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说影响当今战争与和平的化学元素——铀(下)

已有 3226 次阅读 2019-7-14 08:00 |个人分类:科教与社会|系统分类:科普集锦| 浓缩铀, 离心机, 反应堆, 核燃料, 核扩散

说影响当今战争与和平的化学元素——铀(下)

由于铀元素的两种主要同位素中只有铀235可以进行核裂变反应,而在天然铀中铀235只占0.72%,99.27%是不能够发生链式反应的铀238。因此,很多情况下需要将铀235富集,这就是所谓浓缩铀。

浓缩铀的过程,就是使铀235与铀238分离,这不是一件很容易做的工作。因为铀235与铀238是同一种化学元素,它们的化学性质完全相同,物理性质也很相似,难以用化学反应的方法或通常的物理方法把二者分开。它们的区别只有在铀235的原子核中比铀238少了3个中子,质量略微轻了一点点。现在把它们分离的办法,许多国家都采取离心分离法。

大家都知道,两种混合的流体,比如油和水,静置一段时间,由于密度的不同,就会分层。如油水混合物静置后,较重的水在下层,较轻的油在上层。有些流体混合得很好,如牛奶、血液等,虽然也有分层的倾向,但是,分离的速度很慢,慢到常常使得我们等不及。这是因为物质微粒有不规则的扩散运动,抵消了很大一部分因重力而引起的向下运动。但是,如果相对来说重力很大,下降和分离就会快得多。

怎么能够增加重力呢?地球的质量是固定的,物体和地球之间的距离也不能改变,增加重力似乎是一个不可能的问题。但是,办法还是有的。我们坐电梯时突然上升,就有一个“超重”的过程。火箭发射时,将“超重”很多倍。但是,那样的超重难以持久。一个可以持久的办法就是旋转,快速旋转所产生的离心作用就相当于增加了重力加速度。我们看宇航员训练时,坐在高速旋转的设备上,获得好几个G的重力加速度。宇航员受了这样的训练,就可以适应火箭发射时的“超重”。

在化学实验室里,为了使得悬浊液中的各种成分迅速分离,让沉淀物快速沉淀,都利用了离心机。同样,在医院里化验血液时迅速分离和沉淀,也是用同样的离心机。装着样品的试管,放在离心机上,呼呼一转,各种成分就分开了,拿出试管一看,重的沉底了,轻的浮上面。

要把铀235和铀238分离开来,也是用这样的原理。当然,分离铀的气体离心机绝不是我们化学实验室或医院的离心机。只是应用了相同的离心原理罢了。它们完全不是一码事情。

为了分离铀235和238,首先要把氧化铀制成六氟化铀。当然,由于两种铀的化学性质完全一模一样,这些六氟化铀中有铀238形成的六氟化铀,一开始占99.27%,也有铀235形成的六氟化铀,只占0.72%。六氟化铀在不很高的温度下就是气体。当六氟化铀气体进入高速旋转的离心机时,由于旋转产生的离心作用,略微重一些的铀238在外壁附近更多些,而在临近转轴的区域,铀235的成分会比外壁附近略多一点点。把临近转轴附近区域的气体导出进入下一个离心机,再一次进行这样的分离。经过这样一次又一次的分离,最后得到的气体中,铀235的含量就会比一开始导入的气体中高出一些。

由于铀235与铀238的质量只相差很少一点,所以,这样的分离很是困难,将耗费大量的电能。需要许许多多离心机,工作很长的时间。我们在媒体上经常看到,说某国有了多少台离心机。使用离心机的数量往往反映了他们分离同位素铀的能力。

另一种更加“经典”一点的分离办法是气体扩散法。它的原理也很简单,在温度一定的稳定气体系统里,由于各个分子之间在不断的碰撞,所以每一个分子的动能基本上是相同的。而根据在中学物理中最熟悉的动能公式,动能 = 1/2mv2,其中m是质量,v是速度。如果两个粒子有一样多的动能,那么质量m较小的粒子速度v就会大一些。这样,在六氟化铀的气体中,略轻一点的六氟化铀235的扩散速度就会比六氟化铀238的扩散速度大一点。这道理有点好像我们用同样的锤子一样的速度去敲打一个木球和一个铅球,木球会滚得更快一样。但是,毕竟铀235与238的差别很小,这种扩散法需要很大的设备,耗费的电能非常大。最早的核大国都用这个方法分离,但是这种方法因为耗能太大,据说现在已经不大用了。

制造核武器需要高浓度的浓缩铀,用在核电站实际上并不需要这样做,只需要低浓度的浓缩铀甚至不经浓缩的天然铀。最早也是曾经用的最多的核反应堆就是用天然铀作核燃料的。这种反应堆用石墨做中子慢化剂,称作石墨堆。

为什么要用中子慢化剂呢?因为铀238虽然不能直接裂变,但是它仍然会吸收中子,用天然铀,铀235裂变产生的盈余中子可能会被铀238吸收,链式反应就无法进行了。但是,人们发现,铀238吸收慢中子的能力很差,当铀235裂变产生的快中子经过石墨之后,就变成了慢中子。这样,有了中子慢化剂之后,铀238就难以起到阻碍作用了,链式反应又能够顺利地进行。

水也可以做中子慢化剂,这样的反应堆就是“轻水堆”,当然,这里的轻水是相对于所谓重水而言的。重水也是水,也由一个氧原子和两个氢原子组成的,不过那里的氢原子是重氢(即氘,其原子核里一个质子两个中子)。重水也能够做中子慢化剂,而且慢化程度更好,但是,其价格要贵得多。由于轻水(普通水)的中子慢化能力差,这样,轻水反应堆就不能用天然铀做核燃料了,而需要用浓缩铀。现在轻水堆很多,一般都用3%左右的浓缩铀。这些浓缩铀材料现在一般都在国际社会的严格检查和控制之下。

年龄略大一点的朋友可能会记得,在上世纪90年代,美国人曾经提出,让日本人给朝鲜人提供两座轻水堆,换得朝鲜人废除自己落后的反应堆。这是什么道理呢?

原来石墨堆(朝鲜人所拥有的就是这样的石墨堆)里面还有另一个核反应:铀235裂变产生的快中子,有一些会被铀238吸收,铀238吸收一个中子后会放出一个电子,变成镎239,接着再放出一个电子,变成了钚239。

239可是一个了不得的东西,它也能够跟铀235一样发生裂变,当然就也能够造原子弹。1945年,美国在日本扔了两颗原子弹,广岛的那一颗是铀弹,长崎的那一颗就是钚弹。在用天然铀做燃料的石墨反应堆,也能够产生钚这个“副产品”,这是一个非常厉害的东西。所以,在六方会谈时,美国人提出用相对容易得到国际控制的轻水堆换取朝鲜停止和拆毁自己的反应堆。当然,后来由于许多复杂的原因,这件事情没有成功,朝核问题搞得越来越复杂。最后弄得现在这样难以收拾,国际上的事情真是“麻烦得很”。

所以,铀238不是不能做核燃料,只是需要“拐一个弯”,略微麻烦一点罢了。为了能够把铀238利用起来,人们设计了“快中子增值反应堆”,简称“快堆”。这种反应堆不用中子慢化剂,用快中子把铀238变成钚239,然后使钚239再吸收中子产生裂变,放出能量和更多的中子。这种反应堆不但能够放出能量,而且能够使钚239越来越多,即“核燃料”越来越多,这就是所谓“增值”。

当然,这里“增值”的核燃料并不是凭空得到的,而是由铀238转化而得的。这样,不但能够使天然铀中的铀238有了用处,而且可以用轻水堆、重水堆的“乏燃料”作为“快堆”的燃料。这样做就可以更合理地利用核燃料。

核燃料的处理是非常麻烦的事情,例如钚239不但有放射性,而且剧毒。更重要的是像铀、钚这些物质,非常危险,必须严加看管,一旦落到反人类的恐怖分子手里,那后果不堪设想,将给世界人民带来巨大的灾难。

在如今的世界上,只有大国,才有能力对于这些危险的核材料进行严格的控制和保存。在这一点上,世界各大国的立场是接近的,这也是如今各大国一致反对核扩散的基础。严格控制核材料,坚决反对核扩散,对于这一点,各大国的共同立场符合全世界老百姓的利益。我们每一个人都应当拥护这个核不扩散的体系,必须自觉遵守国家的各项规定。

 




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