即时专家:我们如何才能分辨一个国家是在制造核能还是核武器?

一切都关乎浓缩
离心机通常排列成三角形级联;这种布局会向检查员暗示其用途。武器需要高浓缩铀,因此三角形长而窄;电力需要更多燃料,因此级联短而胖。McKibillo

几乎所有人都坚持认为伊朗的核计划旨在制造武器。伊朗声称它只想发展核能。那么,武器检查员如何弄清真相?他们研究该国铀的供应和处理情况,铀是地球上最丰富的核材料之一。

一磅铀就能产生相当于燃烧三百万磅煤炭的能量。要利用所有这些能量,首先必须对铀进行“浓缩”,提高其不稳定的同位素 U-235 的浓度,U-235 在分裂时可以释放出巨大的能量,这就是所谓的裂变反应。用于这种浓缩的最常用设备——气体离心机——的配置,可以向检查员暗示非法意图。

这是因为制造反应堆级铀需要其总浓度中 3% 到 5% 是 U-235(几乎其余全部是 U-238,铀最常见的同位素)。然而,核武器至少需要 90%。达到这一数字所需的配置可能是一个致命的线索。

瞬间获得博士学位

必备术语

同位素:元素的**不同形式**,由独特的**中子数**定义(质子数始终相同)
裂变:当一个中子轰击原子核并将其分裂成两半时发生的一种能量链式反应,释放出更多的中子,引起更多的碰撞

引人注目的统计数据

23,300:世界上核弹头的数量。其中约 9,400 枚属于美国。俄罗斯约有 13,000 枚。
2,200:世界上处于高度戒备状态的核弹头数量,可以在短时间内发射

下一步

一项正在开发中的新技术,称为激光浓缩,可以使铀浓缩更容易、更便宜。进展最快的方法称为 SILEX,它使用激光选择性地激发和分离 U-235 分子。使用这项技术制造燃料的浓缩厂最早可能于 2012 年在美国投入建设。

如何制造核燃料

第一步:开采
铀矿主要在加拿大、澳大利亚和哈萨克斯坦开采。然后将其浓缩成一种称为“黄饼”的粉末,并与氟结合制成六氟化铀气体,或称为“六氟”。

第二步:旋转
离心机,其尺寸从老式型号不到三英尺高到现代型号四层楼高不等,在高达 100,000 转/分钟的速度下旋转铀气体(六氟)。这会产生高达 485,000 G 的力。较重的 U-238 原子靠近离心机壁,而较轻的 U-235 留在中心。含有更多 U-235 的六氟被认为已浓缩;其余的被“贫化”并丢弃。

第三步:精炼
由于 U-238 和 U-235 的重量差异仅约为一枚回形针重量的 quadrillionths 的五十亿分之一,因此一次离心不足以分离两者并完全浓缩六氟,因此它必须经过额外的离心。这些离心机如何连接在一起——称为级联的行配置——可以提供有关燃料未来用途的线索。在每一行,铀都被轻微浓缩,富含 U-235 的六氟会移至下一行。由于发电厂用铀需要较低的浓缩度,因此反应堆级材料的级联具有较少的行,因此“较短”。然而,用于核武器的铀需要 90% 以上的六氟经过浓缩,因此它使用更高、更窄的行。

第四步:压缩和使用
低浓缩六氟被压缩并制成固体氧化铀燃料颗粒。将颗粒装入管子中,这些管子放置在发电厂的核反应堆核心中,产生蒸汽以驱动涡轮机。高浓缩六氟被压缩并加工成金属,成为核武器的核心。

常见问题解答

问:世界上有多少个浓缩设施?

大约 20 个,还有几个正在建设中。

问:钚呢?

钚也可以制成核燃料,但它很稀有,所以必须由贫化或天然铀人工制成。然而,一些国家已经将其钚武器化,朝鲜最近也威胁要这样做。

问:除了离心机,还有什么线索可以提醒检查员?

国际原子能机构是一个负责监管世界核活动的非政府组织,它会比对发电设施进出核材料的数量,以确保没有任何东西被秘密藏匿。此外,检查员还可以测试附近河流的水样,并从工厂内部取样,以检测武器级材料的痕迹。

 

更多优惠、评测和购买指南

 
布鲁克·博雷尔(Brooke Borel)是《大众科学》的特约编辑,她也为 Slate、Aeon 和 NOVA Next 等杂志撰稿。她的第一本书《受感染:臭虫如何侵入我们的卧室并占领世界》(Infested: How the Bed Bug Infiltrated Our Bedrooms and Took Over the World)于 2015 年由芝加哥大学出版社出版。

© .