核燃料铀的安全性科普

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1、但是回帖中很多朋友对核燃料没有足够的常识，表现出不必要的恐慌和疑问，这里给大家科普一下，这些内容全凭记忆写成，有些地方可能有记不清或者不正确不确切的，欢迎指正。核电站和核武器都是靠核裂变链式反应工作，释放出大量能量的，它们的区别在于核武器是不可控的反应，瞬间即完成全部的反应，释放出巨大能量，因而会产生强烈的爆炸破坏力。而核电站的反应堆则是可控的，而且是天然受限的，所以在任何情况下即使完全失控都不会发生核武器一样的爆炸。核电站的危险在于放射性物质的泄漏而不是核爆炸。核电站的反应堆有很多种，最原始的是石墨堆，后来有沸水堆，现在常用的

2、是压水堆，而某些国家则使用重水堆。这些堆的区别在于它们所用的“减速剂”。核裂变会产生中子，而中子则会撞击其他核燃料的原子产生核裂变，这样一级一级下去，核裂变会越来越多，这就是核裂变的链式反应，链式反应才能维持核裂变反应不停地进行，从而释放出大量能量。核电站和核武器都是利用这个链式反应的放大过程。不过核裂变产生的中子的飞行速度非常快，叫做“快中子”，碰巧的是在一定范围内，中子的速度越快，它撞到别的核燃料的原子上引起裂变的可能性就越小，小到一定程度的话就不能引起持续的链式反应了。所以如果要能引起持续的链式反应的话有两个办法，一个是把

3、核燃料的纯度密度提到足够高，那么即使中子速度高反应几率小也没有关系，核武器原子弹就是这样造出来的，常用的核燃料铀中只有铀-235同位素是可以进行链式反应的，它在天然铀中的比例非常低，远小于1%，所以要造核武器就需要把它提纯到90%以上，这就是造核武器最大的门槛，一般国家没有足够的技术和资金实力做这个。而另一个维持链式反应的方法是想办法把裂变产生的中子的速度降下来，即“减速”，减速以后中子撞击到另一个核燃料原子引发裂变的可能性就大多了，所以低浓度的铀也能发生链式反应。实用的“减速剂”是比较轻的原子，比如氢、碳等，碳是固体（石墨就是

4、碳），所以最简单，最早的核反应堆就是用碳做减速剂的，这就是石墨堆；氢是气体，不能直接用来做减速剂，所以一般用它的化合物，那么氢最常见最便宜的化合物就是H2O，即水了，这就是沸水堆和压水堆；但是氢虽然减速效果好，但是它有个缺点，就是它会吸收中子，所以用它也会降低发生链式反应的可能性，用氢做减速剂的沸水堆和压水堆就必须用经过提纯的核燃料，虽然只有3%的铀-235，但是成本也很高；这就有另一种减速剂的用武之地了，这就是氢的同位素氘，氘比氢多一个中子，比氢重，它的减速效果好对中子的吸收又好，所以是最好的减速剂，用它做减速剂的反应堆可以直

5、接用未经提纯的天然铀做燃料，燃料成本低。氘和氧的化合物也是水（因为氘本来就是氢的一种），不过因为比较重，叫做重水，重水虽好，但是它本身需要非常昂贵复杂的过程提纯才能得到，所以重水堆的综合成本并不低，只有加拿大在用，其他国家现在绝大部分都是用压水堆，少量老反应堆用的是沸水堆。石墨堆只有在早期用，前苏联的切尔诺贝利核灾难就是石墨堆的，石墨的减速效果不错，中子吸收也少，成本又低，是非常好的减速剂，用它做反应堆成本低而且经过特别设计的话可以直接用未经提纯的天然铀做燃料，燃料成本也低，世界上第一个反应堆就是美国科学家费米在芝加哥大学体育馆

6、建造的石墨堆。但是石墨会燃烧爆炸，所以其风险也比较大。切尔诺贝利就是一个惨痛的教训，所以现在再也没有用石墨堆的了。沸水堆和压水堆有天然的安全性，因为一旦发生意外，水本身不会爆炸抛散有害物质，水会很快蒸发或者流走，没有了水，就没有了减速剂，中子撞击核燃料原子发射裂变反应的几率降低，不足以维持链式反应，那么核反应就自然停止了，所以沸水堆、压水堆最坏的结果也就是福岛那样，反应堆里的反射性物质泄漏出来，而不会继续反应产生更大的危害。下面说说核燃料棒，现在用的核燃料有铀和钚两种，其中铀是自然界天然存在的物质，而钚则是人工在反应堆里制造出来

7、的，无论哪种都需要经过提纯以后才能使用。对于铀来说，天然铀中能够发生链式反应的铀-235同位素含量极少，不到1%，剩下的都是不能发生核链式反应的铀-238。因为反应堆除了不安全的石墨堆和昂贵的重水堆以外，都需要经过提纯的铀-235含量高的铀才能使用，所以玩核的关键就是提炼铀-235。常用的沸水堆和压水堆中需要的铀燃料是含铀-235为3%左右的燃料，这需要一定的提纯技术。由于能发生链式反应的铀-235和不能发生链式反应的铀-238是同一种元素，它们的化学性质完全相同，所以不能用化学方法把它们提纯，只能用物理方法利用它们的原子极小的

8、重量差别通过超高速离心分离或者气体扩散分离的办法进行提纯，这是一个非常复杂效率非常低的过程，因此核燃料的提纯需要极大的人力物力和财力，只有靠国家意志才能实现，不是几个恐怖分子在家里可以做的，所以世界上对于核恐怖的担心主要是在核燃料的管理上，没人担心恐怖分子会自己