武器級(jí)鈾不好提煉？給大家講解鈾濃縮離心機(jī)到底是什么玩意？

總是有人在討論武器級(jí)濃縮鈾，這玩意的確是不太好弄，主要的原因是這是一個(gè)國(guó)家級(jí)的龐大工程。但是要注意的一點(diǎn)是濃縮鈾是工程級(jí)的龐大，并不是復(fù)雜。要理解這句話，我們不妨參考一下樂(lè)高積木。

這是一個(gè)樂(lè)高積木搭建的塞拉摩要塞，雖然很復(fù)雜很龐大，但是依舊是由樂(lè)高積木的最小單元及其變體組成的。

所以，我們就可以聊聊這些最小單元——離心機(jī)。

大部分軍事愛(ài)好者對(duì)離心機(jī)的想法基本上只達(dá)到“用洗衣機(jī)可以改離心機(jī)”的程度。所以今天咱們就和昨天的文章一樣，把離心機(jī)展開(kāi)講講。

離心機(jī)并不復(fù)雜，之所以是國(guó)家級(jí)項(xiàng)目是因?yàn)槲覀冃枰芏嗪芏嗪芏嗟碾x心機(jī)才可以完成濃縮鈾的操作，這才是鈾濃縮的難點(diǎn)。

杰西·比姆斯的氯同位素分離裝置

先辟個(gè)謠，離心機(jī)這個(gè)東西并不是美國(guó)的曼哈頓計(jì)劃的產(chǎn)物，在1919年用于同位素分離的氣體離心法就已經(jīng)被提出，在1934年美國(guó)杰西·比姆斯在弗尼吉亞大學(xué)利用氣體離心機(jī)成功的分離出氯的同位素。在曼哈頓工程期間（1942-1946）工程初期美國(guó)曾經(jīng)嘗試?yán)脷怏w離心機(jī)進(jìn)行鈾濃縮，但到了1944年初期，氣體離心機(jī)濃縮鈾的工作就停止了，無(wú)他，經(jīng)過(guò)計(jì)算按照當(dāng)時(shí)的技術(shù)根本無(wú)法生產(chǎn)出足夠的濃縮鈾，曼哈頓計(jì)劃中的的大部分濃縮鈾是以電磁分離法（電磁型同位素分離器）來(lái)生產(chǎn)的。原理很簡(jiǎn)單：

當(dāng)離子化的同位素在電場(chǎng)中加速，利用磁場(chǎng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，這時(shí)候比較重的元素同位素和比較輕的元素同位素的運(yùn)動(dòng)軌跡是不一樣的。在合適的位置上放置隔板，持續(xù)收集隔板一側(cè)的同位素就可以得到所選擇的元素同位素。

單一的一個(gè)收集器很大，而且這件事也是鋪開(kāi)了來(lái)干的，

這也是為什么曼哈頓工程消耗了大量白銀（目前地球上最好的導(dǎo)體）和電能（產(chǎn)生電場(chǎng)磁場(chǎng)耗電）的原因了。

為啥說(shuō)這個(gè)題外話，其實(shí)就是想給大家建立一個(gè)概念，元素的同位素的質(zhì)量是不同的，在相同的力作用下，會(huì)有運(yùn)動(dòng)軌跡的不同——這是分離或濃縮同位素的一個(gè)最基本的科學(xué)依據(jù)。

到了二戰(zhàn)之后，蘇聯(lián)科學(xué)家加入了核競(jìng)爭(zhēng)，真正的離心機(jī)濃縮鈾技術(shù)其實(shí)是蘇聯(lián)技術(shù)。現(xiàn)在大家看不上大毛二毛，但是當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的技術(shù)還是相當(dāng)牛逼的！二戰(zhàn)之后百?gòu)U俱興，在戰(zhàn)爭(zhēng)廢墟上的蘇聯(lián)也很難拿出大量白銀來(lái)建立電磁型同位素分離器。就回到了老路上，利用離心機(jī)來(lái)濃縮鈾。但在這里蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很重要的概念：

解釋一下，這是離心機(jī)的分離能力（Separative Work Unit，SWU）的公式，SWU越高，離心機(jī)的效率也就越高。L是離心機(jī)腔室的長(zhǎng)度，V是離心機(jī)腔室最外緣的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，至于為什么要用43882做分母呢？這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，直接用就行了。

在工程上會(huì)有很多經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這些數(shù)是對(duì)研究行為的簡(jiǎn)化，直接拿來(lái)用就好了，沒(méi)有太大必要去深究這個(gè)數(shù)字到底是哪里來(lái)的，如果真正要研究這個(gè)數(shù)字為什么是43882而不是43883或者43881意義并不大，而且得用納維－斯托克斯方程來(lái)求解了。

但解出來(lái)又能怎樣呢？并不能制導(dǎo)工程模型來(lái)提高SWU，這也就是為什么W君一直說(shuō)“為啥偉神的“納維－斯托克斯方程”對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造并無(wú)用處？”的原因了。理論就像天上的北斗星，能讓你知道“北”在哪里，卻無(wú)法告訴你下一下邁腿會(huì)不會(huì)一腳踩到泥坑里。

啥？？？ 這里還和空氣動(dòng)力學(xué)有關(guān)？對(duì)嘍，是這樣的。離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是利用了附面層效應(yīng)和氣體的粘滯效應(yīng)，依靠離心機(jī)外壁旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)離心機(jī)內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)讓六氟化鈾氣體圍繞離心機(jī)的軸線旋轉(zhuǎn)。

所以如果你拆開(kāi)一個(gè)典型的離心機(jī)旋轉(zhuǎn)腔體組件你會(huì)失望的發(fā)現(xiàn)這里面的東西并不復(fù)雜！

就是一個(gè)套管加上幾個(gè)隔板再加入一個(gè)料管。這玩意復(fù)雜嗎？是不是極其簡(jiǎn)單？

那復(fù)雜的是什么？

回到離心機(jī)效率公式，我們就不難發(fā)現(xiàn)離心機(jī)腔室最外緣的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度V才是關(guān)鍵，這個(gè)數(shù)值是以平方來(lái)提高離心機(jī)效率的。離心機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，就越能獲得足夠高的邊緣線速度，離心機(jī)的直徑越大，也就越能提相同轉(zhuǎn)速下高邊緣的線速度。

但是，我們面對(duì)的是離心機(jī)內(nèi)的氣體。由于氣體的附面層效應(yīng)和粘滯效應(yīng)，我們不可能把離心機(jī)的直徑往大了做！

簡(jiǎn)單的說(shuō)下這里的門道：

離心機(jī)內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)是依靠離心機(jī)內(nèi)壁和內(nèi)部氣體摩擦帶動(dòng)的。

我們?nèi)绻礆怏w和界面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的紋影，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)越近界面的部分受到界面的影響越大然后越遠(yuǎn)離界面的位置運(yùn)動(dòng)速度越慢。

如果無(wú)限加大離心機(jī)腔體直徑，實(shí)際上會(huì)造成的效果是離心機(jī)腔體中心的氣體根本不會(huì)隨著腔體轉(zhuǎn)動(dòng)。所以這條路就給堵住了。

所以要提高V在離心機(jī)這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)就只有一個(gè)途徑——加大轉(zhuǎn)速。

所以，問(wèn)題就又回到了工程學(xué)的問(wèn)題了，什么樣子的材料才可以在越來(lái)越快的離心機(jī)轉(zhuǎn)速下堅(jiān)持住不碎掉呢？

或者說(shuō)，用多大的轉(zhuǎn)速限制，才可以保證外殼不被巨大的離心力撕碎呢？

這里有里各種鈾濃縮離心機(jī)的材料表：

所以，你如果打開(kāi)離心機(jī)的外殼看到旋轉(zhuǎn)腔體，你會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)腔大多數(shù)都改成了碳纖維材料。

從上面這張圖，你還可以發(fā)現(xiàn)離心機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有不同的，簡(jiǎn)單的說(shuō)有的是一節(jié)旋轉(zhuǎn)腔體，有的是多節(jié)旋轉(zhuǎn)腔體。

這就回到了前面咱們提到的公式L（腔體長(zhǎng)度）上了。按照離心機(jī)的公式L雖然不像V一樣可以提供平方級(jí)別的效率增量，但是L依舊是可以通過(guò)延長(zhǎng)腔體長(zhǎng)度提供正比例增量的，也不可忽視。

但是，對(duì)于旋轉(zhuǎn)腔體來(lái)說(shuō)，L過(guò)大會(huì)造成離心機(jī)腔體的額外震動(dòng)。于是在離心機(jī)的設(shè)計(jì)中又有了亞臨界離心機(jī)和超臨界離心機(jī)。

亞臨界離心機(jī)（Subcritical）：工作轉(zhuǎn)速始終低于第一階固有頻率，穩(wěn)定性強(qiáng)但效率低。而超臨界離心機(jī)（Supercritical）：直接讓工作轉(zhuǎn)速超越共振區(qū)域，通過(guò)短暫穿越臨界轉(zhuǎn)速并避開(kāi)模態(tài)耦合，獲得更高的邊緣速度和更長(zhǎng)的 L。

這里面其實(shí)還是空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在起作用。剛剛我們談到了腔體中的氣體是依靠外壁的摩擦力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的。但是氣體嘛在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)形成湍流。

對(duì)于層流（laminar）來(lái)說(shuō)，我們可以當(dāng)作氣體中的介質(zhì)均勻移動(dòng)，而湍流（turbulent）則不一樣，湍流是一種無(wú)序的流動(dòng)，這樣會(huì)導(dǎo)致本來(lái)已經(jīng)分離的U235和U238相互無(wú)序的再次混合大幅度的降低離心機(jī)效率，因此，離心機(jī)內(nèi)壁要做得十分光滑之外也要盡量的降低離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)候產(chǎn)生的震動(dòng)。改變這個(gè)問(wèn)題就需要嚴(yán)格的限制L的長(zhǎng)度，降低部件運(yùn)轉(zhuǎn)的共振。那么還有什么辦法呢？

用中間隔板進(jìn)行隔離，把震動(dòng)限制住各個(gè)小段內(nèi)。

這樣經(jīng)過(guò)計(jì)算的段落間隔可以在一定條件下顯著的降低湍流的形成。這樣取得L加長(zhǎng)的收益。

看到這里，你會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)這些工程學(xué)的設(shè)計(jì)，在離心機(jī)內(nèi)的六氟化鈾氣體被離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)壁帶動(dòng)有序穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。

這時(shí)候我們就回到之前電磁型同位素分離器的原理圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)依然實(shí)現(xiàn)了在曲線運(yùn)動(dòng)中重元素同位素走外圈，而輕元素同位素走內(nèi)圈。

所以說(shuō)，無(wú)論是電磁型同位素分離器還是氣體離心機(jī)本質(zhì)上都是讓氟化鈾氣體旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后依據(jù)不同的離心力作用進(jìn)行分離（質(zhì)量分離）。

上面在離心機(jī)的圖片中，如果你仔細(xì)觀察你會(huì)發(fā)現(xiàn)有三個(gè)氣流通道。一個(gè)是靠中間釋放出原始的六氟化鈾的原料（FEED），再有就是提高了鈾235含量的濃縮鈾氟化氣體（PRODUCT，產(chǎn)品），以及去掉了一定量的鈾235的尾料（TAILS）。

其實(shí)離心機(jī)是有效率，但是單臺(tái)離心機(jī)的效率并不高。在尾料中還含有大量的鈾235。于是單臺(tái)離心機(jī)并不能顯著的提高鈾濃縮度。

這樣接：

把尾料繼續(xù)和原料混合一級(jí)級(jí)的向后傳遞。于是一個(gè)離心機(jī)的陣列就可以建立起來(lái)了。這就是為什么我們看到的很多鈾濃縮工廠中有大量的氣體離心機(jī)的原因。

那得說(shuō)“數(shù)”了，從原始的0.71%濃度的天然鈾礦給離心機(jī)陣列喂料，大約要經(jīng)過(guò)7094臺(tái)離心機(jī)工作，才可能把六氟化鈾氣體濃縮成90%濃度的濃縮鈾，這也剛剛摸到了武器級(jí)濃縮鈾的門檻。

所以，到此，你應(yīng)該了解了到底什么是離心機(jī)了，也知道其中的結(jié)構(gòu)和原理了。是吧？

但同樣，你也應(yīng)該清楚，這活不是一個(gè)個(gè)人自己搞得起來(lái)的，場(chǎng)地、能源支持都注定了這是一個(gè)個(gè)國(guó)家級(jí)的項(xiàng)目。