伊朗離心機進(jìn)展頗豐，但距離武器級提純仍然遙遠

最近伊朗原子能組織宣稱(chēng)已經(jīng)開(kāi)始提煉豐度4.5%的濃縮鈾，已經(jīng)突破了伊朗核協(xié)議規定的3.67%。甚至該組織還宣稱(chēng)下一步可以進(jìn)一步制取20%豐度的濃縮鈾。伊朗之所以現在這么有底氣，也是因為國產(chǎn)的離心機有了不小的進(jìn)步。從內賈德執政時(shí)期，伊朗就用了自產(chǎn)的IR2，后來(lái)又有了IR4，直到最近曝光的IR6，意味著(zhù)伊朗已經(jīng)掌握了第6代的離心機制造技術(shù)。

伊朗宣布第六代離心機技術(shù)

內賈德執政時(shí)視察國產(chǎn)的IR2離心機

不過(guò)按照目前的進(jìn)度，即便伊朗達到了他們所說(shuō)的20%的豐度，距離武器級鈾90%的豐度也是差了十萬(wàn)八千里。先解釋一下，這里面說(shuō)的百分比，是指鈾-235的含量，也叫豐度。因為能用于鏈式反應的鈾同位素只有鈾-235，在自然界的鈾同位素中僅占0.7%，其他92.25%都是鈾-238。

天然鈾礦石

所謂鈾濃縮，就是從自然界的鈾礦石初步精煉制成六氟化鈾后，再將其中的六氟化的鈾-235一步步分離提純，使鈾-235比例不斷升高的過(guò)程。那么伊朗現在的鈾濃縮技術(shù)是否可以造出90%豐度的鈾燃料棒呢？恐怕用手上的離心機是辦不到的。不光伊朗辦不到，全世界到目前為止用離心機造武器級鈾燃料棒的好像都沒(méi)有出現過(guò)，因為離心機的分離功實(shí)在是太低了人類(lèi)第一顆用于實(shí)戰的鈾原子彈——小男孩，它的鈾235其實(shí)使用氣體擴散法分離提純的。而離心機這個(gè)東西，美國一直到70年代才開(kāi)始研發(fā)生產(chǎn)，因為離心機其實(shí)主要是用來(lái)給商業(yè)核電站用來(lái)制取低濃縮鈾的。在制造核武器的場(chǎng)景，核大國一般都使用氣體擴散法。我國第一枚核彈，同樣使用氣體擴散法。氣體擴散法是把六氟化鈾蒸汽放在容器罐中，利用半透膜將鈾235氟化物和鈾238氟化物分離。這種膜有無(wú)數的小孔，一次只允許通過(guò)一個(gè)氣體分子。因為分子質(zhì)量較輕的氣體分子與容器壁碰撞較為頻繁，所以鈾235氟化物更容易通過(guò)器壁，經(jīng)過(guò)很多級同樣結構的裝置，實(shí)現高豐度濃縮鈾的提純。

人類(lèi)首次投入使用的原子彈“小男孩”就是一枚鈾彈

氣體擴散法的分離單元

氣體擴散法的機組，用多個(gè)容器罐級聯(lián)

伊朗為什么不用氣體擴散法？

那么伊朗為什么不用氣體擴散法呢？有兩個(gè)原因。一個(gè)是氣體擴散法的工廠(chǎng)功耗驚人。氣體擴散裝置生產(chǎn)同等豐度和質(zhì)量的鈾，的能耗相當于離心機的10倍。用氣體擴散法，得到一噸90%濃度的鈾約需要23萬(wàn)個(gè)分離功，耗費7億度電，相當于一個(gè)100兆瓦的發(fā)電廠(chǎng)將近1年的發(fā)電量。美國橡樹(shù)嶺有個(gè)濃縮鈾工廠(chǎng)，用了4000多個(gè)分離單元，功率1700兆瓦，相當于紐約市的耗電量。所以小國用不起；另外一個(gè)原因就是，氣體擴散工廠(chǎng)實(shí)在是太扎眼了，如果一個(gè)國家建了這樣的工廠(chǎng)，一開(kāi)始就相當于坐實(shí)了要研發(fā)核武器的意圖，國際壓力也就可想而知。印度、巴基斯坦、朝鮮以及今天的伊朗核武器研發(fā)計劃沒(méi)有一個(gè)是敢公開(kāi)的，必須裝小白兔才可能保證項目的生存。伊朗正是因為國內沒(méi)有建氣體擴散工廠(chǎng)，而只用離心機，所以可以一直處于一個(gè)灰色地帶中。當年的巴基斯坦朝鮮等國也都是指用了離心機進(jìn)行鈾的濃縮。

不過(guò)離心機也沒(méi)那么好做。一般來(lái)說(shuō)，離心機需要有4到6萬(wàn)轉/分，內部抽成真空，才能使鈾-235和鈾-238分離。由于相對原子質(zhì)量不同，二者到慣性不一樣，鈾-235將靠近離心機的中心軸和頂部，而鈾-238因為較重，會(huì )被甩到筒壁和離心機底部。離心機的好處是能耗比較低，非常用來(lái)適合給成本敏感的商用核電站提供低濃縮鈾。離心機分離鈾不需要像氣體擴散那樣分好多級，但是每一級都需要數千臺乃至上萬(wàn)臺離心機。這也是為什么伊朗敢說(shuō)可以把濃縮鈾進(jìn)一步濃縮提純到20%。只要在原有基礎上增加級數，那么理論上確實(shí)可以得到更高純度的鈾-235。不過(guò)這樣做需要的離心機的數量也會(huì )非常非?？植?。而且20%的鈾根本無(wú)法保證可靠的鏈式反應，只能是一枚核臟彈。

窮國搞核武正確的路徑：使用钚239制造“經(jīng)濟適用型”核彈

那么作為一個(gè)可憐，弱小又無(wú)助的窮國，在聯(lián)合國五常的眼皮子底下是不是完全沒(méi)法子造核彈了？也不是，其實(shí)還有一種成本更低的方法。那就是用钚239造核彈。和鈾235不同，钚239在自然界含量微乎其微，基本沒(méi)有什么提取價(jià)值。它是利用核反應堆，利用鈾235核反應后釋放出的中子，通過(guò)減速棒后轟擊鈾238后經(jīng)歷兩次衰變得來(lái)的。中子為鈾238捕獲后，使鈾238變?yōu)殁?39；鈾239半衰期極短，在很短時(shí)間內就會(huì )經(jīng)歷兩次β衰變成為钚239。钚239半衰期有2.4萬(wàn)年，因此比較穩定。

钚239獲得過(guò)程

鈾239半衰期只有23.5分鐘，很快就衰變成镎239，镎239再衰變成钚239

與鈾235相比，钚239更加易得，只要掌握了工業(yè)級別的低濃縮鈾技術(shù)后，利用核反應堆就可以得到；而且钚的臨界質(zhì)量更低，不加中子反射層的情況下，鈾235需要52kg的臨界質(zhì)量，而钚239只需要10kg；加了中子反射層后，钚239臨界質(zhì)量可進(jìn)一步降低至5kg以?xún)?。所以钚用?lái)做核彈簡(jiǎn)直比用鈾成本低了太多。當年扔在長(cháng)崎的“胖子”，就是一枚鈾钚合金彈，可見(jiàn)美國有缺錢(qián)的時(shí)候。沒(méi)辦法，造鈾彈實(shí)在是太太太耗電了。實(shí)際上，后來(lái)的蘇聯(lián)，印度，巴基斯坦，乃至朝鮮，第一顆原子彈都是用钚-239制造的。

當然，要制造武器級（93%豐度以上）的钚239，還有一個(gè)條件，就是必須用重水反應堆，即使用重水（2H2O）或者石墨做慢化劑的反應堆，輕水反應堆是無(wú)法制造武器級的钚239的。7月27日，伊朗原子能機構宣布，將重啟阿拉克重水反應堆，這也意味著(zhù)伊朗從此徹底突破了制造钚彈的最后一個(gè)門(mén)檻。所以，美國人的擔心和制裁確實(shí)有道理，并非完全是強權欺壓。

不過(guò)經(jīng)濟適用型，歸根結底也難逃“便宜沒(méi)好貨好貨不便宜”的定律。首先钚這種金屬加工極難，幾乎沒(méi)有任何可鍛造性，成形后由于溫度變化很容易發(fā)生開(kāi)裂。雖然钚的半衰期長(cháng)達2萬(wàn)多年，但是其本身化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化，所以钚239的保質(zhì)期非常短，一般放7-8年后就衰變的不穩定了；所以制造時(shí)需要鍍上一層惰性金屬膜才行，一般都要用銀或金鍍膜。而且維護保養也非常困難，在拆除過(guò)程中極易發(fā)生放射性污染。還有一點(diǎn)就是，钚239制造原子彈時(shí)只能使用內爆法，不像鈾彈可以使用簡(jiǎn)單的槍式結構，這種結構非常復雜精密，所有起爆點(diǎn)要求在百萬(wàn)分之一秒內同時(shí)起爆，否則會(huì )因為爆炸波不同步使波陣面無(wú)法聚焦到中心點(diǎn)。

內爆式原子彈，爆炸同步率需要控制在百萬(wàn)分之一秒內

盡管如此，钚彈還是非常受歡迎，因為成本低這一點(diǎn)。不僅窮國喜歡，連美俄這樣的超級大國也非常青睞用它做核武器?，F如今钚239往往被用來(lái)制作三相彈的初級，用來(lái)制作三相彈的“扳機”。比如美國戰略潛艇裝備最大多W88核彈頭，就是使用钚239制作初級。

W88核彈頭，一種典型的三相彈

基于以上的原因，伊朗很可能真正的目的是發(fā)展钚彈。這種經(jīng)濟適用型核彈，一旦掌握了，產(chǎn)量也比鈾彈要高得多。一旦伊朗開(kāi)發(fā)出自己的钚彈，將徹底打破中東的力量平衡，擁有核彈頭的以色列也再也無(wú)法一家獨大。這也是伊朗核問(wèn)題，美國積極干涉，以色列尤其積極地充當馬前卒的一個(gè)重要的原因了。