第896章 铀元素的终极提纯（科普章节，不喜可跳订）

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提前说明：本章涉及到的相关知识，大部分来自于中国工程物理研究院官网、对外公开资料。

……

李察阅读，目光在书页上移动。

“铀235提纯的第一种方法，是电磁分离法，利用质谱仪的原理进行同位素分离。

其中质谱仪是实验室用来分析带电粒子质量的一种仪器，能够让质量不同而带电量相同的粒子，进入磁场发生偏转的半径不同，从而分离。

详细解释的话，那就是粒子以速度v进入磁场(假设朝上)，带正电荷粒子运动所产生的磁场磁力线沿运动方向的左边朝上、右边朝下。因而运动带电粒子左边的磁场被加强，右边的磁场被减弱，形成一个磁场梯度，产生一个从左向右推的磁压力。

这个力与速度方向垂直，虽然不能改变运动带电粒子速度值的大小，但是却能改变粒子运动的方向，形成一个向心力。

又因为磁场是均匀的，对运动带电粒子产生的磁压力处处相等，所以使运动的带电粒子在磁场中作匀速圆周运动。

按照电磁学公式，可知，磁场的作用力等于qbv，向心加速度等于v2/r。

所以，能导出：qbv=mv2/r→qbr=mv。

公式中，q为粒子电量，v为粒子运动速度，m为粒子质量，b为磁感应强度，r为粒子作圆周运动的偏转半径。

又因为粒子电量q、磁感应强度b都是确定的，由此运动粒子的动量与偏转半径成正比。

带相同电荷q而质量不同的离子，通过相同的加速电压u，获得的电势能是相等的，且等于进入磁场时的动能为：qu=(1/2)mv2。

前面已知粒子的动量mv=qbr，两式消去v，即得m＝qb2r2/2u。

对于质量等于(m＋dm)的粒子，(m＋dm)＝qb2(r+dr)2/2u。

由此可得出dm/m＝2dr/r，即质量的相对偏差，是半径相对偏差的2倍。

由于入射粒子的质量不同，它们经过相同电压加速后获得的能量相等，但动量不同。进入磁场后，动量大的弯曲半径大，动量小的弯曲半径小。

如果同一种动量的离子进入磁场的角度存在偏斜，导致它们共同聚焦在d的范围。那么d的范围与入射角的关系，经过计算可得到如下公式：dr/r≈0.5q2。

当q小于50时，r的相对误差是4/1000，可能引起的质量偏差为8/1000。而铀235与铀238的相对质量差等于13/1000，从而让质谱分离法的用于实际……”

李察读完，挑了挑眉毛。

这显然是一种很浅显易懂的方法，原理就是：质量不同而带电量相同的粒子，经过相同电压加速后动量不同，从而导致进入磁场发生偏转的半径不同。

举个例子的话，这就像是轨道上行驶的火车，在一个弯道处，速度适宜的火车能够正常通过。而速度过快的火车，则因为受力不平衡，会带着车厢直接冲出轨道，导致出轨。

用这种方法，铀235便是速度合适的火车，铀238则是速度过快的火车，让两者得以分离，从而得到高纯度的铀235。

这种方法技术含量是相对较低的，因此地球上，1938年德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现核裂变，迈特纳和弗里施提出了核裂变的理论解释。仅仅过了两年，也就是1940年4月，明尼苏达大学的尼尔，就用质谱仪制造出微量的浓缩铀235。

之后1942年，地球上首次制造核武器的曼哈顿计划开始，劳伦斯等人，开始利用电磁型同位素分离器进行提纯铀235。

这是一种经过论证的方法，是完全可行的。

不过，它也有一个小小的问题。

那就是投入太大。

在地球上的曼哈顿计划中，为了用这种方法提纯铀235，特意在橡树岭建造一座超级电磁装置。投入人力近25000人，分离器超过1100台，光是绕制线圈用的银就有15000吨之巨。

15000吨！

而得到的结果，只是每天仅仅生产几克铀235，用了数年时间，得到的铀235数量，才刚刚能够制造一枚原子弹而已。

李察抿嘴。

他现在可没有数万人的手下，也没有一万五千吨白银，真的想要用这个方法生产，他得先解决前置条件。

如果这是唯一的方法，他也许真的要考虑提前创建私人势力了，不过还好，这并不是唯一的方法，他还有其他的选择。

继续往下看。

“铀235提纯的第二种方法，是气体扩散法。

顾名思义，这个方法应用的原理，是常见得气体扩散。

举一个例子，在卧室一角洒一滴香水，香水分子会快速扩散，不一会整个房间都能闻到香水得气味。

而把一滴香水替换成一滴醋，在相同条件下，撒在卧室得同一角落，想要整个房间都能闻到醋味，所需要得时间要更长。

这是因为，醋分子要比香水分子重，因此扩散速度慢。

相对应的，在一个气球中装满氢气（相对分子质量为2）和氮气（相对分子质量为28，是氢气得14倍）。当气球漏气时，氢气要比氮气泄漏得更快，因为氢气分子小，重量更轻。

把气体扩散法用于铀元素中，就可以根据相同得远离来分离铀235和铀235这两种同位素。

具体操作得话，可以这么进行：把六氟化铀置于64.8c(338.0k)以上的环境中，六氟化铀会升华成气体。然后把气体状态的六氟化铀向着多孔得薄膜压送，根据气体扩散原理，含有铀235得六氟化铀气体分子，会比含有铀238得六氟化铀气体分子更快速的通过薄膜，其扩散速率会和它的气体分子量平方根成反比。

这样，把多孔膜的孔径设置成一个气体分子与其他气体分子发生两次碰撞之间所走过的平均距离小时，就得到了气体扩散得最佳条件。让轻分子比重分子速度快，更容易通过膜孔。

通过数据收集，可以确定，在气体加料连续进行的状态下，把多孔膜的孔径控制在0.02微米以下，把六氟化铀维持在85c。这样扩散通过膜的气体（浓缩流），会比加料气体（入料）中的铀235浓缩大约0.2%的含量……”

阅读完第二个方法后，李察思考。

这第二个方法的原理也很简单易懂，不过是气体扩散涉及到的分子移动速率差异罢了。只要能抓住这一点，就能让铀235的含量不断提升。

唯一的问题是，按照数据显示，每一次经过多孔膜，铀235浓度提升的程度，仅仅为0.2%左右。

这样要想让铀235的含量提升成一定的高度，提升到能够真正制造核武器的水平，需要把众多分离级串联起来。

而且单单一级、两级串联，是没有多少效果的，需要几千级的串联才行

。

实际上，地球上曼哈顿计划中，就采取过这种方法。为此，专门在橡树岭建造了庞大无比的工厂，组装了高达几千级的分离设备。

这样以来，规模显然是巨大的，和第一个方法的规模不相上下，另外为了保证扩散气体沿着同一方向不断扩散下去，还需要强大的动力。