日本的沸水堆可以造核弹原料么?

最近网上有阴谋论说,日本造这些技术老旧的沸水堆就是为了造点核弹原料。 但是,以我浅薄的物理知识,只知道重水堆可用来制造核弹原料。 请果壳网友求证。

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2011-03-19 19:04

日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗?

作者:@沐右

2011年3月11日发生的9.0级的大地震和引发的海啸给日本人民造成了巨大的损失,而随后发生的福岛核电站的事故也让包括中国美国在内的周边国家民众遭受了一把核辐射的心理冲击:在中国引发了碘盐的抢购,在美国则引起了碘片的脱销。同时,关于日本“核野心”的各种说法又在网络上传播。那么,日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗?

链式反应——核电站、核武器的基础


铀235的链式反应示意图(来自这里

一些放射性元素(比如铀235)可以发生核裂变反应:一个原子核在中子的轰击下会分成两个或者多个部分,变成轻一些的其它元素,同时放出大量的能量。我们可以利用这一反应来发电,这样的发电厂就是核电站。核裂变发电是当今世界上非常重要的一种新能源。尽管公众对核电站的安全性有所疑虑,核能发电实际上是目前最安全、最清洁的主要能量来源[1],从统计数据来看,它比火电、水电发生致命事故的可能性要小得多;核电也是一种很清洁的能量来源,发电过程中没有碳排放,对公众造成的核辐射也比火电小的多(煤里面含有铀等放射性元素,火电和核电的比较参考阅读)。

一个铀235原子核发生裂变反应的同时,一般会放出2-3个中子,这些中子可以轰击其他的铀235原子核,使他们发生裂变反应,这个过程叫做链式反应。如果使用的是高纯度的铀235,并且质量超过一定的值(临界质量),那么发生核裂变反应的原子会越来越多,在极短的时间内,整块材料都会发生裂变反应并放出巨大的能量,产生威力巨大的爆炸,这就是原子弹的原理。核电站使用的燃料浓度要低的多,一般用的是含有4%铀235的二氧化铀,其他96%的都是不能直接发生核裂变反应的铀238。值得一提的是,由于浓度较低,即使失去控制,核电站也不会发生原子弹那样剧烈的爆炸。

常用可以发生核裂变反应的物质一般有两种,铀235和钚239。现实中的原子弹都是由这两种做成的。另外铀233也是一种可以发生核裂变反应的材料,不过由于一些原因,这种物质并不太可能作为原子弹的材料,迄今为止世界上也基本没有用铀233制造的原子弹。

浓缩铀的生产和拥有

自然界的铀矿里主要有两种铀同位素,其中99.3%都是铀238,铀235的含量只有0.7%。因此,开采出来的铀里面铀235只占0.7%,需要通过一些手段才能提高到核燃料或者原子弹所需的浓度。

由于铀235和铀238是同一种化学元素,它们的化学性质几乎完全一样,一般来说很难通过化学的方法区分开来从而达到提纯铀235的目的。只能利用原子质量的微小不同,用物理方法分离[2]。通常采用的方法里,一种是气体扩散法,将铀转化为六氟化铀气体,然后让它通过一系列的微孔筛膜,由于铀235的质量稍微小一些,它将会扩散的稍微快一些。将很多扩散分离机串联起来就可以逐级提高铀235的浓度。由于需要不断地重复分离工作,这个方法会消耗很多的能量[3]。另外一种方法是气体离心法,通过离心力将六氟化铀气体中的两种同位素分开,虽然仍需要多级串联,但是消耗的能量要比气体扩散法小的多[4]。

经过浓缩的铀一般有两种形式,用于核电站核燃料的低浓缩铀(LEU,含约4%的铀235,一般低于20%)和用于原子弹的高浓缩铀(HEU,含20%以上的铀235)。用于制造原子弹的武器级高浓缩铀含有85%以上的铀235,但是实际上20%的浓度就可以用于制造原子弹了[5,6]。


日本核燃料株式会社(JNFL)历年生产的浓缩铀(六氟化铀,单位:吨)

要获得制造原子弹的铀235浓度,需要大量的扩散分离机或者真空高速离心机串联,这样需要很大规模的厂房,消耗巨大的能量,这很容易被国际组织或者他国的情报机构发现。对于某些国家(比如伊朗)来说,在这个阶段就有可能被国际社会阻止;而对于日本来说不是这样。不提二战时候的原子弹研制和浓缩铀的生产,日本从1979年开始生产铀浓缩,如上图所示,日本核燃料株式会社(JNFL)从1992年开始每年能够生产数十到近两百吨铀235核燃料[4],2000年之后的产量比较低。同时,日本还致力于开发新式的物理、化学铀分离技术[7,8]。应该说,日本完全有生产武器级高浓缩铀的能力。

虽说日本的核能应用是受国际原子能机构监督的,不过并非所有的铀浓缩生产都是处于监督之下[9]。因此,我们尚不能断言日本没有生产武器级高浓缩铀。根据NTI(The Nuclear Threat Initiative)的数据,日本从美国和英国进口了一些高浓缩铀用于研究使用高浓缩铀的核反应堆,扣除据信已经用掉的部分,2009年的时候,这些高浓缩铀估计还有1970千克[10]。从这些数据来说,日本或许确实拥有充足的高浓缩铀。

钚的生产和问题


核电站里低浓缩铀的反应示意图(来自世界核能协会[11])

在自然界里面,钚的含量极少,我们所利用的钚都是通过核反应制造的。核电站里使用的核燃料,在铀235不断发生核裂变反应放出能量的同时,铀238会捕获一个中子成为铀239(半衰期23.45分钟),经过β衰变成为镎239(半衰期2.35天)再变成钚239。如上图所示,含有4%铀235的低浓缩铀核燃料在发电的过程中就有大约3%的铀238转变成钚239,这些钚239里一部分会参与到核裂变反应中去。实际上,使用低浓缩铀的核反应堆发的电里面,三分之一都是由生成的钚239提供的[12]。从图中可以看到,核燃料从反应堆里取出之后(称为乏材料),里面仍然含有少量的钚239和铀235,还有一定量的核裂变产物。这些核裂变产物会不断衰变放出很多的热能和辐射,因此从反应堆里取出的燃料棒要放在临近反应堆的冷却池中,用水去吸收它们放出的热能,屏蔽它们的辐射,直到数月或者数年后才能进行后续处理。


核电站里MOX燃料的反应示意图(来自世界核能协会[11])

自然界里面的铀总量是有限的。如果按照上面的使用方法,那么能够利用的只有铀235和少量的铀238。据估计按照目前的使用量,估计只能够用约100年[13]。核电站里取出的乏材料中,还含有少量的钚239和铀235,如果能把这一部分提取出来,重复利用,那么就可以延长核能的使用时间。利用从乏材料提取出来的这两种元素和铀238混合,就可以做成混合氧化物核燃料,再用于核电厂发电。和一般的低浓缩铀核燃料比较,混合氧化物燃料只是将铀235的氧化物换成了钚239的氧化物而已。数十年来,日本的大部分乏材料都是运到英国或者法国去处理的[14]。日本也有自己的乏材料处理厂,比如曾于1999年发生4级核事故的东海村核燃料处理厂可以每年处理130吨乏材料[14,15];2006年开始试运行的六所村核燃料处理厂可以每年处理800吨的乏材料,相当于每年可以生产8吨钚[16]。

不过,这样获得的钚239有个问题。在核反应堆里面,新生成的钚239还会继续吸收中子形成钚240,这样最终提取出来的钚里面会含有相当量的钚240(还会含有一定的钚238、钚241、钚242等等),而钚240会发生自发的裂变反应,放出中子并释放能量。它的存在不会影响制成的MOX燃料在核电站里的工作,但如果要拿来制造原子弹,如果钚240的含量比较高,则会放出大量的辐射伤害己方的士兵,并有可能导致原子弹不稳定 [12,17]。一般在核武器里面,钚240的含量应该低于8%[12]。如果在核燃料棒放入反应堆之后两三个月内取出,则钚240的量相对较少,不会出现这个问题。虽说日本的核能应用是处于国际原子能机构监管下的[17],对燃料棒的异常应有一定的监督,然而从近期日本核事件的过程中看,国际原子能机构对核电站的详细情况并不完全了解,和日本官方的交流也不是非常顺畅,并不能完全排除日本在核能应用中生产钚239的可能性。

不过,通过MOX来获取钚239效率并不高。更有效的方法是快中子反应堆,一方面可以将大量的铀238转化成核燃料来供应能源,一方面可以大量制造钚239。日本在福井县就建设有快中子增殖反应堆“文殊”号,其于1994年进入临界状态之后,于1995年发生冷却系统液态钠泄漏酿成大火,被迫关闭[18]。据估计,日本拥有数吨武器级钚 [19,20]。

值得一提的是,冷战结束之后,俄罗斯和美国都在削减他们的核武器总数。按照世界核能协会的资料[21],根据俄罗斯和美国在1994年签订的协议,500吨来自前苏联核武器的武器级高浓缩铀(相当于约两万枚原子弹)会被两国的核电公司用含铀235约1.5%的铀稀释成可供发电的核燃料;美国也将自己的数十吨武器级高浓缩铀转化成了核燃料。而两国在2000年达成协议,各自将会把34吨的武器级钚转化成为混合氧化物核燃料。现在的混合氧化物核燃料的一部分就来自于美国和俄罗斯消减的核武器里面的钚,这也是混合氧化物核燃料的一个重要利用。据统计,销毁的苏联的核弹头在美国的核电站里为美国提供了约10%的电能[22]。

日本离原子弹有多远?

没有人会怀疑日本有没有制造原子弹的技术力量。二战期间日本就曾经试图研制原子弹[23],现在拥有很多核电站的日本有先进的核处理技术和充足的核技术人才,从技术上讲日本在获取原子弹上没有任何难度。关键问题其实在于处于美国核保护伞之下的日本,有没有决心和动机去制造原子弹。客观来说,中国、美国还有其他周边国家都不会容许日本拥有原子弹,但是日本的右翼势力也在不断地发表各种言论,对于他们来说,有试图获取原子弹想法也是正常的。讨论这个问题的话,需要对历史和时局有很强的把握,而且不同人给出的结果也不尽相同,毕竟这是个和个人立场联系比较紧的问题。


因特网上可以轻易查到的原子弹结构图(来自维基百科原子弹页面)

实际上原子弹的制造并不是一件特别复杂的事情,原子弹的简单结构图很容易获得(如上图所示),关键在于获得充足的高纯度可以发生核裂变的物质。一旦获得了高纯度的核裂变材料,知晓这种材料的临界质量(可以通过核物理参数计算),生产原子弹就纯粹是个技术问题。

对于有些国家和(恐怖)组织来说,获得大量用于提纯的原料会是个比较大的问题(比如五十年代刚开始研制原子弹的中国,参见《中国第一颗原子弹制造纪实:596秘史》[24])。而日本有从海外购买的大量核原料储备,有众多的核电站里面需要的核燃料,这并不是一个问题。说起来,使用MOX的核电站并不是攒钚造核弹的关键环节,相比起来,浓缩铀工厂有可能提供高浓缩铀,而快中子堆和核废料处理厂可以提供大量的优质钚,日本在获取这两种制造原子弹的物质上并没有问题。

正如@空错《日本地震原是核试验?》里面介绍的那样,通过对地震波的分析能够准确地判断出一个地震是否是由核试验引起的,日本不可能瞒过国际社会而进行核试验。通常,日本和德国都被认为是“准核国家”,即拥有材料和技术,离核武器只有一步之遥,是否拥有核武器完全依赖于拥有核武器的决心和动机。日本可能只需要拧上几个螺丝就能成为有核国家[19,20],对日本可能的核威胁,我们也需有所准备。

(应作者要求,本文于2011年3月31日做了少量修改。)

参考资料

[1] 世界核能协会:Safty of Nuclear Power Reactors
[2] 维基百科:气体扩散法
[3] 维基百科:气体离心法
[4] 日本核燃料株式会社网站
[5] 世界核能协会:Conversion and Enrichment
[6] 维基百科:浓缩铀
[7] Institute for Energy and Environmental Research, “Uranium Enrichment: Just Plain Facts to Fuel an Informal Debate on Nuclear Proliferation and Nuclear Power”
[8] 维基百科:日本核研究
[9] 参见[7]里面的EndNote[94]:As of December 31, 2003, IAEA listed two sites in Japan under its Safeguards. They are: “Uranium Enrichment Plant” in Tomata-gun, Okayama-ken and “Rokkasho Enrichment Plant” in Kamikita-gun, Aomori-ken (IAEA Annual Report 2003, Table A24)
[10] NTI Database, HEU: Japan
[11] 世界核能协会:Mixed Oxide Fuel
[12] 世界核能协会:钚
[13] 维基百科:铀
[14] 世界核能协会:Japanese Waste and MOX Shipments From Europe
[15] 维基百科:Tokaimura nuclear accident
[16] 维基百科:Rokkasho Reprocessing Plant
[17] 网易:日本核危机与核武制造无关
[18] 中国日报:日本拟重启曾因泄漏关闭的核反应堆
[19] 维基百科:Japanese nuclear weapon program
[20] Brumfiel, Geoff (November 2004). "Nuclear proliferation special: We have the technology". Nature: International Weekly Journal of Science. 432-437 432 (7016): 432–7.
[21] 世界核能协会:Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel
[22] Power and Energy:Old Russian nukes for US electricity
[23] 维基百科:日本的原子弹计划
[24] 梁东元,湖北人民出版社,《中国第一颗原子弹制造纪实:596秘史》

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nasdaq软件工程师,小众软件爱好者

2011-03-19 19:35

理论上来说是可以制造核弹的. 但是这些技术老旧的沸水堆是40年前造的. 在当时来说是相当先进的.
为什么采用钚
以下有详细解释
http://www.guokr.com/ask/item/13132/

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采用钚是为了更充分的利用U238,不是为了提取什么所谓核原料,反应堆用的燃料棒不就是核原料吗,不过日本一直都被认为是具有制造核武器的技术以及实力的

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icombmw电子、化学达人,土建爱好者

2011-04-01 17:32

日本大量制造和储存武器级钚已经是半公开的秘密了。

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有没有核武器已经不是最重要的问题,在现在这个世界。都有了也许等于都没有。我这话可能说的 不太负责任。主要是要了解这次的地震和核试验有没有关系。世界上有核武器的国家已经很多了,朝鲜为什么不发生地震?伊朗怎么没发生地震?美国想制裁他们我想不是空穴来风。地下核试验真的是躲避CTBT追查的唯一途径?

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核武器不需要试验么?美帝苏修英法中的上千次核试验情何以堪啊

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其实吧,对于一门心思要办成一件事情的人来说,只要既有死心眼又有保护伞,终究还是能够做成的,更不要说像日本这种整体死心眼,又有美国罩着的国家了~~
PS:有没有并不重要,能不能也不重要,关键是敢不敢~~

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福岛的沸水堆根本不可能用MOX燃料。铀235裂变需要慢中子的轰击才能发生。所以反应堆需要用重水、轻水或者石墨作为中子减速剂将快中子减速成慢中子,换言之,沸水堆(重水堆和石墨堆)都是使用铀燃料;钚239裂变需要快中子轰击发生,所以采用金属钠作为冷却剂和工作介质,因为金属钠不会减慢中子的速度。一旦你把MOX燃料放到福岛的沸水堆里,由于中子都被水减速了,钚239不能产生裂变,只有微量的钚240自然衰变产生极少量的热,反应堆根本无法工作。说福岛使用MOX的人根本不了解基本的核物理常识。

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偶觉得肯定有,日本大和民族本身就是个残忍的民族~~

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