贾德视察铀浓缩厂

 

  气体离心机毕竟占很大的地盘, 要耗费很大的电力, 还有很多废水废气问题. 有没有更好的办法呢? 有啊. 因为世界上所有核电站都要用浓缩铀, 所以铀浓缩技术在不断地发展. 现在领先的技术是激光提取技术.这是把激光调到特殊的频率, 使之只激发铀235原子, 不激发其他铀同位素. 这样就可以在激光气化出的气体中收获高浓度的铀235. 2010年美国授予第一个激光浓缩工厂营业执照.

还有一种低科技技术不需要高功率激光. 这是把六氟化铀气体按抛物线轨道高速喷出, 这样两种铀同位素气体按其质量不同就可以分开(图五).这个装置很巧妙, 不但没有高速转动部件, 而且它很小. 把很多级串联在一起也占不了多大地方.

可以想象, 随着工业规模的浓缩铀技术不断发展, 高技术总有一天会变成低技术, 会流入民间, 变成极端分子威胁人类的作案工具.


图五. 气体喷射法浓缩铀示意图. 注意图片的尺度, 装置只有几厘米大小.



据估计今天世界上有2000吨左右武器级铀, 按每20公斤就能造颗核弹来算,有很多机会造出核灾难. 我们只能靠各国政府好好锁住这些潘多拉盒子. 在浓缩铀技术发展的同时, 稀释铀的工作也在进行.如前所述, 把武器级的浓缩铀掺入一定量的铀238, 链式反应就不能进行, 也就不能用于造原子弹了.


19952005,美国政府帮助前苏联从报废的核弹中拆出约250吨高浓缩铀(足够造一万个核弹), 这些铀被掺入其他铀同位素后变为安全的低浓缩铀, 供核电站使用. 这个化干戈为玉帛的计划(Megatons to Magawatts Program) 2013年将实现500吨武器级铀的安全化转变. 这些从核弹里拆出来的铀能提供世界核电需要的13%.



后记 我第一次看到 浓缩铀 这个字是在1960年代我家厕所地上,当时我还不认识这几个字. 先父是个物理学家, 喜欢在如厕的时候在水泥地面上演公式, 画示意图. 他虽然从来没跟我们讲过, 但我想他作为一个物理学家, 在那个年代会或多或少参加了当时的原子弹计划. 多年以后我才明白这个词的意思. 今天特以此小文纪念先父逝世15周年.2013年五一, 于风和日丽的盖瑟斯普镇, 门前杜鹃牡丹盛开.



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