1942年12月2日,费米制造的世界上第一个核反应堆运行时的场景插图。
@Chicago Historial Society
不过呢,铀238和铀235不一样,它比较淡定,见到低能中子就假装没事吃下去变成了铀239(92个质子,147个中子),并不会继续吐出中子(但会偷偷β衰变)。铀238只有被快中子撩了才会噼里啪啦裂变。
换句话说,如果铀235附近老多铀238弟弟,那么它吐出的中子就后继无人,无法产生链式反应,就没法拿来制造武器或者当作核燃料了。反过来说,链式反应要这么容易发生,地球上早就没有铀矿了不是吗?
所以,我们才需要将铀235和兄弟分离,进行铀235果汁浓缩。但是类,地球的铀矿里只有0.7%是铀235,剩下的都是铀238。而要制造核电站核燃料的话,铀235的纯度要达到3.5%以上,而核武器则需要80%-90%。
现在问题来了,要怎样浓缩足够的铀235呢?
这就是制造核武器最困难的步骤了。因为铀235和铀238的化学性质相似,没办法用化学反应将它俩分开。而且它俩的大多数物理学性质,比如沸点也相似,也没有办法用简单的物理方法分开这两兄弟。
它们之间的微小差别,就在于铀235比铀238要轻一丢丢(铀238和铀235的原子量比为1.013)。所以某些情况下,铀235要比兄弟快那么一点点。现在的主流铀浓缩方法,就是利用了铀235比铀238快一点点的性质。
第一种铀浓缩的方法,也是制造第一个原子弹的方法——气体扩散法。
气体扩散法过程大概是这样的:铀的化合物的气体通过一个有孔的管子,管子放在一个压强更低的盒子里。
根据格锐目定律 ,气体扩散速度和气体密度的平方根成反比。因此铀235会比体重更大的兄弟更早从管子的孔隙里扩散出来。收集这波早出场的气体,就可以得到浓度更高的铀235。如此反复操作,铀235含量就会继续增加,最终达到制造核电站燃料,或是核弹所需的水平。
这样的工厂就叫做气体扩散工厂。第一个原子弹的气体扩散工厂K-25位于美国田纳西州,占地近16万平方米,里面有总长150千米的管道,长这样子——