?鈾或钚的裂變，在一定條件下，會雪崩式地進行。原子彈正是利用這種爆發(fā)性的快速進行的鏈式裂變反應釋放能量的武器。一般說來，原子彈設(shè)計有下列幾點要求： ⑴ 能產(chǎn)生爆炸式的鏈式反應。 ⑵ 能在指定的時間爆炸。 ⑶ 所使用的核燃料要盡可能發(fā)揮作用，即燃耗高。 ⑷ 體積小，重量輕。 ??? 我們已經(jīng)知道，鈾塊里的裂變中子有五種可能的遭遇： ⑴ 引起鈾-235核裂變。 ⑵ 引起鈾-238核裂變。 ⑶ 與鈾-238碰撞而被俘獲。 ⑷ 逃出鈾塊以外。 ⑸ 被雜質(zhì)吸收。 ??? 從上面原子彈設(shè)計的幾項要求來看，中子的后三種遭遇對啟動原子彈爆炸是不利的，所以原子彈要用純凈的鈾-235或钚-239作核燃料。這兩種核燃料的生產(chǎn)都特別困難，它涉及地質(zhì)、冶金、化工、反應堆工程等學科的特種技術(shù)，有許多復雜的問題需要解決。本章僅對生產(chǎn)鈾-235和钚-239的關(guān)鍵技術(shù)作簡單介紹。 ??? 研制原子彈是一項復雜的系統(tǒng)工程。它由物理設(shè)計和工程設(shè)計兩個主要部分組成。物理設(shè)計的任務(wù)是解決原理的合理性、可行性和原型設(shè)計的問題；工程設(shè)計的任務(wù)是解決核裝置能夠滿足戰(zhàn)場各種使用要求的問題。本章只對物理設(shè)計作一些原理性的知識介紹，主要是如何快速地造成鏈式裂變反應的條件，即在一剎那間使核燃料由次臨界狀態(tài)變成超臨界狀態(tài)的條件。 鈾-235的分離與濃縮 ? ? 從技術(shù)上講，設(shè)計鈾彈比钚彈難度小，但是在生產(chǎn)上，制取高度濃縮的鈾-235比制取钚-239要難得多。天然鈾中鈾-235只占0.7%，而原子彈對鈾的濃縮度要求很高，鈾-235必須達到90%以上。鈾-238和鈾-235的化學性質(zhì)相同，質(zhì)量相差甚微，要把鈾-235從鈾-238中分離出來是特別的困難。如果將氧化鈾作為反應堆燃料去生產(chǎn)钚，反應堆對鈾濃度要求不高，鈾-235的含量有3%就可以用。但為了分離出钚，必須對反應堆照射后的產(chǎn)物再進行化學處理。無論是同位素分離法制取鈾-235還是化學分離法制取钚-239，都需要先進的科學技術(shù)和相當高的工業(yè)生產(chǎn)水平。 ??? 進行同位素分離之前，必須將鈾礦石加工并轉(zhuǎn)化成六氟化鈾。這有許多工序： ① 礦石加工：天然礦石–––粗碎–––分選–––細磨–––酸浸–––離子交換回收鈾–––化學試劑反萃取–––沉淀成鈾酸鈣或鈾酸鎂鹽（呈鮮黃色，稱“黃餅”），含鈾75%。1000噸礦石可生產(chǎn)1.2～1.5噸黃餅。 ② 純化：用有機溶劑溶解或用離子交換法，除去鈾鹽中吸收中子的雜質(zhì)。雜質(zhì)含量不得超過百萬分之八硼等效當量（1百萬份鈾中8份硼對慢中子的吸收量）。還要除去可能生成非揮發(fā)性氟化物的金屬元素（如鐵、鋁、鎳等），從而得到高純度的鈾氧化物。 ③ 生成六氟化鈾：氧化鈾與氫氟酸反應生成四氟化鈾（UF4），再與氟氣反應生成六氟化鈾。 ??? 六氟化鈾在室溫下是無色固體，在65℃時升華，即不熔化而蒸發(fā)。因此擴散工廠可在100℃以下利用這種氣態(tài)形式。六氟化鈾能同水汽反應，所以必須把它裝在密封容器中運輸。 ??? 分離同位素采用物理的方法，如電磁分離法、離心分離法、噴嘴分離法、熱擴散分離法、多孔膜擴散過濾法以及現(xiàn)代激光分離法等等。下面作一些簡單介紹，有助于了解制取鈾-235的難度。 (1)電磁分離法 ??? 電磁分離法是用質(zhì)譜儀的原理進行同位素分離。質(zhì)譜儀是實驗室用來分析帶電粒子質(zhì)量的一種儀器，它所能分析的量甚微。要用這種方法進行工業(yè)生產(chǎn)，其效率是很低的。 ??? 它的工作原理是根據(jù)質(zhì)量不同而帶電量相同的粒子，進入磁場發(fā)生偏轉(zhuǎn)的半徑不同而進行分離的。如圖3.1所示。

圖3.1???? 帶電粒子在磁場中運動的偏轉(zhuǎn) ??? 粒子以速度v進入磁場Ｂ（方向朝上），帶正電荷q的粒子運動所產(chǎn)生的磁場Ｂ’的磁力線，沿運動方向的左邊朝上，右邊朝下，如圖3.1（左）所示。因而運動帶電粒子左邊的磁場被加強，右邊的磁場被減弱，形成一個磁場梯度，產(chǎn)生一個從左向右推的磁壓力。這個力與速度方向垂直，它不能改變運動帶電粒子速度值的大小，只能改變粒子運動的方向，即是一個向心力。磁場B是均勻的，因此對運動帶電粒子產(chǎn)生的磁壓力處處相等，從而使運動的帶電粒子在磁場中作勻速圓周運動，如圖3.1（右）所示。 ??? 按照圖3.1（左）中的參數(shù)，在國際單位制中，磁場的作用力等于qBv，向心加速度等于v2/R。于是有： qBv=Mv2/R 即???????????????? ??????????????????????? ?qBR=Mv 式中q是粒子電量，v是粒子運動速度，M是粒子質(zhì)量，B是磁感應強度，R是粒子作圓周運動的偏轉(zhuǎn)半徑。 ??? q，B都是確定的，由此可知運動粒子的動量與偏轉(zhuǎn)半徑成正比。圖3.1（右）中畫出了三種不同動量的粒子，分別從三個不同的半徑處射出。所以用這種原理做成的儀器，也稱動量選擇器。 ??? 在圖3.1（右）中，帶相同電荷q而質(zhì)量不同的離子，通過相同的加速電壓U，獲得的電勢能是相等的，且等于進入磁場時的動能： qU=(1/2)Mv2 前面已知粒子的動量? ????????????????????? ?Mv = qBR 兩式消去v，即得 M＝qB2R2/2U ??? 對于質(zhì)量等于(Ｍ＋DM)的粒子 (Ｍ＋DM)＝qB2(R+DR) 2/2U 由此可得出???????? ???????????????????? DM/Ｍ＝2DR/Ｒ 即質(zhì)量的相對偏差是半徑相對偏差的2倍。 ??? 由于入射粒子的質(zhì)量不同，它們經(jīng)過相同電壓加速后獲得的能量相等，但動量不同。進入磁場后，動量大的拐彎半徑大；動量小的拐彎半徑小。有如兩個個子差不多的人騎自行車，速度快的轉(zhuǎn)彎難；速度慢的拐彎容易。 ??? 如果同一種動量的離子進入磁場的角度稍有點偏，如圖3.2所示，它們同聚焦在Ｄ的范圍。Ｄ的范圍與入射角的關(guān)系，經(jīng)過計算可得到如下公式： DR/R≈0.5q2 式中入射角q的單位為弧度。

圖3.2???? 帶電粒子小角度入射 ??? 當q小于50 時，R的相對誤差是4/1000，可能引起的質(zhì)量偏差為8/1000。而鈾-235與鈾-238的相對質(zhì)量差等于13/1000，所以不可能有鈾-238進入Ｄ內(nèi)?？梢娰|(zhì)譜分離法的提純度是很高的。 ??? 美國厄內(nèi)斯特 ·?勞倫斯教授首次開發(fā)了電磁同位素分離工藝，他設(shè)計的第一臺回旋加速器，在當時被認為是功率最強大的機器。采用電磁分離方法雖然相當準確，但作為工業(yè)生產(chǎn)，其效率太低。美國當年在其他分離方法尚未開發(fā)的情況下，不得不采用這種電磁型同位素分離法。他們在橡樹嶺建造一座大型電磁裝置，投入人力近25000人，分離器超過1100臺，繞制線圈用的銀約15000噸。可是每天僅能生產(chǎn)幾克鈾-235，到1945年7月，積累的總量只能裝一枚原子彈。 (2)離心分離法 ??? 不同質(zhì)量物體作相同角速度的圓周運動時，所受到的離心力是不同的。質(zhì)量大的受到的離心力大，而且這種離心力隨質(zhì)量增加很快。它們在被離心力拋出時，重的總是拋得很遠，輕的則落在近處。質(zhì)量差一點，距離卻差得很多，也就是分離系數(shù)相當大。而且這種分離效應只與兩個待分離粒子的質(zhì)量差有關(guān)，只要DM相同，輕重元素分離效果都一樣。磨面粉時，你可看到細面粉總是落在靠磨子的近處，越粗的甩的越遠，而粗細面粉的質(zhì)量差是很小的。離心分離法就是這個原理。 ??? 圖3.4是一臺離心機的局部剖視圖。當六氟化鈾氣體被立式離心機以40000到60000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，鈾-235 趨向于在軸的附近濃集。 ??? 六氟化鈾氣體從轉(zhuǎn)筒軸上端管道入口，通過管道小孔進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)腔。離心機頂部和底部之間以及中心和邊緣之間保持明顯的溫度差。由電機帶動轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)，使較重的分子傾向于積聚在轉(zhuǎn)筒的底部和周圍壁上，而較輕的分子則積聚在頂部和中心軸周圍。底部的貧化氣體通過中心管道從上端出口，引向前一級進行循環(huán)濃縮；頂部的濃縮氣體由另一管道引入下一級進一步濃縮。 ??? 離心機轉(zhuǎn)筒內(nèi)底部溫度高，使輕的氣體易于向上擴散；邊緣溫度高，使輕的氣體易于向中心擴散。保持較大的溫度差，利用氣體熱擴散的作用，提高了分離系數(shù)。因而離心機需要的級數(shù)較少，大致不到氣體擴散級數(shù)的十分之一。但是很高的旋轉(zhuǎn)速度限制了離心機的重量、尺寸和能力。因此，每一級都需要幾千臺相同的離心機。所遇到的主要難題是軸承的結(jié)構(gòu)、耐很高離心負荷的材料和離心機平衡等問題。與氣體擴散法相比，離心法濃縮的優(yōu)點是所需能量少，僅相當擴散法的十分之一。

圖3.4???? 離心機局部剖視圖 ?(3) 噴嘴分離法 ??? 如圖3.5所示。設(shè)想在一塊金屬上開了一條截面為半圓形的長槽，槽的上方一邊裝一特殊形狀的葉片，另一邊裝一刀口，兩者都用金屬做成，它們與半圓槽相距一定距離。葉片和刀口將上部空間分成A、B、C三個區(qū)。

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圖3.5??? 噴嘴分離單元工作原理 ??? 從A區(qū)噴進六氟化鈾和氦氣的混合物，氣體通過噴嘴的速度達到超音速?；旌蠚怏w中輕的部分沿著半徑小的流線進入B區(qū)，其中含鈾-235分子的比例增加。其余部分進入Ｃ區(qū)，其中含鈾-238分子的比例增加。經(jīng)過多級分離就可達到一定的濃縮指標。這種分離效應主要是由離心力引起的，因為氣體是沿著曲面噴射出去的。使用分子量小的輔助氣體（如氦氣）有助于提高流速，同時還可以防止被離心力分開的組分擴散混合。 ??? 新型的噴嘴分離單元如圖3.6所示。它的結(jié)構(gòu)比較簡單，不用輔助氣體。但是要求加料氣體的速度高，用的動力大。就像噴霧器一樣，在管內(nèi)互相擠壓的氣體，一經(jīng)小口噴出，因壓力驟然降低而膨脹，造成橫向壓力梯度，把較輕的分子向四周噴得很遠。加料氣體以高超音速送入，從噴嘴Ｎ的口部噴出，使輕組分得到分離，進入Ｗ區(qū)；而重組分則直射進入Ｅ區(qū)。從而使輕、重組分得到分離。 ??? 噴嘴分離法的動力消耗比氣體擴散法多一倍，而分離系數(shù)介于氣體擴散法和離心法之間。這種技術(shù)大量用于生產(chǎn)是不經(jīng)濟的，但設(shè)備簡單，有人用于中間試驗工廠。

圖3.6???? 新型噴嘴分離單元 (4)氣體擴散法 ??? 氣體擴散是常見的現(xiàn)象，如在臥室一角灑一滴香水，香水分子立刻擴散，滿房間就聞到了香味。如果同時撒一滴醋，則醋味不可能先聞到。因為醋分子要重些，比香水分子的擴散速度慢。同一個氣球里，充滿氫氣和氮氣，則氫氣比氮氣就漏掉得快。因為氫氣分子小，重量輕，擴散十分快。把氣體擴散法用于分離鈾的兩種同位素，已經(jīng)被普遍采用。

圖3.7???? 一級擴散濃縮圖 ???? 圖3.7是氣體擴散法的原理圖。如果把六氟化鈾氣體向多孔的薄膜壓送，則含鈾-235的較輕的氣體分子會比含鈾-238的較重的氣體分子更能迅速地通過薄膜。圖3.8是一級濃縮裝置的局部剖視圖。 ??? 氣體通過多孔膜的擴散速率與氣體分子量的平方根成反比。當多孔膜的孔徑比一個氣體分子與其他氣體分子發(fā)生兩次碰撞之間所走過的平均距離小時，氣體擴散就獲得了最佳條件。輕分子比重分子速度快，因而更容易通過膜孔。氣體加料是連續(xù)進行的。當膜孔孔徑小于0.02微米，六氟化鈾維持在85℃時，擴散通過膜的那部分氣體（濃縮流），比加料氣體（入料）中的鈾-235濃縮了0.2%。膜的下側(cè)壓力為一個大氣壓，而上側(cè)的壓力只是它的六分之一。 ??? 擴散過程需要重復許多次。經(jīng)過一個分離級后，鈾-235濃縮得很少，即鈾-235氣體分子的濃度提高不多，一般通過一級擴散只提高百分之零點幾。為了得到豐度較高的產(chǎn)品，常需將許多分離級串聯(lián)起來，這樣的分離級聯(lián)合系統(tǒng)稱為級聯(lián)。級聯(lián)的聯(lián)結(jié)原理如圖3.9。 ??? 每一級通過擴散膜的那部分六氟化鈾稍被濃縮（含鈾-235的分子稍有增加），并處于比一個大氣壓低得多的壓力下，稱為濃縮流氣體。然后它將進入下一級被進一步濃縮。沒有通過擴散膜的六氟化鈾氣體稍受貧化（稍微少了一點含鈾-235的分子），其壓力比擴散前稍低，稱為貧料流氣體，然后返回到前一級再進行濃縮。如此反復循環(huán)進行擴散與濃縮，直至幾千級以后達到預定的濃縮指標。

圖3.8???? 濃縮裝置的局部剖視圖 ???