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铀或钚的裂变，在一定条件下，会雪崩式地进行。原子弹正是利用这种爆发性的快速进行的链式裂变反应释放能量的武器。一般说来，原子弹设计有下列几点要求：
我们已经知道，铀块里的裂变中子有五种可能的遭遇：
从上面原子弹设计的几项要求来看，中子的后三种遭遇对启动原子弹爆炸是不利的，所以原子弹要用纯净的铀-235或钚-239作核燃料。这两种核燃料的生产都特别困难，它涉及地质、冶金、化工、反应堆工程等学科的特种技术，有许多复杂的问题需要解决。本章仅对生产铀-235和钚-239的关键技术作简单介绍。 研制原子弹是一项复杂的系统工程。它由物理设计和工程设计两个主要部分组成。物理设计的任务是解决原理的合理性、可行性和原型设计的问题；工程设计的任务是解决核装置能够满足战场各种使用要求的问题。本章只对物理设计作一些原理性的知识介绍，主要是如何快速地造成链式裂变反应的条件，即在一刹那间使核燃料由次临界状态变成超临界状态的条件。 铀-235的分离与浓缩从技术上讲，设计铀弹比钚弹难度小，但是在生产上，制取高度浓缩的铀-235比制取钚-239要难得多。天然铀中铀-235只占0.7%，而原子弹对铀的浓缩度要求很高，铀-235必须达到90%以上。铀-238和铀-235的化学性质相同，质量相差甚微，要把铀-235从铀-238中分离出来是特别的困难。如果将氧化铀作为反应堆燃料去生产钚，反应堆对铀浓度要求不高，铀-235的含量有3%就可以用。但为了分离出钚，必须对反应堆照射后的产物再进行化学处理。无论是同位素分离法制取铀-235还是化学分离法制取钚-239，都需要先进的科学技术和相当高的工业生产水平。 进行同位素分离之前，必须将铀矿石加工并转化成六氟化铀。这有许多工序：
六氟化铀在室温下是无色固体，在65℃时升华，即不熔化而蒸发。因此扩散工厂可在100℃以下利用这种气态形式。六氟化铀能同水汽反应，所以必须把它装在密封容器中运输。 分离同位素采用物理的方法，如电磁分离法、离心分离法、喷嘴分离法、热扩散分离法、多孔膜扩散过滤法以及现代激光分离法等等。下面作一些简单介绍，有助于了解制取铀-235的难度。 (1) 电磁分离法电磁分离法是用质谱仪的原理进行同位素分离。质谱仪是实验室用来分析带电粒子质量的一种仪器，它所能分析的量甚微。要用这种方法进行工业生产，其效率是很低的。 它的工作原理是根据质量不同而带电量相同的粒子，进入磁场发生偏转的半径不同而进行分离的。如图3.1所示。
图3.1 带电粒子在磁场中运动的偏转 粒子以速度v进入磁场Ｂ（方向朝上），带正电荷q的粒子运动所产生的磁场Ｂ’的磁力线，沿运动方向的左边朝上，右边朝下，如图3.1（左）所示。因而运动带电粒子左边的磁场被加强，右边的磁场被减弱，形成一个磁场梯度，产生一个从左向右推的磁压力。这个力与速度方向垂直，它不能改变运动带电粒子速度值的大小，只能改变粒子运动的方向，即是一个向心力。磁场B是均匀的，因此对运动带电粒子产生的磁压力处处相等，从而使运动的带电粒子在磁场中作匀速圆周运动，如图3.1（右）所示。 按照图3.1（左）中的参数，在国际单位制中，磁场的作用力等于qBv，向心加速度等于v2/R。于是有： qBv=Mv2/R 即 qBR=Mv 式中q是粒子电量，v是粒子运动速度，M是粒子质量，B是磁感应强度，R是粒子作圆周运动的偏转半径。 q，B都是确定的，由此可知运动粒子的动量与偏转半径成正比。图3.1（右）中画出了三种不同动量的粒子，分别从三个不同的半径处射出。所以用这种原理做成的仪器，也称动量选择器。 在图3.1（右）中，带相同电荷q而质量不同的离子，通过相同的加速电压U，获得的电势能是相等的，且等于进入磁场时的动能： qU=(1/2)Mv2 前面已知粒子的动量 Mv = qBR 两式消去v，即得 M＝qB2R2/2U 对于质量等于(Ｍ＋DM)的粒子 (Ｍ＋DM)＝qB2(R+DR) 2/2U 由此可得出 DM/Ｍ＝2DR/Ｒ 即质量的相对偏差是半径相对偏差的2倍。 由于入射粒子的质量不同，它们经过相同电压加速后获得的能量相等，但动量不同。进入磁场后，动量大的拐弯半径大；动量小的拐弯半径小。有如两个个子差不多的人骑自行车，速度快的转弯难；速度慢的拐弯容易。 如果同一种动量的离子进入磁场的角度稍有点偏，如图3.2所示，它们同聚焦在Ｄ的范围。Ｄ的范围与入射角的关系，经过计算可得到如下公式： DR/R≈0.5q2 式中入射角q的单位为弧度。
图3.2 带电粒子小角度入射 当q小于50 时，R的相对误差是4/1000，可能引起的质量偏差为8/1000。而铀-235与铀-238的相对质量差等于13/1000，所以不可能有铀-238进入Ｄ内。可见质谱分离法的提纯度是很高的。 美国厄内斯特 · 劳伦斯教授首次开发了电磁同位素分离工艺，他设计的第一台回旋加速器，在当时被认为是功率最强大的机器。采用电磁分离方法虽然相当准确，但作为工业生产，其效率太低。美国当年在其他分离方法尚未开发的情况下，不得不采用这种电磁型同位素分离法。他们在橡树岭建造一座大型电磁装置，投入人力近25000人，分离器超过1100台，绕制线圈用的银约15000吨。可是每天仅能生产几克铀-235，到1945年7月，积累的总量只能装一枚原子弹。 (2) 离心分离法不同质量物体作相同角速度的圆周运动时，所受到的离心力是不同的。质量大的受到的离心力大，而且这种离心力随质量增加很快。它们在被离心力抛出时，重的总是抛得很远，轻的则落在近处。质量差一点，距离却差得很多，也就是分离系数相当大。而且这种分离效应只与两个待分离粒子的质量差有关，只要DM相同，轻重元素分离效果都一样。磨面粉时，你可看到细面粉总是落在靠磨子的近处，越粗的甩的越远，而粗细面粉的质量差是很小的。离心分离法就是这个原理。 图3.4是一台离心机的局部剖视图。当六氟化铀气体被立式离心机以40000到60000转/分的转速旋转时，铀-235 趋向于在轴的附近浓集。 六氟化铀气体从转筒轴上端管道入口，通过管道小孔进入转筒内腔。离心机顶部和底部之间以及中心和边缘之间保持明显的温度差。由电机带动转筒高速旋转，使较重的分子倾向于积聚在转筒的底部和周围壁上，而较轻的分子则积聚在顶部和中心轴周围。底部的贫化气体通过中心管道从上端出口，引向前一级进行循环浓缩；顶部的浓缩气体由另一管道引入下一级进一步浓缩。 离心机转筒内底部温度高，使轻的气体易于向上扩散；边缘温度高，使轻的气体易于向中心扩散。保持较大的温度差，利用气体热扩散的作用，提高了分离系数。因而离心机需要的级数较少，大致不到气体扩散级数的十分之一。但是很高的旋转速度限制了离心机的重量、尺寸和能力。因此，每一级都需要几千台相同的离心机。所遇到的主要难题是轴承的结构、耐很高离心负荷的材料和离心机平衡等问题。与气体扩散法相比，离心法浓缩的优点是所需能量少，仅相当扩散法的十分之一。
图3.4 离心机局部剖视图 (3) 喷嘴分离法如图3.5所示。设想在一块金属上开了一条截面为半圆形的长槽，槽的上方一边装一特殊形状的叶片，另一边装一刀口，两者都用金属做成，它们与半圆槽相距一定距离。叶片和刀口将上部空间分成A、B、C三个区。
图3.5 喷嘴分离单元工作原理 从A区喷进六氟化铀和氦气的混合物，气体通过喷嘴的速度达到超音速。混合气体中轻的部分沿着半径小的流线进入B区，其中含铀-235分子的比例增加。其余部分进入Ｃ区，其中含铀-238分子的比例增加。经过多级分离就可达到一定的浓缩指标。这种分离效应主要是由离心力引起的，因为气体是沿着曲面喷射出去的。使用分子量小的辅助气体（如氦气）有助于提高流速，同时还可以防止被离心力分开的组分扩散混合。 新型的喷嘴分离单元如图3.6所示。它的结构比较简单，不用辅助气体。但是要求加料气体的速度高，用的动力大。就像喷雾器一样，在管内互相挤压的气体，一经小口喷出，因压力骤然降低而膨胀，造成横向压力梯度，把较轻的分子向四周喷得很远。加料气体以高超音速送入，从喷嘴Ｎ的口部喷出，使轻组分得到分离，进入Ｗ区；而重组分则直射进入Ｅ区。从而使轻、重组分得到分离。 喷嘴分离法的动力消耗比气体扩散法多一倍，而分离系数介于气体扩散法和离心法之间。这种技术大量用于生产是不经济的，但设备简单，有人用于中间试验工厂。
图3.6 新型喷嘴分离单元 (4)气体扩散法气体扩散是常见的现象，如在卧室一角洒一滴香水，香水分子立刻扩散，满房间就闻到了香味。如果同时撒一滴醋，则醋味不可能先闻到。因为醋分子要重些，比香水分子的扩散速度慢。同一个气球里，充满氢气和氮气，则氢气比氮气就漏掉得快。因为氢气分子小，重量轻，扩散十分快。把气体扩散法用于分离铀的两种同位素，已经被普遍采用。
图3.7 一级扩散浓缩图 图3.7是气体扩散法的原理图。如果把六氟化铀气体向多孔的薄膜压送，则含铀-235的较轻的气体分子会比含铀-238的较重的气体分子更能迅速地通过薄膜。图3.8是一级浓缩装置的局部剖视图。 气体通过多孔膜的扩散速率与气体分子量的平方根成反比。当多孔膜的孔径比一个气体分子与其他气体分子发生两次碰撞之间所走过的平均距离小时，气体扩散就获得了最佳条件。轻分子比重分子速度快，因而更容易通过膜孔。气体加料是连续进行的。当膜孔孔径小于0.02微米，六氟化铀维持在85℃时，扩散通过膜的那部分气体（浓缩流），比加料气体（入料）中的铀-235浓缩了0.2%。膜的下侧压力为一个大气压，而上侧的压力只是它的六分之一。 扩散过程需要重复许多次。经过一个分离级后，铀-235浓缩得很少，即铀-235气体分子的浓度提高不多，一般通过一级扩散只提高百分之零点几。为了得到丰度较高的产品，常需将许多分离级串联起来，这样的分离级联合系统称为级联。级联的联结原理如图3.9。 每一级通过扩散膜的那部分六氟化铀稍被浓缩（含铀-235的分子稍有增加），并处于比一个大气压低得多的压力下，称为浓缩流气体。然后它将进入下一级被进一步浓缩。没有通过扩散膜的六氟化铀气体稍受贫化（稍微少了一点含铀-235的分子），其压力比扩散前稍低，称为贫料流气体，然后返回到前一级再进行浓缩。如此反复循环进行扩散与浓缩，直至几千级以后达到预定的浓缩指标。
图3.8 浓缩装置的局部剖视图 任何一座浓缩厂都需要用天然铀氟化物作原料。加料段的进料流量和设备尺寸都是很大的。在进料流率恒定时，通过级联的流率逐渐减少，往后各级的设备尺寸可以逐级减小。工厂中的设备分为两部分：在图3.9中，从N 级开始，（N＋1）级以上部分，是逐渐把铀浓缩到铀-235的含量达到规定指标的各级；（N–1）级以下部分，则是逐渐把铀贫化到最后一级所规定的指标的各级。从理论上说，每一级的设备尺寸都应小于前一级，但出于合理的综合因素考虑，一般都只使用几种规格不同的级。把每一部分中的若干级编成一组，确定一个相对的浓缩度指标，采用一种规格的设备。
图3.9 浓缩级联示意图 气体扩散过程是一个大规模的多级过程。这个过程的核心是扩散膜，制造高效率的膜是最主要的困难。膜的孔径约为0.01微米，每平方吋内有数百万个这样的超微细孔，用极薄的镍金属板或膜作成。把这些多孔薄板卷成管子并封闭在密封容器中（见图3.8中的分离元件）。 进入N级的气流，是在N–1级被浓缩的低压气流和在N＋1级被贫化的中压气流的混合物。为了使流程正常工作，必须把这两股给入的气流压缩，并让其通过热交换器以带走因压缩而产生的热量。这种几千级级联设备的规模大得惊人，需要的动力也大得惊人。能够建成浓缩铀的气体扩散工厂，并能正常运转，生产出满足需要的高浓铀，是一个国家核工业发展水平的标志。如美国橡树岭浓缩铀工厂有4384个分离单元，耗电量1700兆瓦。几乎与纽约市用电量差不多。图3.10是扩散工厂车间的一角，可见其规模之大。
图3.10 气体扩散厂机群 (5) 激光分离法激光分离法是现代最先进的技术。同位素由于质量不同，能级也不同，由低能级激发至高能级时的吸收光谱亦有差异。选择不同波长的激光只激发其中一种同位素，就可以利用激发态的同位素与非激发态同位素间在物理、化学性质上的差异，采用适当方法将其分离。 铀-235和铀-238原子或它们的化合物分子，对光吸收的波长是不同的，可以采取激光分离。 在分子激光同位素分离工艺中，用一台激光器（如染料激光器）来激发在–220℃下用氦稀释的含铀-235的六氟化铀气体分子，这台激光器对含铀-238六氟化铀分子不起作用。第二台激光器（如铜蒸汽激光器）用来分解已激发的分子生成五氟化铀，随后它以白色粉末形式被回收。 在原子蒸汽激光同位素分离工艺中，用聚焦电子束在真空环境中把铀金属锭局部加热到3000℃，使铀金属汽化成铀-238和铀-235的原子状态。选用的激光器使铀蒸汽中的铀-235原子被激光电离，铀-238原子不被电离。电离了的离子再用电磁法收集。这些电离离子绝大部分是铀-235，只可能有少数其他离子。 有了激光分离技术，先将同位素用激光分离，然后再用电磁法收集，效率就高了。从而电磁分离方法又得到了应用。 激光分离铀同位素有很多优越性：
激光分离工艺不需要大的动力，而且只需一个分离级。起初美国还倾向于离心工艺，但最终选择了原子激光同位素分离工艺来代替气体扩散分离工艺。 本文摘自《揭开核武器神秘面纱》 经福谦 陈俊祥 华欣生著 清华大学出版社 暨南大学出版社 出版时间：2002年7月 |
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