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从伊核问题看同位素的丰度和富集度

发布时间:2019-7-19 18:31 原作者: 俞冀阳   来自: 核能科普ABC

根据六国和伊朗达成的协议(简称伊核协议),伊朗同意不提炼丰度5%以上的浓缩铀,并且停止阿拉克重水反应堆生产钚的计划。


然而特不靠谱的特朗普,不知道是基于什么原因,突然提出单方面终止六国经过多年努力达成的伊核协议,造成伊朗原子能机构发言人贝赫鲁兹·卡迈勒万迪最近发表声明,确认伊朗已突破伊核协议关于3.67%丰度的限制。他表示,如果伊核协议签署方无法保证伊朗在协议中的权益,伊朗将在下一步实现20%丰度铀浓缩生产。


要读懂贝赫鲁兹的声明的内容,其中一个比较专业的词是“丰度”。什么是丰度?它和富集度是一回事吗?那我们需要先来讲讲什么是同位素。


1、同位素

所谓同位素就是在元素周期表上处于同一个位置(也就是原子核内的质子数相同),然而中子数不同的核素。


素周期表图


例如铀-235和铀-238,质子数都是92(位于上图的红圈圈中的U),然而U-235的原子核有143个中子,U-238的原子核有146个中子,多3个中子。因此铀-238和铀-235就被称为同位素。它们在元素周期表上的位置相同,也就意味着他们的化学性质几乎一样,无法采用化学反应的方法对它们进行分离。


2、为啥要分离?


-235和铀-238虽然化学性质几乎一样,但是差了3个中子的这两个原子核的核反应性质却截然不同。铀-235可以很容易发生裂变反应,而铀-238只有在高能中子的情况下才会裂变。因此制造原子弹需要铀-235,而铀-238却没什么用处。自然界存在的天然铀中,U-235的自然丰度只有0.72%,而99.275%是铀-238,还有0.005%是铀-234。因此为了用铀来制造核武器,就必须要进行铀-238和铀-235的同位素分离。


3、丰度和富集度是一回事吗?


很多时候富集度和丰度确实经常被搞混,因为从数值上看它们很接近。富集度是指1公斤铀金属里面含有多少公斤铀-235,而丰度是指100个铀原子核里面平均有多少个铀-235原子核。有人说,那不是一回事儿吗?100个里面有多少个和1公斤里面有多少公斤,不是应该一样的吗?由于铀-235和铀-238的质量数不同,就好比他们的体重不同。例如,假设100只鸡里面有20只母鸡,那么母鸡的丰度就是20%,但是按照公鸡肉和母鸡肉来计算,母鸡肉的占比就不是20%了,为什么?母鸡和公鸡的体重不一样啊!因此按照重量计算的母鸡肉的富集度也就会略微小一点,不到20%

科学界的传统是使用“丰度”,而工业界的传统是使用“富集度”。这很好理解,科学家喜欢数数,而企业家喜欢称重。


4、工业上是怎么样测量富集度的?

 

富集度的测量需要用到专业的仪器。其基本原理一般是通过测量185.715keV的伽马射线的计数的方法,这是因为这个计数与铀中的铀235的富集度成正比。



5、明白了富集度和丰度后再来看伊核协议

 

关于伊朗铀浓缩活动丰度的限制是伊核协议核心条款。90%以上高丰度浓缩铀属于武器级核材料,可以用于制造原子弹。但理论上生产20%丰度和90%丰度浓缩铀之间几乎没有什么实质性的技术障碍。


伊朗与伊核问题六国(美国、英国、法国、德国、俄罗斯和中国)2015年达成伊朗核问题全面协议。协议规定,伊朗在协议生效15年内保存最多300公斤经过浓缩的六氟化铀,丰度最高为3.67%;六国则承诺解除对伊朗的一系列制裁措施。然而美国退出伊核协议后,以强烈武力威慑为基础的极限施压使得伊朗下决定提升六氟化铀的丰度。


这可不是一个好消息。

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