鈾或钚的裂變，在一定條件下，會(huì)雪崩式地進(jìn)行。原子彈正是利用這種爆發(fā)性的快速進(jìn)行的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)釋放能量的武器。一般說(shuō)來(lái)，原子彈設(shè)計(jì)有下列幾點(diǎn)要求：

⑴ 能產(chǎn)生爆炸式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

⑵ 能在指定的時(shí)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(jì)的幾項(xiàng)要求來(lái)看，中子的后三種遭遇對(duì)啟動(dòng)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(yīng)堆工程等學(xué)科的特種技術(shù)，有許多復(fù)雜的問(wèn)題需要解決。本章僅對(duì)生產(chǎn)鈾-235和钚-239的關(guān)鍵技術(shù)作簡(jiǎn)單介紹。

    研制原子彈是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它由物理設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)兩個(gè)主要部分組成。物理設(shè)計(jì)的任務(wù)是解決原理的合理性、可行性和原型設(shè)計(jì)的問(wèn)題；工程設(shè)計(jì)的任務(wù)是解決核裝置能夠滿足戰(zhàn)場(chǎng)各種使用要求的問(wèn)題。本章只對(duì)物理設(shè)計(jì)作一些原理性的知識(shí)介紹，主要是如何快速地造成鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)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(jì)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(duì)鈾的濃縮度要求很高，鈾-235必須達(dá)到90%以上。鈾-238和鈾-235的化學(xué)性質(zhì)相同，質(zhì)量相差甚微，要把鈾-235從鈾-238中分離出來(lái)是特別的困難。如果將氧化鈾作為反應(yīng)堆燃料去生產(chǎn)钚，反應(yīng)堆對(duì)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(duì)反應(yīng)堆照射后的產(chǎn)物再進(jìn)行化學(xué)處理。無(wú)論是同位素分離法制取鈾-235還是化學(xué)分離法制取钚-239，都需要先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和相當(dāng)高的工業(yè)生產(chǎn)水平。

    進(jìn)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(xì)磨–––酸浸–––離子交換回收鈾–––化學(xué)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(jī)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(guò)百萬(wàn)分之八硼等效當(dāng)量（1百萬(wàn)份鈾中8份硼對(duì)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(yīng)生成四氟化鈾（UF4），再與氟氣反應(yīng)生成六氟化鈾。

    六氟化鈾在室溫下是無(wú)色固體，在65℃時(shí)升華，即不熔化而蒸發(fā)。因此擴(kuò)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(yīng)，所以必須把它裝在密封容器中運(yùn)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(kuò)散分離法、多孔膜擴(kuò)散過(guò)濾法以及現(xiàn)代激光分離法等等。下面作一些簡(jiǎn)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(jìn)行同位素分離。質(zhì)譜儀是實(shí)驗(yàn)室用來(lái)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(jìn)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(jìn)入磁場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的半徑不同而進(jìn)行分離的。如圖3.1所示。

圖3.1     帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)

    粒子以速度v進(jìn)入磁場(chǎng)Ｂ（方向朝上），帶正電荷q的粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)Ｂ^’的磁力線，沿運(yùn)動(dòng)方向的左邊朝上，右邊朝下，如圖3.1（左）所示。因而運(yùn)動(dòng)帶電粒子左邊的磁場(chǎng)被加強(qiáng)，右邊的磁場(chǎng)被減弱，形成一個(gè)磁場(chǎng)梯度，產(chǎn)生一個(gè)從左向右推的磁壓力。這個(gè)力與速度方向垂直，它不能改變運(yùn)動(dòng)帶電粒子速度值的大小，只能改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向，即是一個(gè)向心力。磁場(chǎng)B是均勻的，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)帶電粒子產(chǎn)生的磁壓力處處相等，從而使運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖3.1（右）所示。

    按照?qǐng)D3.1（左）中的參數(shù)，在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)速度，M是粒子質(zhì)量，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，R是粒子作圓周運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)半徑。

    q，B都是確定的，由此可知運(yùn)動(dòng)粒子的動(dòng)量與偏轉(zhuǎn)半徑成正比。圖3.1（右）中畫出了三種不同動(dòng)量的粒子，分別從三個(gè)不同的半徑處射出。所以用這種原理做成的儀器，也稱動(dòng)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(guò)相同的加速電壓U，獲得的電勢(shì)能是相等的，且等于進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能：

qU=(1/2)Mv2

前面已知粒子的動(dòng)量                         Mv = qBR

兩式消去v，即得

M＝qB2R2/2U

    對(duì)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(duì)偏差是半徑相對(duì)偏差的2倍。

    由于入射粒子的質(zhì)量不同，它們經(jīng)過(guò)相同電壓加速后獲得的能量相等，但動(dòng)量不同。進(jìn)入磁場(chǎng)后，動(dòng)量大的拐彎半徑大；動(dòng)量小的拐彎半徑小。有如兩個(gè)個(gè)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(dòng)量的離子進(jìn)入磁場(chǎng)的角度稍有點(diǎn)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(guò)計(jì)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(dāng)q小于50 時(shí)，R的相對(duì)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(duì)質(zhì)量差等于13/1000，所以不可能有鈾-238進(jìn)入Ｄ內(nèi)?？梢?jiàn)質(zhì)譜分離法的提純度是很高的。

    美國(guó)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(jì)的第一臺(tái)回旋加速器，在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是功率最強(qiáng)大的機(jī)器。采用電磁分離方法雖然相當(dāng)準(zhǔn)確，但作為工業(yè)生產(chǎn)，其效率太低。美國(guó)當(dāng)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?cè)谙饦鋷X建造一座大型電磁裝置，投入人力近25000人，分離器超過(guò)1100臺(tái)，繞制線圈用的銀約15000噸?？墒敲刻靸H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(yùn)動(dòng)時(shí)，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?cè)诒浑x心力拋出時(shí)，重的總是拋得很遠(yuǎn)，輕的則落在近處。質(zhì)量差一點(diǎn)，距離卻差得很多，也就是分離系數(shù)相當(dāng)大。而且這種分離效應(yīng)只與兩個(gè)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(shí)，你可看到細(xì)面粉總是落在靠磨子的近處，越粗的甩的越遠(yuǎn)，而粗細(xì)面粉的質(zhì)量差是很小的。離心分離法就是這個(gè)原理。

    圖3.4是一臺(tái)離心機(jī)的局部剖視圖。當(dāng)六氟化鈾氣體被立式離心機(jī)以40000到60000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(guò)管道小孔進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)腔。離心機(jī)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(jī)帶動(dòng)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(guò)中心管道從上端出口，引向前一級(jí)進(jìn)行循環(huán)濃縮；頂部的濃縮氣體由另一管道引入下一級(jí)進(jìn)一步濃縮。

    離心機(jī)轉(zhuǎn)筒內(nèi)底部溫度高，使輕的氣體易于向上擴(kuò)散；邊緣溫度高，使輕的氣體易于向中心擴(kuò)散。保持較大的溫度差，利用氣體熱擴(kuò)散的作用，提高了分離系數(shù)。因而離心機(jī)需要的級(jí)數(shù)較少，大致不到氣體擴(kuò)散級(jí)數(shù)的十分之一。但是很高的旋轉(zhuǎn)速度限制了離心機(jī)的重量、尺寸和能力。因此，每一級(jí)都需要幾千臺(tái)相同的離心機(jī)。所遇到的主要難題是軸承的結(jié)構(gòu)、耐很高離心負(fù)荷的材料和離心機(jī)平衡等問(wèn)題。與氣體擴(kuò)散法相比，離心法濃縮的優(yōu)點(diǎn)是所需能量少，僅相當(dāng)擴(kuò)散法的十分之一。

圖3.4     離心機(jī)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(zhǎng)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(gè)區(qū)。

    從A區(qū)噴進(jìn)六氟化鈾和氦氣的混合物，氣體通過(guò)噴嘴的速度達(dá)到超音速?；旌蠚怏w中輕的部分沿著半徑小的流線進(jìn)入B區(qū)，其中含鈾-235分子的比例增加。其余部分進(jìn)入Ｃ區(qū)，其中含鈾-238分子的比例增加。經(jīng)過(guò)多級(jí)分離就可達(dá)到一定的濃縮指標(biāo)。這種分離效應(yīng)主要是由離心力引起的，因?yàn)闅怏w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(shí)還可以防止被離心力分開的組分?jǐn)U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(jiǎn)單，不用輔助氣體。但是要求加料氣體的速度高，用的動(dòng)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(yuǎn)。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(jìn)入Ｗ區(qū)；而重組分則直射進(jìn)入Ｅ區(qū)。從而使輕、重組分得到分離。

    噴嘴分離法的動(dòng)力消耗比氣體擴(kuò)散法多一倍，而分離系數(shù)介于氣體擴(kuò)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(jì)的，但設(shè)備簡(jiǎn)單，有人用于中間試驗(yàn)工廠。

圖3.6     新型噴嘴分離單元

(4)氣體擴(kuò)散法

    氣體擴(kuò)散是常見(jiàn)的現(xiàn)象，如在臥室一角灑一滴香水，香水分子立刻擴(kuò)散，滿房間就聞到了香味。如果同時(shí)撒一滴醋，則醋味不可能先聞到。因?yàn)榇追肿右匦?，比香水分子的擴(kuò)散速度慢。同一個(gè)氣球里，充滿氫氣和氮?dú)?，則氫氣比氮?dú)饩吐┑舻每臁Ｒ驗(yàn)闅錃夥肿有?，重量輕，擴(kuò)散十分快。把氣體擴(kuò)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(jí)擴(kuò)散濃縮圖

     圖3.7是氣體擴(kuò)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(huì)比含鈾-238的較重的氣體分子更能迅速地通過(guò)薄膜。圖3.8是一級(jí)濃縮裝置的局部剖視圖。

    氣體通過(guò)多孔膜的擴(kuò)散速率與氣體分子量的平方根成反比。當(dāng)多孔膜的孔徑比一個(gè)氣體分子與其他氣體分子發(fā)生兩次碰撞之間所走過(guò)的平均距離小時(shí)，氣體擴(kuò)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(guò)膜孔。氣體加料是連續(xù)進(jìn)行的。當(dāng)膜孔孔徑小于0.02微米，六氟化鈾維持在85℃時(shí)，擴(kuò)散通過(guò)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(gè)大氣壓，而上側(cè)的壓力只是它的六分之一。

    擴(kuò)散過(guò)程需要重復(fù)許多次。經(jīng)過(guò)一個(gè)分離級(jí)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(guò)一級(jí)擴(kuò)散只提高百分之零點(diǎn)幾。為了得到豐度較高的產(chǎn)品，常需將許多分離級(jí)串聯(lián)起來(lái)，這樣的分離級(jí)聯(lián)合系統(tǒng)稱為級(jí)聯(lián)。級(jí)聯(lián)的聯(lián)結(jié)原理如圖3.9。

    每一級(jí)通過(guò)擴(kuò)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(gè)大氣壓低得多的壓力下，稱為濃縮流氣體。然后它將進(jìn)入下一級(jí)被進(jìn)一步濃縮。沒(méi)有通過(guò)擴(kuò)散膜的六氟化鈾氣體稍受貧化（稍微少了一點(diǎn)含鈾-235的分子），其壓力比擴(kuò)散前稍低，稱為貧料流氣體，然后返回到前一級(jí)再進(jìn)行濃縮。如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行擴(kuò)散與濃縮，直至幾千級(jí)以后達(dá)到預(yù)定的濃縮指標(biāo)。

圖3.8     濃縮裝置的局部剖視圖

    任何一座濃縮廠都需要用天然鈾氟化物作原料。加料段的進(jìn)料流量和設(shè)備尺寸都是很大的。在進(jìn)料流率恒定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)的流率逐漸減少，往后各級(jí)的設(shè)備尺寸可以逐級(jí)減小。工廠中的設(shè)備分為兩部分：在圖3.9中，從N 級(jí)開始，（N＋1）級(jí)以上部分，是逐漸把鈾濃縮到鈾-235的含量達(dá)到規(guī)定指標(biāo)的各級(jí)；（N–1）級(jí)以下部分，則是逐漸把鈾貧化到最后一級(jí)所規(guī)定的指標(biāo)的各級(jí)。從理論上說(shuō)，每一級(jí)的設(shè)備尺寸都應(yīng)小于前一級(jí)，但出于合理的綜合因素考慮，一般都只使用幾種規(guī)格不同的級(jí)。把每一部分中的若干級(jí)編成一組，確定一個(gè)相對(duì)的濃縮度指標(biāo)，采用一種規(guī)格的設(shè)備。

圖3.9     濃縮級(jí)聯(lián)示意圖

    氣體擴(kuò)散過(guò)程是一個(gè)大規(guī)模的多級(jí)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的核心是擴(kuò)散膜，制造高效率的膜是最主要的困難。膜的孔徑約為0.01微米，每平方吋內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)這樣的超微細(xì)孔，用極薄的鎳金屬板或膜作成。把這些多孔薄板卷成管子并封閉在密封容器中（見(jiàn)圖3.8中的分離元件）。

    進(jìn)入N級(jí)的氣流，是在N–1級(jí)被濃縮的低壓氣流和在N＋1級(jí)被貧化的中壓氣流的混合物。為了使流程正常工作，必須把這兩股給入的氣流壓縮，并讓其通過(guò)熱交換器以帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量。這種幾千級(jí)級(jí)聯(lián)設(shè)備的規(guī)模大得驚人，需要的動(dòng)力也大得驚人。能夠建成濃縮鈾的氣體擴(kuò)散工廠，并能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)出滿足需要的高濃鈾，是一個(gè)國(guó)家核工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。如美國(guó)橡樹嶺濃縮鈾工廠有4384個(gè)分離單元，耗電量1700兆瓦。幾乎與紐約市用電量差不多。圖3.10是擴(kuò)散工廠車間的一角，可見(jiàn)其規(guī)模之大。

圖3.10    氣體擴(kuò)散廠機(jī)群

 (5) 激光分離法

    激光分離法是現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)。同位素由于質(zhì)量不同，能級(jí)也不同，由低能級(jí)激發(fā)至高能級(jí)時(shí)的吸收光譜亦有差異。選擇不同波長(zhǎng)的激光只激發(fā)其中一種同位素，就可以利用激發(fā)態(tài)的同位素與非激發(fā)態(tài)同位素間在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異，采用適當(dāng)方法將其分離。

    鈾-235和鈾-238原子或它們的化合物分子，對(duì)光吸收的波長(zhǎng)是不同的，可以采取激光分離。

    在分子激光同位素分離工藝中，用一臺(tái)激光器（如染料激光器）來(lái)激發(fā)在–­220℃下用氦稀釋的含鈾-235的六氟化鈾氣體分子，這臺(tái)激光器對(duì)含鈾-238六氟化鈾分子不起作用。第二臺(tái)激光器（如銅蒸汽激光器）用來(lái)分解已激發(fā)的分子生成五氟化鈾，隨后它以白色粉末形式被回收。

    在原子蒸汽激光同位素分離工藝中，用聚焦電子束在真空環(huán)境中把鈾金屬錠局部加熱到3000℃，使鈾金屬汽化成鈾-238和鈾-235的原子狀態(tài)。選用的激光器使鈾蒸汽中的鈾-235原子被激光電離，鈾-238原子不被電離。電離了的離子再用電磁法收集。這些電離離子絕大部分是鈾-235，只可能有少數(shù)其他離子。

有了激光分離技術(shù)，先將同位素用激光分離，然后再用電磁法收集，效率就高了。從而電磁分離方法又得到了應(yīng)用。

    激光分離鈾同位素有很多優(yōu)越性：

⑴分離系數(shù)大，方法簡(jiǎn)便。

⑵耗電少。激光法耗電只不過(guò)是擴(kuò)散法的10%左右。

⑶分離裝置體積小，便于隱蔽。橡樹嶺擴(kuò)散工廠占地240000平方米，長(zhǎng)800米，很難隱蔽。

⑷成本低。建造一座大型擴(kuò)散工廠，大約要20億美元。建立激光分離與濃縮裝置，至少要低一半。

    激光分離工藝不需要大的動(dòng)力，而且只需一個(gè)分離級(jí)。起初美國(guó)還傾向于離心工藝，但最終選擇了原子激光同位素分離工藝來(lái)代替氣體擴(kuò)散分離工藝。