武器級鈈

按照國際原子能機構的規定，核彈原料鈾235或鈈239的純度達到92%-93%稱為武器級，

它們達到一定量即能引起核爆炸。一般認為，用達到武器級的鈈6-9千克、鈾12-16千克就可製造出核爆炸裝置。但有人認為，使用高技術手段，用1-3千克鈈、2.5-5千克鈾即可引起核爆炸。而且，稍有核常識的人都知道，鈈239含量較低的“反應堆級鈈”，經過核燃料後處理工廠的提純，就能成為高級的“武器級鈈”。

鈈，94號元素，放射性元素，是核工業的重要原料，可作為核燃料和核武器的裂變物質。 它開啓了核時代的潛力及其令人恐懼的特性。在冷戰時期，鈈的主要作用在於為形成核威懾基礎的熱核武器提供扳機。隨着核能的發展，鈈還成為在尋求幾乎無限電能中的一個必要組成部分。

發現 1940年3月，以西博格博士（GlennSeaborg）為首的研究小組在加州大學伯克利分校用60英寸迴旋加速器加速的氘核轟擊鈾238，獲得了鈈239（第106號元素後來以西博格命名，第97和98號元素分別以伯克利和加利福尼亞命名）。1941年3月5日，鈈被人工製備並分離出來，量僅僅只有0.25μg，為了製取鈈，1942年底人們在芝加哥大學那個著名的網球場，建設了第一座反應堆CP-1，當年12月2日，反應堆臨界（自持鏈式反應），人類第一次實現了受控核能的釋放，這一成果使得杜邦公司最終一1美元的利潤承擔曼哈頓工程裏的鈈生產。1943年11月，橡樹嶺，實驗堆X10達到臨界，生產出以克計的鈈供材料研究，在此之前科學家使用的是嵌在有機玻璃裏的不到50μg的鈈。

但是即使是微克級別的樣品以及使得科學家意識到鈈是這個星球上最最複雜的金屬，鈈擁有七種金相結構，並且在很窄的温度範圍內，也就是説，只要一點刺激，鈈金屬的密度變化可高達25%。它可以像玻璃一樣脆，也可以擁有像鋁一樣的延展性，當鈈凝固時，它的體積會膨脹——就如水凍成冰；鈈是活潑的金屬，新加工鈈的銀光閃閃的表面會在數分鐘內失去光澤，鈈的粉末劇毒而且極易自燃，鈈在空氣中的強烈反應和在溶液中的強還原反應將在環境和化學過程中形成多級化合物和螯合物。鈈會通過放射性衰變而發生變化，使其晶格遭到破壞，並生成氦，鎇，鈾，鎿和其它雜質，並且釋放出熱。

但是正如前面所講，1941年人們才少量製造出這種複雜的金屬，到1945年這種金屬就在長崎帶來毀滅。這是理論科學，實驗科學和工程技術最完美的結合產物，在開建橡樹嶺的實驗堆的同時，在美國西部的漢福德工廠，第一座生產堆開工了，第一座堆裝載200噸天然鈾，1200噸石墨，每秒鐘需要5噸冷卻水。隨後隨着生產堆的建設，1945年漢福德工廠每個月可以生產出超過10公斤的鈈。美國人後來又建設了重水堆工廠，這具備更高的效率。

生產

我們知道鈾在自然界至少存在着三種同位素形式，質量數分別為234（0.0055%），235（0.720%）和238（99.274%），括號裏是天然鈾的質量分數。能直接用於裂變能的，主要是鈾-235。在自然界只有U235一種易裂變核素，其他的兩種鈈239和鈾233都是由可轉換的核材料鈾238和釷232而來。對於鈾233由於不可避免的在轉換過程中產生帶有強γ射線字體的鈾232，所以無論核武器還是核電一直沒有得到廣泛使用。U238吸收一箇中子，再經過兩次β衰變，可以得到鈈239。其實對於U238，足夠快(能量足夠高，1.1MeV)的中子也可以可以引起裂變，但是無論對於反應堆還是核武器這都不夠，能量越低的中子與裂變物質作用截面大，泄漏的也越少，在反應堆裏我們可以將中子慢化，而在核武器裏我們需要高純度的易裂變的U235或者鈈239.

這個中子從哪裏來，在所有的中子源中，可以穩定，大通量的中子源只有反應堆，而且U235在U238在天然鈾裏頭都有，只要我們建設使用天然鈾達到臨界的反應堆，讓燃料在其中停留恰當的時間接受輻照我們就可以得到鈈。

注意三點：反應堆，使用天然鈾，合適的燃燒程度。

重水和石墨的意義

雖然反應堆的技術很複雜，但反應堆對於很多國家而言已經不是什麼門檻了，核電站是人類第三大的電能來源，生產堆和動力堆的原理都是一致的。不過能夠建設基於動力堆的核電站的國家不代表可以擁有生產堆，因為燒天然鈾的生產堆使用的慢化劑是特殊的：重水或者核級石墨。這兩種物質除了慢化能力之外，中子吸收很少，相比之下輕水堆裏的普通水雖然慢化能力很強，但是由於吸收中子，鈾235富集度要達到3%才可以達到臨界。同樣符合要求的還有鈹，只是太昂貴而被放棄，鈹在核工業中同樣重要，它是核武器的中子反射層和主要的中子源成分之一。

重水（heavywater）（氧化氘）是由氘和氧組成的化合物。分子式D2O，分子量20.0275，比普通水（H2O）的分子量18.0153高出約11%，因此叫做重水。在天然水中，重水的含量約佔0.015%。

重水的工業分離能力是受到國際原子能機構的嚴格監督的，生產重水的主要幾種方法：化學交換法，精餾法，電解法所需的設備都是嚴格管制的。重水分離的成本很高，幾乎相對於同樣質量的茅台酒，所以重水生產堆中的重水必須防止泄漏和稀釋。重水吸收中子會產生有放射性的氚，輻射還會分解重水產生氘和氧，為了減少輻射和防止混合氣體爆炸需要專門的設備分離氚和複合氘與氧。

同樣核級石墨也是極為特殊的石墨，要求其中的雜質極小，因為雜質會吸收寶貴的中子，影響反應堆的後備反應性，甚至不能臨界，主要吸收中子的雜質摺合成硼當量不能超過萬分之五。而且石墨晶格上的原子在快中子的轟擊下會被擊出造成結構損傷並在石墨中澱積能量，石墨生產堆需要進行退火。如果退火不當，石墨的温度會飆升至1000℃，燒燬堆內元件，反應堆報廢，英國人的windscalel1號堆就是例子。

燃耗

除卻反應堆本身，另一個重要的問題是核燃料在反應堆中接受輻照和燃燒的程度。當停留的時間過長是，鈈的總產量上升，但是Pu的另一種同位素Pu240會產生，鈈240的衰變方式中包括自發裂變，背景中子高，會造成核武器的早炸，達不到設計當量或者僅僅成為髒彈，而分離鈈239和鈈240，其難度比分離U235和U238更大。

在反應堆中一般使用燃耗（每噸燃料釋放的能量，單位MW·d/t，實際上約等於消耗的鈾質量（克）的1.05倍）來表示核反應消耗燃料的程度。對於生產堆燃耗大約為200到400MWd/t，而動力堆高達數十萬MWd/t，使用天然鈾的重水堆電廠的平均燃耗也在7000MWd/t以上。實際上，除了燃耗的限制，為了減少共振吸收導致的Pu240的產生，生產堆的温度比較低，基本不能指望用來經濟的發電，如果發電熱效率只有可憐的20%，比動力堆的一半強一點。通常生產堆中的轉化率只有0.8左右，也就是每消耗1個U235原子核，生成0.8個鈈239原子核。其間還消耗了1.6-2個U238原子核。

由於反應堆中子通量和反應堆功率的關係，生產堆的熱功率和其生產能力是成正比的，一個熱功率為40兆瓦的重水堆，如果設備利用率為50%～70%，可生產6.6～10.5千克武器級鈈。生產堆可以通過輻照鋰6靶件生產氚，但是降低鈈的生產能力，從反應消耗的中子來看，1mol中子可以產生239克鈈或者3克氚。

由於燃料燃耗低，所以需要進行頻繁的裝料卸料，這是國際原子能機構監視的重點之一。至於動力堆，由於其燃耗很深，生產出的反應堆級鈈含有大量的鈈240和鈈241，設計成核武器的難度要難得多，對於沒有核爆經驗的國家而已很難達成，他們不可能獲得相關的模擬所需的數據。小日本出於能源需求囤積的反應堆級鈈有幾百噸，但是僅能用於增值堆裝料，或者混合入濃縮鈾中作為普通反應堆的裝料，用來造核武器它必須另開工廠，或者將鈾濃縮工廠的級聯設備重新級聯來進行濃縮鈾。

後處理

生產堆建設運行之後，生產出合適燃耗的燃料元件，這些元件初始放射性極強，經過半年左右的冷卻之後，其中短壽命的裂變產物衰變，放射性降低，再對其進行後處理。後處理是一個複雜的放射化學過程，一般採用普雷克斯流程，鋁殼或者鋯殼的燃料元件脱殼之後溶解在硝酸之中，然後進行調價調酸，利用磷酸三丁酯(TBP)對鈾、鈈和裂變產物的萃取能力的差別，通過多級萃取可使鈾、鈈和裂變產物相分離。又利用TBP對三價鈈萃取能力很小，利用這一性質可以分離鈾、鈈。為了提高鈾鈈的回收率，需要多個萃取循環。

由於整個過程是在溶液中進行的，除了對放射性的防護採取遙控設備和封閉熱室之外，還需要防止由於水的存在導致臨界，臨界意味着極強的放射性污染和危險，甚至導致人員傷亡。所有的管道和容器都要從幾何形狀上進行限制，並且增加吸收中子的材料。這些防止臨界的設計和所使用萃取設備同樣是嚴格管制的。

就後處理技術本身而言，有助於提高對鈾資源的利用率，減少核廢料數量，但是高放廢液的儲存是比較困難的問題。

在核燃料的溶解過程中，某些惰性氣體會不可避免的進入大氣，其他國家和國際原子能機構通過對其中同位素的微量差別可以估算其燃耗，然後就可以判斷是否是出於鈈生產目的進行的後處理。

獲得鈈鹽之後鈈被還原為金屬，最後鈈以鈈鎵（3%左右）合金形成常温下穩定的δ相，這種合金加工性能類似純鋁，用於核武器。鈈一般在乾燥惰性氣體氣氛中進行儲存和加工，加工過程中，對劇毒的鈈粉塵和防止自燃的防護是極為必要的。鈈一旦進入人體很難排除，以內照射的形式造成嚴重的輻射損傷，或者導致癌症。

鈈的臨界質量要小於鈾，對於一個裸的金屬球，武器級鈾235的臨界質量為52.25千克,武器級鈈239為16.45千克。實際上使用中子反射層和內爆壓縮，核武器所需的鈈大約在2～4kg，但是鈈239中鈈240的存在不可避免，鈈彈必須使用複雜的內爆設計。為了提高核材料利用率,產生更大的爆炸威力，並且放寬對鈈239中鈈240的限制（美國軍用核武器的限制是小於6%）往往採用高濃縮鈾和武器鈈的混合彈芯。鈈的放射性強於鈾，所以鈈芯的老化是一個比較嚴重的問題，一公斤鈈-239每50年產生0.2升氦以及其他副產物，所以鈈彈芯的核彈儲存時間較長之後要進行可靠性評估甚至重新翻新。