「把科学带回家」为啥这么多国家造不出核武？真正抑制核扩散的是这个步骤
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核武器的物理原理其实并不复杂 ， 我们在高中就学到了链式反应 。 但是防止核武器扩散的壁垒 ， 在于分离差异只有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 ， 人类对它的认识只有230年的历史 。 一开始大家没把它当回事儿 。 直到1938年 ， 铀的暗黑潜质才被发掘 。
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） 。
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铀235（左）和铀238（右）示意图
拿来造核弹的是铀235 ， 因为它在裂变的过程中会释放出2个中子 。 而铀235是一种奇怪的元素 ， 它和其他元素 ， 以及弟弟铀238有点不一样 ， 它即使吸收了低能中子 ， 也会发生裂变 ， 爆发小宇宙 。 因此只要有少量铀235在裂变 ， 别的铀235也会跟风裂变 ， 这就是链式反应 。
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铀235的链式反应
@Uchichago magazine
链式反应维持在临界状态（无限介质增殖系数 k∞ = 1） ， 也就是说一代代释放出来的中子数保持稳定 ， 就能温和地释放能量 ， 这就是核电站的原理；如果链式反应超临界（无限介质增殖系数 k∞ > 1） ， 一代代释放出的中子数不断增长 ， 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应 。
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1942年12月2日 ， 费米制造的世界上第一个核反应堆运行时的场景插图 。
@Chicago Historial Society
不过呢 ， 铀238和铀235不一样 ， 它比较淡定 ， 见到低能中子就假装没事吃下去变成了铀239（92个质子 ， 147个中子） ， 并不会继续吐出中子（但会偷偷β衰变） 。 铀238只有被快中子撩了才会噼里啪啦裂变 。
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换句话说 ， 如果铀235附近老多铀238弟弟 ， 那么它吐出的中子就后继无人 ， 无法产生链式反应 ， 就没法拿来制造武器或者当作核燃料了 。 反过来说 ， 链式反应要这么容易发生 ， 地球上早就没有铀矿了不是吗？
所以 ， 我们才需要将铀235和兄弟分离 ， 进行铀235果汁浓缩 。 但是类 ， 地球的铀矿里只有0.7%是铀235 ， 剩下的都是铀238 。 而要制造核电站核燃料的话 ， 铀235的纯度要达到3.5%以上 ， 而核武器则需要80%-90% 。
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现在问题来了 ， 要怎样浓缩足够的铀235呢？
这就是制造核武器最困难的步骤了 。 因为铀235和铀238的化学性质相似 ， 没办法用化学反应将它俩分开 。 而且它俩的大多数物理学性质 ， 比如沸点也相似 ， 也没有办法用简单的物理方法分开这两兄弟 。
它们之间的微小差别 ， 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 。 现在的主流铀浓缩方法 ， 就是利用了铀235比铀238快一点点的性质 。
第一种铀浓缩的方法 ， 也是制造第一个原子弹的方法——气体扩散法 。
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气体扩散法过程大概是这样的：铀的化合物的气体通过一个有孔的管子 ， 管子放在一个压强更低的盒子里 。
根据格锐目定律 ， 气体扩散速度和气体密度的平方根成反比 。 因此铀235会比体重更大的兄弟更早从管子的孔隙里扩散出来 。 收集这波早出场的气体 ， 就可以得到浓度更高的铀235 。 如此反复操作 ， 铀235含量就会继续增加 ， 最终达到制造核电站燃料 ， 或是核弹所需的水平 。
这样的工厂就叫做气体扩散工厂 。 第一个原子弹的气体扩散工厂K-25位于美国田纳西州 ， 占地近16万平方米 ， 里面有总长150千米的管道 ， 长这样子——
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K-25气体扩散工厂
@wikipedia
除了这种方法 ， 另外还有一种更常见的浓缩铀的方法 ， 那就是是气体离心法 。 当然 ， 它利用的也是铀235和铀238的密度的微小差异 。
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 。 采集靠近中心的上层气体 ， 就可以得到浓度更高的铀235了 。
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但是一个离心机并不能一步登天 。 这样把离心机互相串联 ， 变成铀体蜈蚣 ， 多甩几次 ， 才能把铀235甩到特定的水平 。
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气体离心法的耗能只有气体扩散法的1/60 ， 而且理论上的浓缩效率更高 。 当然 ， 也是因为效率更高 ， 现在能做铀浓缩的国家也多了起来 。 实际上 ， 离心机法为核武器扩散带来了隐患 ， 所以某强国才让某文明古国别把铀235甩到3.5%以上 。
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2008年4月8日 ， 时任伊朗总统的艾哈迈迪内贾德参观伊朗的铀浓缩设施 。
@AP
那么 ， 刚才说的这个铀的化合物气体是什么呢？
它就是六氟化铀（UF6） ， 就是6个氟原子包着一个铀原子的分子 。
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固态的UF6
@wikipedia
这个有根呆毛的UFO是怎么造的呢？
铀矿开采出来以后 ， 首先要去除里面含碳的成分 ， 然后泡在硝酸里 ， 再依次和氨、氢、氢氟酸和氟反应 ， 最后得到UF6 ， 就可以开始浓缩了 。
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而浓缩完的UF6气体 ， 还要变成固体才能用 。 所以 ， 浓缩好的UF6气体里还要加入钙 ， 渣氟更中意钙 ， 此时才会把铀抛弃 。
这样一波操作之后 ， 最后剩下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 ， 然后被制作成这样的小块 。
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用来做核燃料的陶瓷型二氧化铀芯块
@science photo library
不过细心的人还会有疑问：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差距更小了 ， 这不是给分离造成了更大的困难吗？为什么要选择UF6呢？为什么不直接用铀的氧化物 ， 或者铀单质来浓缩呢？
这主要有2个原因 。 首先 ， 铀的氧化物和铀单质的沸点都太高了 。 比如铀单质的沸点达到了4131摄氏度 。 如果它都变成了蒸汽 ， 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 ， 但是只需要56摄氏度（常压下） ， 它就可以变成气体 。
更巧的是 ， 氟只有一个稳定的同位素F19 ， 因此气体扩散法和气体离心法才能派上用场 。
想象一下啊 ， 如果氟和铀一样有多种同位素 ， 那么即使分离出了更轻的气体 ， 我们也不能确定分离出来的是更轻的铀235 ， 还是更轻的氟的同位素 。
好的 ， 现在我们了解了 ， UF6用来浓缩铀很合适 。 听起来很简单 ， 但实际上制造UF6的过程困难重重 ， 技术门槛和危险系数极高 。
首先 ， UF6相当不好惹 ， 它不但剧毒 ， 而且会和水剧烈反应 ， 生成要命的氢氟酸 。 我们上次介绍过 ， 氢氟酸腐蚀人手的时候 ， 你甚至都不会有感觉（点我查看） 。
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被盐酸（左） ， 氢氟酸（中） ， 硫酸（右）泡了18小时的大鸡腿（点我查看详细）
UF6还能腐蚀大多数金属 ， 因此要制造能顶得住UF6的离心机也是很666了 。
此外 ， 在制造UF6时要用到的氟单质本身就是个大妖怪 ， 这个家伙性质超活泼 ， 和谁都能打得火热 ， 它可以和元素周期表上除了氖和氦以外的所有元素反应 。
举个例子 ， 在零下250摄氏度的黑暗中 ， 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生反应 ， 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 。 它的危险可想而知 。
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管子里通的氟单质气体把钢丝棉烂穿了一个洞
@pediodicvideos
实际上 ， 第一个制备分离出氟单质 ， 同时没有当场去世的人亨利·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 ， 但是却因为不知道如何安全分离而少了一肢或者挂掉 。 插一句嘴 ， 现在世界上氟单质的最大用处就是铀浓缩 。
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大鼻子法国化学家亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）
@wikimedia
最后 ， 气体离心机的转速很高 ， 浓缩铀的离心机可以产生百万倍重力的离心力 。
这有多快呢？举个例子 ， 二战后苏联靠抓来的一支德国悲催小分队发明的Z型离心机的转速达到了每秒1500转 。 作为对比 ， 普通家用洗衣机脱水的时候大概是每秒12-25转 。
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因此要制造浓缩铀的离心机的话 ， 需要不会在高转速的情况下甩炸 ， 而且不会被UF6腐蚀的非常特殊的金属 。 一般用来制造离心机的常见金属是金属是铝和钢 。 铝表面会形成一层氟化物膜 ， 阻止和UF6的进一步反应 。
上面这些技术难点就是防止核武器扩散的技术壁垒 ， 也是防止人类作死的最后一道技术防线了 。
来看看美国俄亥俄派克顿的气体扩散浓缩铀工厂 。 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 。
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美国俄亥俄派克顿的气体扩散浓缩铀工厂
@wikimedia
最后告诉大家一个生活小常识 。 大家看到这样颜色的古董瓷器请丢掉手里的小鲤鱼并尖叫逃走 ， 因为这种妖艳的橙色就是用铀制作的 。
20世纪30-70年代的时候 ， 美国瓷器公司 Fiesta 就曾经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会发生α衰变 ， 释放出α粒子） 。
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大家也千万不要用这种瓷器盛饭吃...因为吃完以后
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