制造原子弹的关键技术

制造原子弹的关键技术：反应堆生产钚-239(1)反应堆辐照核反应堆既可作为科学研究装置，也可作为一种生产设备。有动力堆，有生产堆。核反应堆工作原理如图3.11所示。反应堆里裂变放出的中子，经过减速剂降低能量变成慢中子。这些慢中子，有的与铀-235发生裂变，释放大量能量和继续放出中子；有的则被铀-238俘获而生成超铀元素。镉是专门吸收中子的，控制棒插入深，被吸收的中子多，参加反应的中子就少，裂变功率降低；反之，裂变功率就提高。监测反应堆功率，适当调节控制棒的深浅，就可保证反应堆安全运行。图3.11核反应堆工作原理示意图建造反应堆是一项复杂的工程，它涉及核物理、中子物理、热工学、放射性防护和放射性废物处理等学科。由于核能的广泛应用，需要建造各式各样的核反应堆，因此在大学里专门设置有“反应堆工程”专业。图3.12是热中子增殖堆容器剖面图，它是反应堆的核心部分。图3.12热中子增殖堆容器剖面图一个铀-238原子核，俘获一个中子变成铀-239。在几天中，铀-239自发地经过两次衰变变为钚。n+238U239U+239U239Np+e-+（半衰期分）239NpPu+e-+（半衰期天）钚是个高度可裂变的同位素。1940年在美国发现了这种元素后，他们很快建造了生产钚的反应堆，用于制造原子弹。把金属铀放在反应堆中照射后，产生的同位素经过化学方法分离出钚-239。这种化学分离方法，比物理方法分离铀-235要容易些。化学分离过程必须在两种非常困难的条件下进行：①即使是极少量（几克）的钚，也必须从几吨重的铀燃料棒中分离出来。②钚的毒性极大，必须注意防护。(2)辐照冷却期当反应堆中的铀-238经过足够时间的照射，生成相当数量的钚-239后，将辐照过的燃料元件从反应堆内取出，并放入水中贮存2～4个月。在此期间，强放射性的裂变产物经衰变后，其放射性大大减弱；与此同时，早先由铀-238形成的镎-239，也大多转变成钚-239。这段贮存期称为冷却期。(3)分离钚-239采用化学方法。辐照燃料经过冷却后，可用若干不同的方法将钚与铀和裂变产物分离开。化学方法是通常用于大规模生产的方法。钚能以几种不同的氧化态或化学价态存在，而且在某些化合价时其化学性质与铀的完全不同。根据这一特点，预先配制一种溶液，使其中钚和铀具有不同的氧化态和不同的化学性质。然后选择沉淀法或溶剂萃取法便可以相当容易地分离出钚。常用磷酸三丁脂(简称TBP)–煤油作溶剂。它们的反应式如下：反应式中，硝酸溶液称水相，TBP称有机相。反应生成的溶剂化合物UO2(NO3)22TBP和Pu(NO3)42TBP溶于有机溶剂而不溶于水。溶剂中，铀主要以六价铀酰离子的形式存在，而钚大部分以正四价钚离子存在。萃取过程如图3.13所示。图3.13溶剂萃取过程在萃取前，一层是TBP-煤油有机相，另一层是含铀、钚和裂变产物的硝酸水溶液，即水相。将这两相充分混合接触，再放置一段时间，又将分成两层。这时有机相中主要含有铀、钚，而裂变产物则大部分留在水相中。这样第一步实现了铀、钚与裂变产物的分离。第二步实行反萃取。即将含有铀和钚的有机溶液与稀硝酸充分混合接触，大部分铀和钚将重新转移到水中。萃取是一个动平衡过程。物质在互不相溶的两相液体中达到萃取平衡时，它在有机相中的浓度与在水相中的浓度的比值，叫做分配系数。分配系数表示被萃取物进入有机相的能力，分配系数越大，表示它进入有机相的部分越多，留在水相的越少。某物质分配系数的大小，除与本身性质和萃取剂的性质有关外，还与萃取体系的其他条件有关，其中包括平衡时该物质在水相或有机相中的浓度、萃取剂的浓度和饱和度、水相酸碱度、其他物质的浓度以及温度等等。配制合适的萃取剂，使得从铀–钚硝酸溶液中萃取钚时，钚的分配系数高于铀的分配系数，可以达到浓缩钚的目的。这样一步一步地反复进行萃取，就实现了铀与钚的分离。除了化学分离法，还有离子交换法，即用离子交换树脂从稀释的水溶液中将钚吸附，使钚与铀和裂变产物分离。还有高温冶金法，包括蒸馏、熔融金属萃取和熔盐萃取等方法。(4)还原成金属分离出来的钚大多数是一种钚盐，必须经过处理以便获得金属形式的钚。例如将四氟化钚和还原剂（如金属钙）预先混合，然后在高压炉中加热，就可把四氟化钚还原成金属钚。还原后，再经过酸洗，除去杂质，即得到清洁的钚金属钮（象钮扣样的金属小块）。这些金属钚就可进行熔融、铸造，以及机械加工了。图3.14是钚的生产流程图：图3.14钚生产流程图反应堆可以生产多种核材料。铀-233也是一种很好的裂变燃料。生产铀-233的过程，是把氧化钍放在反应堆中照射，生成钍-233。钍-233经过两次衰变，变成铀-233。同样用化学方法把照射产物中的铀-233分离出来。铀-233吸收一个中子变成偶数核，裂变势垒比较低，因此可以用于制作原子弹和反应堆元件。其化学分离工艺与上相同，只不过要选择和配制不同的萃取溶剂而已。