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制造原子彈的關鍵技術:反應堆生產钚-239

文章來源:經福謙   時間:2011-10-28 9:37:00 訪問數:

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(1) 反應堆輻照

    核反應堆既可作為科學研究裝置,也可作為一種生產設備。有動力堆,有生產堆。核反應堆工作原理如圖3.11所示。

    反應堆里裂變放出的中子,經過減速劑降低能量變成慢中子。這些慢中子,有的與鈾-235發生裂變,釋放大量能量和繼續放出中子;有的則被鈾-238俘獲而生成超鈾元素。鎘是專門吸收中子的,控制棒插入深,被吸收的中子多,參加反應的中子就少,裂變功率降低;反之,裂變功率就提高。監測反應堆功率,適當調節控制棒的深淺,就可保證反應堆安全運行。

圖3.11	核反應堆工作原理示意圖

3.11    核反應堆工作原理示意圖

    建造反應堆是一項復雜的工程,它涉及核物理、中子物理、熱工學、放射性防護和放射性廢物處理等學科。由于核能的廣泛應用,需要建造各式各樣的核反應堆,因此在大學里專門設置有“反應堆工程”專業。圖3.12是熱中子增殖堆容器剖面圖,它是反應堆的核心部分。

圖3.12	熱中子增殖堆容器剖面圖

3.12    熱中子增殖堆容器剖面圖

    一個鈾-238原子核,俘獲一個中子變成鈾-239。在幾天中,鈾-239自發地經過兩次b衰變變為钚-239

n + 238U ® 239U + g

239U ® 239Np + e- + n     (半衰期24分)

239Np ® 239Pu + e- + n    (半衰期2.35天)

    钚-239是個高度可裂變的同位素。1940年在美國發現了這種元素后,他們很快建造了生產钚的反應堆,用于制造原子彈。

    把金屬鈾放在反應堆中照射后,產生的同位素經過化學方法分離出钚-239。這種化學分離方法,比物理方法分離鈾-235要容易些。化學分離過程必須在兩種非常困難的條件下進行:

①即使是極少量(幾克)的钚,也必須從幾噸重的鈾燃料棒中分離出來。

②钚的毒性極大,必須注意防護。

(2) 輻照冷卻期

    當反應堆中的鈾-238經過足夠時間的照射,生成相當數量的钚-239后,將輻照過的燃料元件從反應堆內取出,并放入水中貯存24個月。在此期間,強放射性的裂變產物經衰變后,其放射性大大減弱;與此同時,早先由鈾-238形成的镎-239,也大多轉變成钚-239。這段貯存期稱為冷卻期。

(3) 分離钚-239

    采用化學方法。輻照燃料經過冷卻后,可用若干不同的方法將钚與鈾和裂變產物分離開。化學方法是通常用于大規模生產的方法。钚能以幾種不同的氧化態或化學價態存在,而且在某些化合價時其化學性質與鈾的完全不同。根據這一特點,預先配制一種溶液,使其中钚和鈾具有不同的氧化態和不同的化學性質。然后選擇沉淀法或溶劑萃取法便可以相當容易地分離出钚。常用磷酸三丁脂(簡稱TBP)煤油作溶劑。它們的反應式如下:

制造原子彈的關鍵技術:反應堆生產钚-239

    反應式中,硝酸溶液稱水相,TBP稱有機相。反應生成的溶劑化合物UO2 (NO3)2 · 2TBPPu(NO3)4 · 2TBP溶于有機溶劑而不溶于水。溶劑中,鈾主要以六價鈾酰離子的形式存在,而钚大部分以正四價钚離子存在。萃取過程如圖3.13所示。

圖3.13	溶劑萃取過程

3.13    溶劑萃取過程

    在萃取前,一層是TBP-煤油有機相,另一層是含鈾、钚和裂變產物的硝酸水溶液,即水相。將這兩相充分混合接觸,再放置一段時間,又將分成兩層。這時有機相中主要含有鈾、钚,而裂變產物則大部分留在水相中。這樣第一步實現了鈾、钚與裂變產物的分離。

    第二步實行反萃取。即將含有鈾和钚的有機溶液與稀硝酸充分混合接觸,大部分鈾和钚將重新轉移到水中。

    萃取是一個動平衡過程。物質在互不相溶的兩相液體中達到萃取平衡時,它在有機相中的濃度與在水相中的濃度的比值,叫做分配系數。分配系數表示被萃取物進入有機相的能力,分配系數越大,表示它進入有機相的部分越多,留在水相的越少。某物質分配系數的大小,除與本身性質和萃取劑的性質有關外,還與萃取體系的其他條件有關,其中包括平衡時該物質在水相或有機相中的濃度、萃取劑的濃度和飽和度、水相酸堿度、其他物質的濃度以及溫度等等。

    配制合適的萃取劑,使得從鈾钚硝酸溶液中萃取钚時,钚的分配系數高于鈾的分配系數,可以達到濃縮钚的目的。這樣一步一步地反復進行萃取,就實現了鈾與钚的分離。

    除了化學分離法,還有離子交換法,即用離子交換樹脂從稀釋的水溶液中將钚吸附,使钚與鈾和裂變產物分離。

    還有高溫冶金法,包括蒸餾、熔融金屬萃取和熔鹽萃取等方法。

(4) 還原成金屬

    分離出來的钚大多數是一種钚鹽,必須經過處理以便獲得金屬形式的钚。例如將四氟化钚和還原劑(如金屬鈣)預先混合,然后在高壓爐中加熱,就可把四氟化钚還原成金屬钚。還原后,再經過酸洗,除去雜質,即得到清潔的钚金屬鈕(象鈕扣樣的金屬小塊)。這些金屬钚就可進行熔融、鑄造,以及機械加工了。

    圖3.14是钚的生產流程圖:

圖3.14	钚生產流程圖

3.14    钚生產流程圖

    反應堆可以生產多種核材料。鈾-233也是一種很好的裂變燃料。生產鈾-233的過程,是把氧化釷放在反應堆中照射,生成釷-233。釷-233經過兩次b衰變,變成鈾-233。同樣用化學方法把照射產物中的鈾-233分離出來。鈾-233吸收一個中子變成偶數核,裂變勢壘比較低,因此可以用于制作原子彈和反應堆元件。其化學分離工藝與上相同,只不過要選擇和配制不同的萃取溶劑而已。


   本文摘自《揭開核武器神秘面紗》

   經福謙 陳俊祥 華欣生著

   清華大學出版社 暨南大學出版社

   出版時間:2002年7月

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