伊朗都有铀浓缩离心机:为何中国刚刚突破这技术,美国至今未掌握

2020-08-26 08:06

提到铀浓缩离心机,我们首先就要说说核武器和核电站的核燃料的生产过程。众所周知,能够用于核武器或核电站发电的核燃料,主要成分是铀的同位素:铀-235。核电站通常使用纯度3%的低浓缩铀,纯度大于80%的-235称为高浓缩铀,核武器则需要使用纯度在90%以上的铀-235,称为武器级浓缩铀。

图片:伊朗总统内贾德视察纳坦兹核浓缩工厂的IR-2型离心分离机。

天然铀矿石中的主要成分是不能进行核反应的铀-234和铀-238,能够用于核反应的铀-235含量极低,只有大约0.7%,所以必须使用一定的方法提高铀-235的浓度,这个过程就是铀浓缩。

获得铀是非常复杂的系列工艺,铀矿石开出来以后,要经过选矿、破碎、浸出、萃取、离子交换和焙烧等工艺过程,制成重铀酸铵含达70%至90%的黄色坯料,被称为“黄饼”。黄饼是一种初级核原料产品,能够在国际市场上合法买卖。黄饼通过氢氟化法或萃取方法,使其中的八氧化三铀转化为四氟化铀,最后再制成六氟化铀。由于六氟化铀的沸点比较低,可制成气体,供气体扩散法和气体离心法浓缩铀工厂使用,制成原子弹或核电站的燃料。

将铀-235含量提高的工艺过程称为浓缩分离。浓缩分离核燃料生产的最后流程,需要很高的科技水平。获得1公斤武器级铀-235需要200至1000吨铀矿石。由于涉及核武器问题,铀浓缩技术是国际社会严禁扩散的敏感技术。除了五个核大国之外,日本、德国、印度、巴基斯坦、伊朗等国家都掌握铀浓缩技术。

铀浓缩的主要方法有气体扩散法和气体离心法。气体扩散法是将六氟化铀气体通过布满微孔的扩散膜,由于铀-235组成的六氟化铀气体分子略轻、速度稍快,通过扩散膜的比例稍大于由铀-238组成的六氟化铀分子,经过上千个这样的分离级,就可以将天然铀中的铀-235浓缩。

离心法是将六氟化铀气体通过高速旋转的空心圆筒,稍重的铀-238气体分子在筒壁处含量稍多;而较轻的铀-235气体分子在筒中央处含量较多。用这种方法,经过多个分离级,就可使铀-235浓缩度达到3%至90%,被称为“富铀”(浓缩铀),其余的剩余物则被称为“贫铀”,贫铀可制成合金,用于穿甲弹或者坦克装甲的原料。

仅靠一个离心机的分离是远远不够的,必须通过更多离心机以“级联配置”联接为一体,铀原料在一级离心机提纯后,会转送到下一级离心机继续提纯,级级相连。由于核电站所需铀浓缩较低,其离心机级联层次较少,因而看起来会比较短。而用作核武器的铀浓度要达到90%以上,其离心机的联接层次更多,可达数百个。中国等五个核大国的军控组织通常把拥有多少离心机联接层次和长度作为判断一个国家是否进行核武器发展阶段的重要标准。

铀浓缩离心分离机的技术极其复杂,一分钟转速比航空发动机的转速还要高,从几万转到十几万转,对于材料的强度极限要求非常高。离心机的工作介质是气体状态的六氟化铀,具有非常强的腐蚀性,对于材料结构的防腐性能要求也非常高。离心机不是一台机器工作,是串联的集群化工作,机器的一致性要求非常高,对于批量加工制造的工艺和装配技术的要求也非常高。

长期以来,中国和美国的铀浓缩很少使用离心机,大都是依靠气体扩散分离技术。气体扩散法的优点是产能大,是冷战时代五十至七十年代几个强国制造核武器燃料的首选方法,美国的大型气体扩散铀浓缩工厂的每年分离效率达1万吨黄饼以上。

1958年,根据苏联援助我国建设原子能工业有关协定,苏联开始援助中国建设8座生产精炼铀矿料、六氟化铀原料和武器级浓缩铀的工厂,铀浓缩厂初期运行所需原料由苏方提供,但1960年7月苏联撕毁合同,拒绝供应六氟化铀,这意味着铀浓缩厂面临“无米下锅”的危机。根据情况,二机部做出1963年、1964年原子武器工业建设生产两年规划,重点在兰州建设超大规模的气体扩散铀浓缩工厂,同时生产武器级钚和武器级铀。这就是以著名的404厂,504厂为核心的我国规模最大、体系最完整、集军民品生产科研为一体的特大型核工业生产科研基地,这个厂位于甘肃省河西走廊西部,占地面积竟然有1200平方公里,这个面积相当于内地一个中等建制县的总面积。周恩来总理等领导人曾指出:“酒泉原子能联合企业是全国人民利益、乃至世界人民利益之所在!如果没有这个工厂,就没有我国现在的国际地位“。由此可见该厂对于中国核武器和核工业事业的重要性。

气体扩散法的缺点是分离系数小,工厂规模庞大,耗电量惊人,美国曾统计冷战时期全国有7%的电能用于供应气体扩散核工厂,一般的小国根本无法承担这种耗电量,所以相对生产成本较高。

为了改善核燃料生产方式,苏联在60年代末首先开发出的气体离心法,率先完成了铀浓缩离心机的设计制造,并且建设了规模宏大的新式铀浓缩工厂。到70-80年代,欧洲铀浓缩公司也完成了自己的离心机。美国由于可以与欧洲共享该技术,因此并未单独开发铀浓缩离心机,欧洲铀浓缩公司建造了多个大型的离心机组,单机就可每年生产200至600公斤浓缩铀。

图片:2010年12月30日,乌克兰用专机将该国储存的大部分武器级高浓缩铀运至俄罗斯。这批浓缩铀大约50公斤,能够制造5至10枚核弹或氢弹核扳机。乌克兰承诺在两年内放弃所有高浓缩铀,实现无核化,由俄罗斯负责给这些高浓缩铀“降纯”,使之永久性丧失“武器功能”。

那么问题来了,为何离心机铀浓缩方法有着能耗低、成本低的优势,连伊朗等中等国家都拥有上万台离心机。然而中国却刚刚突破离心机技术,美国甚至至今都未成熟掌握该技术。

冷战结束后,由于有历史积攒下来的大量库存浓缩铀,再加上俄罗斯拥有的数十万吨可用于核电站燃料的低浓缩铀,美国可以从欧洲和俄罗斯获得足够的浓缩铀,低纯度浓缩铀的供应处于过剩状态。所以美国对于更换离心机生产浓缩铀的产能需求并不强烈,所以没有发展气体离心法铀浓缩工厂,直到目前也未掌握离心机技术。

美国和中国的铀浓缩工业实践都证明,老式的气体扩散法特别适合大规模生产武器级铀-235,它是目前最成熟的大规模分离铀同位素的方法,也是比较各种新方法效率的基本点。由于早期核电站用的低浓度铀多为核武器生产过程中产生的副产品,所以气体扩散法的成本过高问题可以忽略。气体扩散法工厂虽然耗能大,但可靠、耐用,这些投资巨大的工厂,除了满足美国和中国发展核武器的需要,而且还可以生产纯度20%左右的中等富集度铀燃料,这种铀燃料大规模应用于军用反应堆和实验型反应堆。

中国的情况与美国非常类似,中国只是由于近些年商业化的核电站大规模建设,必须考虑降低核燃料成本问题,才自主开发了拥有全部知识产权的气体离心机铀浓缩设备,主要用于生产纯度为3%的核电站燃料。2013年6月21日,中国中核集团在兰州铀浓缩基地宣布,经过多年研制,我国核工业关键技术——铀浓缩技术完全实现自主化,并跻身国际先进水平行列。这标志着我国成为继俄罗斯和欧洲等少数国家之后,自主掌握铀浓缩技术并成功实现工业化应用的国家。国产铀浓缩离心机技术所需的耗电量约相当于气体扩散法的1/25,综合成本约减少一半。

据已经解密的两弹一星回忆录记载,以及西方的推测,中国仅在上世纪80年代就能够年产1600公斤武器级核燃料。早在1987年中国就停止了武器级浓缩铀的生产,主要原因是我国独自掌握热核武器技术(世界上只有4个国家真正掌握氢弹技术:中国、美国、俄罗斯、法国),武器级的铀只用于制造引爆氢弹的核扳机。氢弹的核扳机只需要一两公斤武器级铀燃料就足够,实际需求量非常小,因此目前储备的武器级核燃料完全能满足我国有限核武库的需要量。

反观印度、伊朗等几个”低级“核国家,由于他们只拥有初级的原子弹技术,制造一枚原子弹所需的铀燃料高达十几公斤乃至数十公斤,所以相对来说,低级核国家的武器级铀燃料的需求量反而更大,这就是伊朗等国拥有上万台离心机的主要原因。


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