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一個國家怎麼能在沒有核武器的情況下擁有核能發電?

一個國家怎麼能在沒有核武器的情況下擁有核能發電?

【博科園-科學科普】2015年時任美國國務卿的約翰•克里(John Kerry)帶著核物理學家、能源部長歐內斯特•莫尼茲(Ernest Moniz)前往伊朗,試圖達成一項核協議。人們希望伊朗擁有利用核能創造能源的自由和能力,但這樣一來在不到一年的時間內製造核武器就不可能了。這是一個科學的和平的、核的夢想嗎?如果是這樣它會是什麼樣子?

在2015年能源部長歐內斯特Moniz帶著一個核物理學家伴隨著當時的約翰·克里和其他人會見伊朗外交部長穆罕默德Javad Zarif(2 R)和他的代表團,其中包括伊朗高級核物理學家,一個歷史性的核協議在差不多兩年的激烈的外交努力。圖片來源:Carlos Barria /法新社/蓋蒂圖片社。

在有些問題中很少或根本沒有解釋的是鈾與鈈,適用於和平時期能源生產的材料和技術與僅適用於武器的材料和技術,核反應堆和非法技術轉讓。

根據許多指標核能是其他能源無法企及的。

與核能相比雖然許多能源在世界範圍內都很重要,但為了滿足人類的能源需求,每一個能源都對環境或按需滿足的需求都有不利之處(正如太陽能在這裡所顯示的那樣)。圖片來源:Kevin Frayer/Getty Images

我們所依賴的每一種能源都依賴於機械、化學或電磁(包括太陽能和地熱)來發電。風力是機械能的一個很好的例子:移動的風捕獲葉片使內部渦輪旋轉,將機械能轉化為電能。化石燃料——包括煤、石油和天然氣——包括燃燒含碳化合物,釋放化學能量(通過重新排列電子/原子配置),並以多種方式將其轉化為電能。電磁能量有一個優點,它可以在合適的條件下直接轉化為電能,儘管是以直接(而非交流)電流的形式,但核電在這裡有優勢。

反應堆核實驗ra6(共和黨阿根廷6)en marcha。只要有正確的核燃料,加上控制桿和內部適當的水,產生的能量僅為常規燃料反應堆的1/10萬。圖片版權:Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío

與風能、太陽能或水力發電不同,它不受每小時、每天或季節變化的影響,你提供燃料和合適的條件,而核能則提供你需要的電力。與煤、石油或天然氣不同,它不會產生溫室氣體排放(因為它不會燃燒碳),而且我們也沒有任何危險的燃料耗盡燃料,長達數萬年之久。而不是依靠化學轉變,在原子和分子的電子構型被改變釋放能量的過程中,核能依賴於核裂變的過程,在這個過程中重元素被分開,通過愛因斯坦的E = mc2釋放能量。核轉變的效率大約是10萬倍,這意味著可以通過化學反應為城市提供一天的能量,而核反應可以持續數個世紀。

鈾- 235鏈式反應既導致了核裂變爆炸,也產生了核反應堆內部的能量。圖片版權:E. Siegel, Fastfission / Wikimedia Commons

但是核能有一個潛在的缺點,遠遠超出了對環境和生態災難的恐懼:這些核反應的副產品產生了可以用來製造原子彈的材料。和朝鮮最近的核試驗,冷戰還剩餘的揮之不去的恐懼及許多人仍然活著的人記得1945年轟炸廣島和長崎的影響,核擴散的恐懼是真實的,是必須解決的一個問題。

1945年來自koyagi - jima的原子彈在長崎上空的蘑菇雲是世界上第一次核爆炸。經過幾十年的和平朝鮮現在正在引爆核彈實驗。圖片版權:Hiromichi Matsuda

它最基本的形式是核裂變來自於鈾礦石,它是可裂變的u - 235和非裂變u - 238的混合體。在燃料消耗完之後u - 235的大部分都被分開了,還有大量的額外產品。這些元素包括元素周期表上的元素鋅和一些高放射性元素以及在自然界中是找不到的元素包括:

1、u - 236是乏燃料的「指紋」,

2、四種不同同位素的鈈:pu - 238,pu- 239,pu - 240,pu -241

3、和一些鋦,銅- 245。

在最簡單的層面上燃燒這種裂變鈾所產生的鈈是製造核武器的關鍵。

通過簡單地將中子添加到u - 238,這是將鈾燃料留在核反應堆的必然結果,許多重元素的同位素都產生了,包括pu- 239和pu- 240。圖片版權:JWB at English Wikipedia

大約1%的廢核燃料將會變成鈈。一般來說鈈的「等級」有三種分類,因為沒有好而便宜有效的方法來分離不同的同位素。分類如下:

1、超級武器級鈈含量低於3%的pu- 240

2、武器級鈈含量低於7%的pu -240

3、反應堆級鈈含有7%或更多的pu - 240

在大多數情況下這是製造核武器的關鍵,因此在最簡單的情況下,防止核擴散的關鍵是確保生產的任何鈈都不是武器級的,也不是超級武器級的。

一種鈈- 238氧化物顆粒被加熱熱中發光。作為核反應的副產品,pu- 238是用於為深太空飛行器提供動力的放射性核素,從火星好奇號探測器到超遠的旅行者號宇宙飛船都有應用。圖片版權:U.S. Department of Energy

當一個反應堆「正常運行」時這意味著很長一段時間直到u - 235燃料耗盡,就沒有生產武器級鈈的危險。事實上在這樣的條件下鈈元素中只有不到80%的鈈會是裂變的pu- 239,有19%或更多的變成pu - 240。原因很簡單:核裂變產生中子,更大的原子核具有更大的吸收中子的截面,所以u - 238可以很容易地吸收一個中子變成-pu 239(在一些放射性衰變后),而pu- 239也可以很容易地吸收一個中子變成pu - 240。

因此製造武器級鈈的關鍵在於在短時間內將u - 238輻照到u - 238(u - 238),足夠生產pu - 239,但時間不夠長不能製造出pu - 240。通過這種短時間的輻照很容易產生武器級的鈈,在這些鈈中高達93%的鈈是裂變的pu- 239,大約在6%到7%的pu - 240之間。以來最主要的擔心之一是防止國家除了建立核weapons-having州獲得-核不擴散的目的很可能主要關心歐內斯特Moniz在2015與薩利希(物理學家監督伊朗核計劃)是在確保任何創建沒有武器級的鈈。

2015年7月伊朗和6個主要世界大國達成了一項核協議,結束了長達10年的談判,這一協議可能改變了中東。第三名來自伊朗的首席核科學家阿里·阿克巴爾·薩利希(Ali Akbar Salehi)促成了這一協議的達成。圖片來源:Joe Klamar/AFP/Getty Images。

另一個主要問題是u - .235與u - 238的分離。正常的鈾礦石只含有百分之幾的u - 235,超過95%的天然鈾存在於u - 238。然而不僅僅是鈈被用來製造核裂變炸彈,還有裂變鈾,它的鈾濃縮程度遠遠超過自然發生的水平。核物理學家經常談論SWU,它代表分離的工作單位,或者是製造濃縮鈾所需的工作量。談判的一部分是雙方都在評估非核國家製造濃縮鈾的效率和能力,而美國的目標是至少需要一年的努力,使非核國家能夠製造出具有核彈價值的材料。

鈾礦石的含量不到1% u - 235,必須加工成反應堆級鈾。黃色蛋糕鈾的照片,一種由鈾礦石製成的固體鈾氧化物,黃色蛋糕必須進一步加工成反應堆等級。這是u - 235 3 - 5%。武器級需要大約90% u - 235。圖片版權:Nuclear Regulatory Commission / US Government

這兩個問題包括製造濃縮鈾和武器級鈈,很有可能成為任何有關非核國家核擴散問題的討論的中心,需要特別的專門知識來準確地執行估計和計算。如果我們做對了而且所有各方都採取了相對負責任的行動,可以生活在這樣一個世界,在這個世界上許多國家都能獲得核能帶來的巨大好處,同時仍然維持著一種全球安全水平,而這些國家的安全依賴於那些沒有核武器的國家。

無上限燃料儲存在k - east盆地的水下。這是在漢福德核電站使用的核燃料。這可能會被加工成反應堆級的鈈……甚至更多的東西。圖片版權:U.S. Department of Energy

雖然許多人認為這對地球的計劃來說太危險了,但這艘船在1953年返航,當時艾森豪威爾的原子是為了和平計劃。從那時起能源部的作用之一就是與國務院合作防止核擴散,這就是為什麼我們的許多能源部長都是博士核物理學家。雖然現在不是,但這並不能讓我們在這個領域失敗;這僅僅意味著我們需要確保適當的專業知識能夠進行適當的計算並制定適當的政策。在我們國家和當今世界的政治問題影響下,採取負責任的態度把事情做好從來都不是更重要的事情,世界的安全與安全取決於它。

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:中子星

審校:博科園

本文為作者原創,未經授權不得轉載

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