制造原子弹的关键技术

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1、制造原子弹的关键技术：反应堆生产W-239(1)反应堆辐照核反应堆既可作为科学研究装置，也可作为一种生产设备。有动力堆，有牛产堆。核反应堆工作原理如图3.11所示。反应堆里裂变放出的屮了，经过减速剂降低能量变成慢中子。这些慢屮了，有的与铀・235发生裂变，释放大量能量和继续放出中子；有的则被铀-238俘获而生成超铀元素。镉是专门吸收屮子的，控制棒插入深，被吸收的屮了多，参加反应的屮了•就少，裂变功率降低；反之，裂变功率就提周。监测反应堆功率，适当调节控制棒的深浅，就可保证反应堆安全运行。铀燃料棒减速剂铀核裂变图3.11核反应堆工作原理

2、示意图建造反应堆是一项复杂的工程，它涉及核物理、中子物理、热工学、放射性防护和放射性废物处理筹学科。山于核能的广泛应用，需要建造各式各样的核反应堆，因此在大学里专门设置有“反应堆工程”专业。图3.12是热中子增殖堆容器剖面图，它是反应堆的核心部分。控制棒耐压吝务减速剂进水口_蒸汽出口Idy图3.12热中子增殖堆容器剖血图一个铀-238原子核，俘获一个中子变成铀-2390在几天中，铀-239自发地经过两次卩衰变变为钎-239。n+238UT239U+y239U->239Np+e-+V（半衰期24分）239Np->239Pu+e-+V（半

3、衰期2.35天）倂-239是个高度可裂变的同位素。1940年在美国发现了这种元素后，他们很快建造了牛产钎的反应堆，川于制造原子弹。把金属铀放在反应堆屮照射后，产生的同位素经过化学方法分离出^-239o这种化学分离方法,比物理方法分离铀・235要容易些。化学分离过程必须在两种非常困难的条件下进彳了：①即使是极少量（儿克）的仰，也必须从儿吨重的铀燃料棒中分离出來。②钵的毒性极犬，必须注意防护。（2）辐照冷却期当反应堆中的铀-238经过足够时间的照射，牛成相当数量的钵・239后，将辐照过的燃料元件从反应堆内取出，并放入水中贮存2〜4个月。在

4、此期间，强放射性的裂变产物经衰变后,其放射性大大减弱；与此同时，早先市铀・238形成的if-239,也大多转变成钎・239。这段贮存期称为冷却期。⑶分离莎239采川化学方法。辐照燃料经过冷却后，可用若干不同的方法将钎为铀和裂变产物分离开。化学方法是通常用于人规模生产的方法。钎能以儿种不同的氧化态或化学价态存在，而且在某些化合价时其化学性质与铀的完全不同。根据这一特点，预先配制一种溶液，使其中杯和铀具有不同的氧化态和不同的化学性质。然后选择沉淀法或溶剂萃取法便可以相当容易地分离出杯。常用磷酸三丁脂(简称TBP)-煤油作溶剂。它们的反应式

5、如下：UO0C$)2十2TBPUO:(NO3)2*2TBP呻d+2TBPPu(NO3)4

6、分混合接触，再放置一段时间，乂将分成两层。这时右机相屮主要含有铀、钎,而裂变产物则大部分留在水相中。这样第一步实现了铀、倂与裂变产物的分离。第二步实行反萃取。即将含有铀和侨的有机溶液与稀硝酸充分混合接触，大部分铀和饬将重新转移到水屮。萃取是一个动平衡过程。物质在互不相溶的两相液体中达到萃取平衡吋，它在有机相中的浓度与在水相中的浓度的比值，叫做分配系数。分配系数表示被萃取物进入有机相的能力，分配系数越人，表示它进入有机相的部分越多，留在水相的越少。某物质分配系数的大小，除与木身性质和萃取剂的性质有关外，还与萃取体系的其他条件有关，其中包

7、括平衡时该物质在水相或有机相中的浓度、萃取剂的浓度和饱和度、水相酸碱度、其他物质的浓度以及温度等等。配制合适的萃取剂，使得从铀爭硝酸溶液中萃取饬吋，钎的分配系数高于铀的分配系数，可以达到浓缩钵的目的。这样一步一步地反复进行萃取，就实现了铀与钎的分离。除了化学分离法，还有离子交换法，即用离子交换树脂从稀释的水溶液中将倂吸附，使钎与铀和裂变产物分离。还有高温冶金法，包括蒸谓、熔融金属萃取和熔盐萃取等方法。（4）还原成金属分离出來的杯大多数是一种孙盐，必须经过处理以便获得金属形式的杯。例如将四氟化穌和还原剂（如金属钙）预先混合，然后在高压炉

8、中加热，就可把四氟化饬还原成金属饬。还原后，再经过酸洗，除去杂质，即得到清洁的钎金属钮（象钮扌II样的金属小块）。这些金属穌就可进行熔融、铸造，以及机械加工了。图3.14是钎的生产流程图:核燃料原件照射过的图3.14钎牛