为啥这么多国家造不出核武？

本文来自微信公众号：把科学带回家（steamforkids），题图来自：《切尔诺贝利·禁区-无人原样而归》剧照

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。

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）。

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。

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。

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。

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%。

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。

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——

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

被盐酸（左），氢氟酸（中），硫酸（右）泡了18小时的大鸡腿

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。

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。

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。

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。铝表面有一层氧化膜，因此和UF6不怎么反应。

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。

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）。

大家也千万不要用这种瓷器盛饭吃...因为吃完以后会在夜晚发出荧光...

本文来自微信公众号：把科学带回家（steamforkids）