核武器反应：裂变材料基础知识

什么是裂变材料？
裂变材料由原子组成，这些原子可以在自我维持的链式反应中被中子分裂，从而释放出巨大的能量。在核反应堆中，裂变过程受到控制，能量被用来发电。在核武器中，裂变能量被一次性释放出来，产生剧烈的爆炸。用于核能和核武器的最重要的裂变材料是钚的同位素钚 239 和铀的同位素铀 235。铀 235 存在于自然界中。出于所有实际目的，钚 239 不会。

什么是钚 239？
Plutonium-239（以下简称“钚”）是一种重元素，由 94 个质子和 145 个中子组成。它可以有多种化学形式。核武器使用钚金属。二氧化钚被用作某些核燃料的成分。钚的半衰期超过 24,000 年（半衰期是给定量的放射性物质的一半衰变为其他元素所需的时间）。

钚是如何制造的？
获得钚需要两个关键设施。首先，在核反应堆中，铀 238 吸收一个中子。这导致将其转化为钚的核反应。钚最终与未使用的铀和高放射性裂变产物一起进入废核燃料。基本上世界上所有的核反应堆都以这种方式生产钚，但乏燃料中的钚不能用于核能或核武器。为了将钚转化为可用形式，需要第二个关键设施，即后处理厂，以化学方式从乏燃料中的其他材料中分离出钚。后处理通常被认为是民用核电能力和核武器生产能力之间的关键环节之一（另一个是铀浓缩——见下文）。

钚有什么用？
一旦钚被分离出来，它就可以被加工成核武器的裂变核心，称为“坑”。核武器通常需要三到五公斤钚。钚也可以转化为氧化物并与二氧化铀混合形成用于核反应堆的混合氧化物 (MOX) 燃料。

截至 1995 年，全球军用库存中大约有 270 公吨分离钚，民用库存中大约有 180 公吨分离钚。

钚在哪里生产？
英国、法国、俄罗斯、印度、日本、以色列和中国经营后处理厂以获得钚（后两个仅用于军事目的）。西欧其他国家拥有在英国和/或法国分离的钚。朝鲜还经营着一家后处理厂。

在美国，核武器的后处理发生在华盛顿州的汉福德保留地和南卡罗来纳州的萨凡纳河遗址。1966 年至 1972 年间，纽约西谷也进行了一些民用和军用后处理。美国钚生产反应堆于 1988 年关闭，停止用于军事目的的后处理在 1992 年 7 月被写入正式政策。美国因其扩散危险不支持后处理，但在实践中美国一直选择性地反对后处理其他国家

什么是高浓缩铀？
另一种用于核武器的重要裂变材料是高浓缩铀 (HEU)，通常定义为铀的可裂变同位素铀 235 的比例已增加到 90% 以上。从地球上开采出来的天然铀，含有约0.7%的铀235（U-235）和约99.3%的铀238（U-238），浓缩就是提高U-235与U的比例的过程-238。铀235的半衰期为7.04亿年，而U-238的半衰期约为45亿年。

值得注意的是，大多数核反应堆都使用低浓铀 (LEU)，通常是 3%-5% 的铀 235。LEU 不能用于核武器。

高浓缩铀是怎样炼成的？
传统上，铀是从地下和露天矿山中提取的。这种天然铀经过加工然后浓缩。已经开发了许多技术来浓缩铀，例如气体扩散、离心机和电磁分离。所有这些技术都需要大量的初始投资和大量的能源才能运行。

HEU 是做什么用的？
HEU 最初是为核武器开发的。它可以与钚结合形成“核”，即核武器的核心，也可以单独用作核炸药。投在广岛的原子弹只使用了 HEU。大约 15-20 公斤的 HEU 足以制造不含钚的炸弹。

HEU 也有非武器用途。它被用作研究反应堆和为某些海军舰艇提供动力的核反应堆的燃料。

全世界为军事目的生产了大约 2300 公吨 HEU——主要是美国和苏联。全球研究反应堆已使用约 20 公吨 HEU。

HEU 在哪里生产？
理论上，任何浓缩工厂都可以生产 HEU。一些国家运营浓缩工厂为核反应堆生产低浓铀，但并非所有这些国家都使用其工厂生产高浓缩铀。国际原子能机构是一个联合国机构，负责确保来自民用核计划的铀不会仅在签署《不扩散条约》的无核武器国家被转用于武器用途。HEU 在美国田纳西州橡树岭和俄亥俄州朴茨茅斯生产。美国不再生产 HEU。它继续使用其库存中的高浓缩铀用于研究反应堆和海军推进。