核燃料铀的安全性科普

但是回帖中很多朋友对核燃料没有足够的常识，表现出不必要的恐慌和疑问，这里给大家科普一下，这些内容全凭记忆写成，有些地方可能有记不清或者不正确不确切的，欢迎指正。核电站和核武器都是靠核裂变链式反应工作，释放出大量能量的，它们的区别在于核武器是不可控的反应，瞬间即完成全部的反应，释放出巨大能量，因而会产生强烈的爆炸破坏力。而核电站的反应堆则是可控的，而且是天然受限的，所以在任何情况下即使完全失控都不会发生核武器一样的爆炸。核电站的危险在于放射性物质的泄漏而不是核爆炸。核电站的反应堆有很多种，最原始的是石墨堆，后来有沸水堆，现在常用的是压水堆，而某些国家则使用重水堆。这些堆的区别在于它们所用的“减速剂”。核裂变会产生中子，而中子则会撞击其他核燃料的原子产生核裂变，这样一级一级下去，核裂变会越来越多，这就是核裂变的链式反应，链式反应才能维持核裂变反应不停地进行，从而释放出大量能量。核电站和核武器都是利用这个链式反应的放大过程。不过核裂变产生的中子的飞行速度非常快，叫做“快中子”，碰巧的是在一定范围内，中子的速度越快，它撞到别的核燃料的原子上引起裂变的可能性就越小，小到一定程度的话就不能引起持续的链式反应了。所以如果要能引起持续的链式反应的话有两个办法，一个是把核燃料的纯度密度提到足够高，那么即使中子速度高反应几率小也没有关系，核武器原子弹就是这样造出来的，常用的核燃料铀中只有铀-235同位素是可以进行链式反应的，它在天然铀中的比例非常低，远小于1%，所以要造核武器就需要把它提纯到90%以上，这就是造核武器最大的门槛，一般国家没有足够的技术和资金实力做这个。而另一个维持链式反应的方法是想办法把裂变产生的中子的速度降下来，即“减速”，减速以后中子撞击到另一个核燃料原子引发裂变的可能性就大多了，所以低浓度的铀也能发生链式反应。实用的“减速剂”是比较轻的原子，比如氢、碳等，碳是固体（石墨就是碳），所以最简单，最早的核反应堆就是用碳做减速剂的，这就是石墨堆；氢是气体，不能直接用来做减速剂，所以一般用它的化合物，那么氢最常见最便宜的化合物就是H2O，即水了，这就是沸水堆和压水堆；但是氢虽然减速效果好，但是它有个缺点，就是它会吸收中子，所以用它也会降低发生链式反应的可能性，用氢做减速剂的沸水堆和压水堆就必须用经过提纯的核燃料，虽然只有3%的铀-235，但是成本也很高；这就有另一种减速剂的用武之地了，这就是氢的同位素氘，氘比氢多一个中子，比氢重，它的减速效果好对中子的吸收又好，所以是最好的减速剂，用它做减速剂的反应堆可以直接用未经提纯的天然铀做燃料，燃料成本低。氘和氧的化合物也是水（因为氘本来就是氢的一种），不过因为比较重，叫做重水，重水虽好，但是它本身需要非常昂贵复杂的过程提纯才能得到，所以重水堆的综合成本并不低，只有加拿大在用，其他国家现在绝大部分都是用压水堆，少量老反应堆用的是沸水堆。石墨堆只有在早期用，前苏联的切尔诺贝利核灾难就是石墨堆的，石墨的减速效果不错，中子吸收也少，成本又低，是非常好的减速剂，用它做反应堆成本低而且经过特别设计的话可以直接用未经提纯的天然铀做燃料，燃料成本也低，世界上第一个反应堆就是美国科学家费米在芝加哥大学体育馆建造的石墨堆。但是石墨会燃烧爆炸，所以其风险也比较大。切尔诺贝利就是一个惨痛的教训，所以现在再也没有用石墨堆的了。沸水堆和压水堆有天然的安全性，因为一旦发生意外，水本身不会爆炸抛散有害物质，水会很快蒸发或者流走，没有了水，就没有了减速剂，中子撞击核燃料原子发射裂变反应的几率降低，不足以维持链式反应，那么核反应就自然停止了，所以沸水堆、压水堆最坏的结果也就是福岛那样，反应堆里的反射性物质泄漏出来，而不会继续反应产生更大的危害。下面说说核燃料棒，现在用的核燃料有铀和钚两种，其中铀是自然界天然存在的物质，而钚则是人工在反应堆里制造出来的，无论哪种都需要经过提纯以后才能使用。对于铀来说，天然铀中能够发生链式反应的铀-235同位素含量极少，不到1%，剩下的都是不能发生核链式反应的铀-238。因为反应堆除了不安全的石墨堆和昂贵的重水堆以外，都需要经过提纯的铀-235含量高的铀才能使用，所以玩核的关键就是提炼铀-235。常用的沸水堆和压水堆中需要的铀燃料是含铀-235为3%左右的燃料，这需要一定的提纯技术。由于能发生链式反应的铀-235和不能发生链式反应的铀-238是同一种元素，它们的化学性质完全相同，所以不能用化学方法把它们提纯，只能用物理方法利用它们的原子极小的重量差别通过超高速离心分离或者气体扩散分离的办法进行提纯，这是一个非常复杂效率非常低的过程，因此核燃料的提纯需要极大的人力物力和财力，只有靠国家意志才能实现，不是几个恐怖分子在家里可以做的，所以世界上对于核恐怖的担心主要是在核燃料的管理上，没人担心恐怖分子会自己制造核燃料。那么，造核武器和核电站在技术上有多大区别呢？实际上它们的差别主要就在核燃料的浓度上，一般核电站用的是3%左右，而核武器则需要90%以上的铀-235，差别很大。但是提纯到3%和99%的技术几乎是完全一样的，也就是你只要有能力提纯到3%，只要有足够大的规模足够长的时间，你就能积累到99%的纯度，这也就是现在国际社会对伊朗的关注之处，因为伊朗是个石油大国，它发展核能做能源本来就有可疑之处。而且它发展核能不是靠买提纯好的核燃料，而是一定要坚持自己提纯。更可疑的地方是它即使自己提纯核燃料，如果是用于核电站的话也只要3%的浓度就够了，但是伊朗宣布他们已经生产出了30%的核燃料！所以这个就很明显了，这也就是为什么以色列最近高声叫嚷要轰炸伊朗核设施的原因——因为下一步搞到90%浓度的铀235组装出一个原子弹只是一个时间问题，人类已经无法阻止伊朗拥有核武器了。现在用的铀核燃料棒就是用很多每个只有几克的含3%左右铀-235的铀块小块装在几米长的锆棒里，然后几百个锆棒组装在一起形成一个燃料组件，几百个这样的燃料组件安装在反应堆里就可以发电了。车头灯同学的帖子就展示了核燃料棒的生产过程，让我们见识到了这个神秘的工作。有人看了帖子很担心生产核燃料棒的工人的安全，认为他们这样接触铀，会不会被其放射性伤害啊。其实，这个担心是完全没有必要的。一般来说放射性物质的放射性强度和它的半衰期有关，半衰期越短则其衰变越快，那么放射性当然也就越强，象镭、钴-60、铯-235这些强烈放射性物质的半衰期都是很短的。而铀的半衰期是几亿年，也就是一块铀要过几亿年才会有一半衰变发出放射性，所以铀的放射性非常低，低到直接接触也不会超过影响健康的安全标准。不要说核电站用的3%核燃料棒这种低浓度的铀，即使是武器级的99%高浓缩铀直接用手拿也是没有危险的，有一个很多人知道的事，就是美国的M1A1坦克甚至用铀来做装甲，里面的大兵也没有事，有事的话早把美国政府告破产了，这些做装甲的铀就是核燃料工厂提纯铀-235之后剩下的铀-238，因为里面的有用的铀-235的含量很少，没有什么利用价值了，所以就被称为“贫铀”，用它做的装甲就叫贫铀装甲。铀-238和铀235的半衰期都是几亿年以上，放射性也差不多，美国兵坐在铀装甲的坦克里没事，俄罗斯工人在车间里生产铀燃料棒当然也没事。美国还用铀炮弹弹头，即贫铀弹，在伊拉克大量使用过。贫铀弹对伊拉克人有伤害吗？当然有，它的伤害主要是贫铀弹头爆炸后被变成粉末进入空气土壤和水，这些粉末一旦通过各种途径进入人体内，在细胞内直接和细胞的DNA分子接触，那么其放射性的危害就大多了，即使是非常微弱的放射性也怕零距离接触啊。但是在核燃料工厂里和美军的坦克里不一样，那里的铀是在外面，不会和人体细胞零距离接触的，所以只要按规定操作，是没有什么危害的。另外，一般人不知道的是波音747等大型飞机上也有用几百公斤贫铀做的配重块，中国买的里面也有，如果有危害的话你说胡核心会放心坐吗？核燃料铀在没有发生核反应时的放射性是非常小的，只要不吃下去或者吸进去进入体内，对人体基本是没有危害的。核燃料的危险来自于发生核反应之后，也就是在反应堆里发生裂变反应后才会发出强烈放射性，在反应堆里用过之后的燃料棒（即核废料）因为里面残留了大量核反应产物，那些产物很多是短半衰期的强烈放射性物质，所以其放射性也非常大，是非常危险的物质，必须妥善处理。但是新的从来没用过的核燃料棒是没有什么危险的。所以俄罗斯核燃料工厂里的工人们都很淡定，鸡也很淡定。