鈾是重金屬,為什麼鈾濃縮要用氣體離心機?

美國退出伊核協議，歐洲光打雷不下雨，伊朗重新啟動離心機來生產濃縮鈾。說到離心機，許多人會自然聯想到洗衣機甩乾衣服。有朋友問我，鈾不是一種固體重金屬嗎？它又不是水銀，怎麼用離心機甩一甩就能濃縮了？

這是一個好問題，下面我們就來討論離心機與鈾濃縮的關係。

鈾確實是高密度的重金屬

鈾是一种放射性元素，它的原子核裡有92個質子，因此在元素周期表裡排在第92位。地球上目前最多的是鈾-238（ U），佔到總量的99.274%，密度達到19.1克/立方釐米，與黃金差不多（19.32g/cm ）。與鈾-238相比，鈾的另一種同位素鈾-235（ U）由於原子核裡少3個中子，除了密度低1.26%，它們的理化性質幾乎完全相同，這將導致二者分離困難。

儘管困難也要將它們分開，因為無論是造原子彈還是建核電站，我們都需要更多的鈾-235。相比之下，鈾-238的用處不那麼大，除一部分用於增值反應堆外，更多地被拿來製造貧鈾炮彈、炸彈和裝甲，又因為貧鈾多多少少還存有放射性，還引發不少因吸入氣體導致的輻射汙染事件。

貧鈾既作裝甲又作穿甲彈

鈾礦的開採與提煉

鈾誕生於超新星內部，它也是地球內部最常見的元素之一。全球每年大約開採6萬多噸鈾礦，其中哈薩克斯坦、加拿大和澳大利亞佔了全球年開採量的70%以上，這些開採出來的鈾礦基本上都用在了生產核電站所需要的燃料。

在地球上，鈾基本以氧化物的形式存在於鈾礦石中，其中主要是二氧化鈾（UO ）、三氧化鈾（UO ）和微量的過氧化鈾（U O ）。鈾經常與其它重元素相伴而生，你可以在鈾礦中找到如鉛、錫、鎢和一些稀土元素，也可以在銅礦、磷礦或褐鐵礦中發現氧化鈾。

各種鈾礦石，其中含有氧化鈾

鈾礦中的氧化鈾在開採出來之後不能直接提純出金屬鈾，因為其中我們所需要的鈾-235濃度只有約0.7%，遠遠達不到3.5%以上的核燃料標準，製造核武器更是需要85%以上的濃縮鈾-235。所以需要通過一系列的轉化，以便將鈾-235從中儘量分離出來，這就是我們常說的鈾濃縮。

我們並不能通過將金屬鈾、鈾礦或氧化鈾的粉末放在離心機裡分離出濃縮鈾來，因為固體分子間的力非常大，依靠慣性力無法改變它們的位置。科學家選擇將其轉化為氣體化合物。

含有氧化鈾的礦石首先會被粉碎，然後用濃酸、鹼或過氧化物溶液對其進行進一步處理，以濾出鈾，最後得到一種含有70%~90%過氧化鈾（U O ）的黃色粉末，這種中間物質俗稱「黃餅」。黃餅難溶於水，但它可以與氫氟酸反應生成六氟化鈾（UF ）氣體，這為從中分離出鈾-235創造了條件。

六氟化鈾在常溫下是氣體

有技術能力的國家大多採用將UF 氣體導入高速氣體離心機的辦法，將其中含有鈾-235的氣體一點點提取出來，然後再用鎂或鈣去還原UF ，從而將濃縮了更多鈾-235的鈾金屬提取出來。

鈾的提純

為什麼要用氣體離心機？

由於原子核裡少3個中子，鈾-235比鈾-238輕1.26%，這個差異非常小，二者的化學性質相同，特別是當它們都以化合物的形式存在時，你很難將二者區分開來。這時候就需要通過將它液化或氣化，再通過人工製造重力的方法將其分離。

油與水的密度不同，當我們將油和水的混合物倒入杯子裡，由於重力的作用，密度更大的水會下沉，而密度低的油會浮在水的上方。

杯裡的油在最上層，水在中間，密度最大的蜂蜜沉底

空氣中的各種氣體都沒有分層現象，在UF 氣體中， UF 僅比 UF 輕0.852%，在地球重力下它們不可能分層。

因此我們需要利用高速旋轉的離心設備產生慣性力（俗稱離心力），旋轉的速度越快，慣性力越大，其模擬的重力越大。

慣性力與向心力方向相反，可以利用它模擬重力

氣體離心機可以將兩種不同密度的氣體一點點地分離開來。當將UF 氣體注入高速離心機後，轉子在電機的帶動下以極快的速度旋轉，更重一點的 UF 被甩到靠近外壁的地方，而相對輕一點的 UF 氣體更多聚集於靠近轉軸的位置。

在離心運動中，更重的氣體分子會更靠近外壁，輕的聚集在中間

將中心的氣體抽出來輸入下一臺離心機，又可以得到更高濃度的 UF ；那些外層的氣體中同樣含有少量 UF ，將其回輸到上一臺離心機重新分離，如此往復。

氣體離心機是高度敏感裝備

鑑於高濃度的 U可以用來製造原子彈，因此用於分離 UF 的關鍵設備氣體離心機及其計算機控制系統也成為高度敏感的戰略設備。我們僅知道它的工作原理和大致外形，但離心機的技術參數對任何國家來說都是最高機密，是絕對不允許外洩的。

第一代和第二代氣體離心機原理圖

不同於化驗室裡用於分析血液樣品的臺式離心機，用於六氟化鈾分離的氣體離心機是一臺極精密大傢伙，它的製造難度非常大，不是誰想有就能有的。

它的高度超過5米，有的可以高達12米；

擁有非常輕但堅固的轉子，可以以每分鐘10萬轉（100000rpm）的速度旋轉；

通常擁有磁性高速軸承，以減少摩擦，並可持續運行長達10年；

轉子非常均衡，沒有振動，沒有聲音；

耐強腐蝕。

用於分離 UF 的氣體離心機都不是單獨運行，它們往往是幾百上千臺一排排地串聯在一起，每一臺離心機有一個輸入口和兩個輸出口，含有較多 UF 較輕的氣體進入下一臺離心機，而較重的氣體回到上一臺機器繼續分離，最後一臺機器輸出的就是 U含量最高的氣體。由此我們可以知道，離心機的轉速越快，投入的離心機數量越多，就可以提取更高濃度的 UF 。

鈾濃縮工廠成排的氣體離心機，它們有兩層樓高

氣體離心機及其計算機控制系統是鈾濃縮的核心裝備之一，根據離心機的技術水平以及裝備數量，基本可以判斷一國的核工業技術水平，以及它是否具備製造原子彈的能力。如果要打壓一國研製核武器的能力，只需要限制其離心機的數量就可以了。

總結：

分離同位素從來就是一大難題。鈾-235與鈾-238互為同位素，除了原子質量稍有差異，其它理化特徵基本相同，因此我們很難用化學的辦法將這兩種同位素分開。

科學家通過將鈾化合物轉化為六氟化鈾氣體，利用高速氣體離心機製造人工重力，將兩種不同重量的鈾氣體分離開來；再通過多臺離心機一級一級地串聯分離，可以得到濃度比較高的 UF 氣體；最後再用鎂或鈣就能置換出六氟化鈾氣體中的鈾。鈾-235的濃度更多取決於投入運行的離心機數量。

核電站燃料棒及濃縮鈾顆粒

雖然氣體離心機不是鈾濃縮的唯一選擇，但至少目前它是最優選擇。其它諸如半透膜氣體擴散法、熱擴散法、雷射分離、電磁分離等方法或因成本太高，或者有這樣那樣的技術缺陷無法解決。

從某種角度看，用於分離鈾-235的高速氣體離心機是一柄達摩克利之劍，用得好，它可以造福人類，而一旦失控，它同樣可以帶來災難。