鈾和鈽都是大自然界中的重要金屬礦產。和金、銀、鎂、銅等都是不可再生資源,而其中以鈾礦最為稀少。
眾所周知:鈾235和鈽239是原子彈的主要核材料,可用作原子彈的核裝料或核電站的燃料和動力。
鈾是原子序數為92的元素。在鈾質裡有三種同位素,分別是鈾234、鈾235和鈾238。均帶有放射性。其中鈾235是可裂變元素。可以和中子發生核裂變反應,釋放巨大的能量。
但是,鈾235在自然界中含量極低。1935年加拿大科學家鄧史達發現鈾235的含量為0.711%。
少量的鈾礦和鈾元素不可能製造原子彈。必須透過同位素分離法,不斷提高鈾235的濃度,才能用於製造核武器,這一提高純度的加工過程就是鈾濃縮。
其中,鈾235濃度大於80%為高濃縮鈾,只有濃度大於93%才能稱為武器級高濃縮鈾,才可以作為製造原子彈的重要核裝料。
鈾235的臨界質量大約為15公斤。1公斤武器級鈾235需要200噸鈾礦石。也就是說,製造一枚原子彈,至少需要3000噸高質裡鈾礦石。
鈽239的臨界質量大約為5公斤,它的提取比例和方法比鈾235的提取要容易得多。可以在反應堆中用化學方法輕鬆提取。在反應堆中,鈾238吸收一箇中子,不發生裂變而變成鈾239,鈾239衰變成錼239,錼239衰變成鈽239。
原子彈發生核爆的一個先決條件必須要使鈾235發生裂變。而要使鈾235發生裂變必須用足夠的中子轟擊鈾原子核,才能發生核裂變。中子停止轟擊鈾原子核,裂變也就停止了。所以如果要讓裂變繼續,必須實現反應堆中鏈式反應。
那麼什麼是鏈式反應呢?在反應堆中,鈾235是透過用中子轟擊鈾核,使其發生核裂變,釋放能量,分裂成氪92和鋇141。鈾原子核裂變後釋放兩個中子,這些中子再轟打鄰近的鈾原子核。如此反應,能使鈾原子核在幹分之一秒內完成上萬次反應。這就是鏈式反應。
理論上講,要實現鏈式反應,只要使中子增殖係數K大於1,不加以控制,鏈式反應的規模將越來越大,最終發生極具殺傷和破壞的災難後果。這就是原子彈核爆模型。1公斤武器級鈾235完全裂變,釋放的能量相當於2萬噸TNT的爆炸當量。
如果鏈式反應體現在民用領域中:丰度為3%的1公斤的鈾235完全裂變,可以釋放的能量超過2500噸煤完全燃燒釋放的能量。裂變能要比化學能大200萬倍,這就是原子能利用。一座1000萬千瓦的核能電廠1年只需30噸鈾235燃料作為裝機動力。只需要一航次飛機就可完成運輸。
所以,我們說,雖然人類發明了足以給地球造成災難的核彈,但我們永遠不希望它在地球上任何地方再發生爆炸,人類需要和平秩序,生態環境和系統需要持續發展的動力。只有變廢為寶,實現對核能的合理開發和利用,才能造福全人類。