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伊朗宣布提高铀浓缩丰度,丰度是什么?多高的丰度才能制造核武?

  在2015年签订的《伊核协议》中,伊朗能够制造的浓缩铀丰度被规定在3.67%以下,这也是一般民用核燃料棒的丰度。在今年7月7日,伊朗副外长阿拉格齐宣布可能将把铀浓缩丰度提高到5%,那么伊朗此举是不是又朝着核武器的目标更近了一步呢?制造核武器到底需要多高丰度的浓缩铀才能完成呢?为什么低丰度浓缩铀只能用作核电站反应堆,而无法制造核武器?一切谜底我们今日一起揭晓!

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  浓缩铀是从天然铀矿石中不断提纯而得来的,天然铀矿石中铀235的丰度为0.64%,其他绝大部分是它的同位素兄弟铀-238,占据了99.2%。当人们用包括气体扩散法、离心法、电解法、激光法等各种方法不断去除其中的铀238之后,铀矿石中的铀235丰度就会不断提高,从而就有了不同用途、不同丰度的浓缩铀。

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  (我国第一块发现并采集的铀矿石)

  根据铀235丰度的不同,浓缩铀通常被分为几个不同的层次,其中丰度在0.9%-2%的被称为微浓缩铀,丰度在2%-20%被称为低浓缩铀,低浓缩铀通常被用来制造核电站反应堆的核燃料棒。丰度在20%以上则属于高浓缩铀,而高浓缩铀中丰度在85%以上可以被用作核武器的制造,所以又被称之为武器级铀,从上面我们也能看出来,伊朗不管是丰度3.67%还是5%的浓缩铀,都属于制造核燃料棒的低浓缩铀,由于铀浓缩极其费时费力,可见伊朗离制造武器级铀还有很长一段路要走,并没有美国所描述的那般危言耸听!

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  (伊朗的铀浓缩离心机)

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  (高浓缩铀)

  那么为什么核电站的燃料棒所使用的是低浓缩铀,而核武器制造的就必须是丰度在85%以上的武器级铀呢?这就必须先说一说核裂变武器(原子弹)的爆炸原理,原子弹不管是枪式还是内爆式结构,都是通过挤压几团处于次临界状态的浓缩铀使其密度和重量增加,从而达到超临界状态,达到超临界状态的铀235会在千分之一秒的瞬间发生发散型链式裂变反应,短时间内就将浓缩铀内部的能量一次性释放出来,产生类似于爆炸的效果,造成巨大的破坏效应,这就是核武器的爆炸原理。

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  (原子弹的爆炸原理,通过挤压使核材料密度增加,达到超临界状态而爆炸)

  如果说核武器的发散性链式裂变反应相当于煤气罐爆炸,核电站的运行方式则更像点燃煤气炉烧火。核电站中反应堆核燃料保持的状态叫做临界状态,也就是刚好足够核燃料持续发生稳定裂变而逐步释放能量的一个稳定状态。

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  (民用核反应堆)

  那么为什么反应堆达不到核武器爆炸的超临界状态呢?主要是因为反应堆中裂变所释放的中子数被严格控制了,一个铀235裂变后可以释放2到3个中子,按道理说这几个中子会继续撞击数量更多的铀235原子核,从而释放更多中子,以此循环倍增,核裂变就会无法控制,从而越来越快,最终导致类似于核武器的爆炸。但是核电站反应堆中通常是一个铀235原子核所释放的2到3个中子中只有一个会去撞击另一个铀235原子核,无法持续加速,从而使裂变反应趋于稳定。

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  (发散式链式裂变反应)

  那么其他中子去哪里了呢?这就来到了本文的重点!因为核电站所使用的燃料棒中有大量的铀238!而这些中子就是就是铀238所吸收了!铀238也被称为贫铀,由于密度大,经常被用作穿甲弹和坦克装甲制造,但是它的另一个癖好则是吸收快中子!铀235在裂变过程中释放的中子中大部分都是快中子,只有4%左右的慢中子,而这大部分快中子都会被铀238所吸收,只有剩余的小部分慢中子会继续参与下一步铀235的核裂变反应!而武器级浓缩铀中铀235丰度高,铀238的丰度极低,释放的中子数多,但是被吸收的中子数缺少,因此裂变反应才能够短时间内加速,从而达到超临界状态而爆炸!这就是为什么制造核武器必须使用高丰度浓缩铀的原因所在!

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  (民用核燃料棒)

  但是反应堆中如果快中子全部被吸收,只剩下4%的慢中子也不足以维持铀235稳定的裂变反应,因此还必须增加中子数量!所以反应堆中通常还会加入石墨、重水、轻水等慢化剂,将裂变后的快中子速度降低,减少铀238的吸收,从而增加参与核235裂变反应的慢中子数量,以此就诞生了所谓的石墨反应堆、重水反应堆、轻水反应堆!伊朗即使制造丰度5%的浓缩铀,很大可能也是用于自身布什尔核电站的轻水反应堆!

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  (伊朗布什尔核电站装填核燃料)