伊朗都有鈾濃縮離心機：而中國剛剛突破這技術，美國至今未掌握

9月底，伊核問題六國與伊朗外長會議在美國紐約聯合國總部舉行。歐盟外交與安全政策高級代表莫蓋里尼在會上表示，自2016年1月《伊核問題全面協議》正式執行以來，伊朗執行落實了協議內容，國際社會對伊朗的制裁將逐步解除，但武器禁運將在5年觀察期後解除。2015年7月14日，伊朗與伊核問題六國（即中國、美國、英國、法國、俄羅斯和德國）達成《伊核問題全面協議》，這份協議包括一個主要文本和五個技術附件，最重要的一條是要求伊朗把鈾濃縮離心機的數量削減三分之二，從大約19000台減少至6000台。

圖片：伊朗總統內賈德視察納坦茲核濃縮工廠的IR-2型離心分離機。

提到鈾濃縮離心機，我們首先就要說說核武器和核電站的核燃料的生產過程。眾所周知，能夠用於核武器或核電站發電的核燃料，主要成分是鈾的同位素：鈾-235。核電站通常使用純度3%的低濃縮鈾，純度大於80%的鈾-235稱為高濃縮鈾，核武器則需要使用純度在90%以上的鈾-235，稱為武器級濃縮鈾。

天然鈾礦石中的主要成分是不能進行核反應的鈾-234和鈾-238，能夠用於核反應的鈾-235含量極低，只有大約0.7%，所以必須使用一定的方法提高鈾-235的濃度，這個過程就是鈾濃縮。

獲得鈾是非常複雜的系列工藝，鈾礦石開出來以後，要經過選礦、破碎、浸出、萃取、離子交換和焙燒等工藝過程，製成重鈾酸銨含達70％至90％的黃色坯料，被稱為「黃餅」。黃餅是一種初級核原料產品，能夠在國際市場上合法買賣。黃餅通過氫氟化法或萃取方法，使其中的八氧化三鈾轉化為四氟化鈾，最後再製成六氟化鈾。由於六氟化鈾的沸點比較低，可製成氣體，供氣體擴散法和氣體離心法濃縮鈾工廠使用，製成原子彈或核電站的燃料。

將鈾-235含量提高的工藝過程稱為濃縮分離。濃縮分離核燃料生產的最後流程，需要很高的科技水平。獲得1公斤武器級鈾-235需要200至1000噸鈾礦石。 由於涉及核武器問題，鈾濃縮技術是國際社會嚴禁擴散的敏感技術。除了五個核大國之外，日本、德國、印度、巴基斯坦、伊朗等國家都掌握鈾濃縮技術。

鈾濃縮的主要方法有氣體擴散法和氣體離心法。氣體擴散法是將六氟化鈾氣體通過布滿微孔的擴散膜，由於鈾-235組成的六氟化鈾氣體分子略輕、速度稍快，通過擴散膜的比例稍大於由鈾-238組成的六氟化鈾分子，經過上千個這樣的分離級，就可以將天然鈾中的鈾-235濃縮。

離心法是將六氟化鈾氣體通過高速旋轉的空心圓筒，稍重的鈾-238氣體分子在筒壁處含量稍多；而較輕的鈾-235氣體分子在筒中央處含量較多。用這種方法，經過多個分離級，就可使鈾-235濃縮度達到3％至90%，被稱為「富鈾」（濃縮鈾），其餘的剩餘物則被稱為「貧鈾」，貧鈾可製成合金，用於穿甲彈或者坦克裝甲的原料。

僅靠一個離心機的分離是遠遠不夠的，必須通過更多離心機以「級聯配置」聯接為一體，鈾原料在一級離心機提純後，會轉送到下一級離心機繼續提純，級級相連。由於核電站所需鈾濃縮較低，其離心機級聯層次較少，因而看起來會比較短。而用作核武器的鈾濃度要達到90%以上，其離心機的聯接層次更多，可達數百個。中國等五個核大國的軍控組織通常把擁有多少離心機聯接層次和長度作為判斷一個國家是否進行核武器發展階段的重要標準。

鈾濃縮離心分離機的技術極其複雜，一分鐘轉速比航空發動機的轉速還要高，從幾萬轉到十幾萬轉，對於材料的強度極限要求非常高。離心機的工作介質是氣體狀態的六氟化鈾，具有非常強的腐蝕性，對於材料結構的防腐性能要求也非常高。離心機不是一台機器工作，是串聯的集群化工作，機器的一致性要求非常高，對於批量加工製造的工藝和裝配技術的要求也非常高。

長期以來，中國和美國的鈾濃縮很少使用離心機，大都是依靠氣體擴散分離技術。氣體擴散法的優點是產能大，是冷戰時代五十至七十年代幾個強國製造核武器燃料的首選方法，美國的大型氣體擴散鈾濃縮工廠的每年分離效率達1萬噸黃餅以上。

1958年，根據蘇聯援助我國建設原子能工業有關協定，蘇聯開始援助中國建設8座生產精鍊鈾礦料、六氟化鈾原料和武器級濃縮鈾的工廠，鈾濃縮廠初期運行所需原料由蘇方提供，但1960年7月蘇聯撕毀合同，拒絕供應六氟化鈾，這意味著鈾濃縮廠面臨「無米下鍋」的危機。根據情況，二機部做出1963年、1964年原子武器工業建設生產兩年規劃，重點在蘭州建設超大規模的氣體擴散鈾濃縮工廠，同時生產武器級鈈和武器級鈾。這就是以著名的404廠，504廠為核心的我國規模最大、體系最完整、集軍民品生產科研為一體的特大型核工業生產科研基地，這個廠位於甘肅省河西走廊西部，佔地面積竟然有1200平方公里，這個面積相當於內地一個中等建制縣的總面積。周恩來總理等領導人曾指出：「酒泉原子能聯合企業是全國人民利益、乃至世界人民利益之所在！如果沒有這個工廠，就沒有我國現在的國際地位「。由此可見該廠對於中國核武器和核工業事業的重要性。

氣體擴散法的缺點是分離係數小，工廠規模龐大，耗電量驚人，美國曾統計冷戰時期全國有7%的電能用於供應氣體擴散核工廠，一般的小國根本無法承擔這種耗電量，所以相對生產成本較高。

為了改善核燃料生產方式，蘇聯在60年代末首先開發出的氣體離心法，率先完成了鈾濃縮離心機的設計製造，並且建設了規模宏大的新式鈾濃縮工廠。到70-80年代，歐洲鈾濃縮公司也完成了自己的離心機。美國由於可以與歐洲共享該技術，因此並未單獨開發鈾濃縮離心機，歐洲鈾濃縮公司建造了多個大型的離心機組，單機就可每年生產200至600公斤濃縮鈾。

圖片：2010年12月30日，烏克蘭用專機將該國儲存的大部分武器級高濃縮鈾運至俄羅斯。這批濃縮鈾大約50公斤，能夠製造5至10枚核彈或氫彈核扳機。烏克蘭承諾在兩年內放棄所有高濃縮鈾，實現無核化，由俄羅斯負責給這些高濃縮鈾「降純」，使之永久性喪失「武器功能」。

那麼問題來了，為何離心機鈾濃縮方法有著能耗低、成本低的優勢，連伊朗等中等國家都擁有上萬台離心機。然而中國卻剛剛突破離心機技術，美國甚至至今都未成熟掌握該技術。

冷戰結束後，由於有歷史積攢下來的大量庫存濃縮鈾，再加上俄羅斯擁有的數十萬噸可用於核電站燃料的低濃縮鈾，美國可以從歐洲和俄羅斯獲得足夠的濃縮鈾，低純度濃縮鈾的供應處於過剩狀態。所以美國對於更換離心機生產濃縮鈾的產能需求並不強烈，所以沒有發展氣體離心法鈾濃縮工廠，直到目前也未掌握離心機技術。

美國和中國的鈾濃縮工業實踐都證明，老式的氣體擴散法特別適合大規模生產武器級鈾-235，它是目前最成熟的大規模分離鈾同位素的方法，也是比較各種新方法效率的基本點。由於早期核電站用的低濃度鈾多為核武器生產過程中產生的副產品，所以氣體擴散法的成本過高問題可以忽略。氣體擴散法工廠雖然耗能大，但可靠、耐用，這些投資巨大的工廠，除了滿足美國和中國發展核武器的需要，而且還可以生產純度20%左右的中等富集度鈾燃料，這種鈾燃料大規模應用于軍用反應堆和實驗型反應堆。

中國的情況與美國非常類似，中國只是由於近些年商業化的核電站大規模建設，必須考慮降低核燃料成本問題，才自主開發了擁有全部知識產權的氣體離心機鈾濃縮設備，主要用於生產純度為3%的核電站燃料。2013年6月21日，中國中核集團在蘭州鈾濃縮基地宣布，經過多年研製，我國核工業關鍵技術——鈾濃縮技術完全實現自主化，並躋身國際先進水平行列。這標誌著我國成為繼俄羅斯和歐洲等少數國家之後，自主掌握鈾濃縮技術並成功實現工業化應用的國家。國產鈾濃縮離心機技術所需的耗電量約相當於氣體擴散法的1/25，綜合成本約減少一半。

據已經解密的兩彈一星回憶錄記載，以及西方的推測，中國僅在上世紀80年代就能夠年產1600公斤武器級核燃料。早在1987年中國就停止了武器級濃縮鈾的生產，主要原因是我國獨自掌握熱核武器技術（世界上只有4個國家真正掌握氫彈技術：中國、美國、俄羅斯、法國），武器級的鈾只用於製造引爆氫彈的核扳機。氫彈的核扳機只需要一兩公斤武器級鈾燃料就足夠，實際需求量非常小，因此目前儲備的武器級核燃料完全能滿足我國有限核武庫的需要量。

反觀印度、伊朗等幾個」低級「核國家，由於他們只擁有初級的原子彈技術，製造一枚原子彈所需的鈾燃料高達十幾公斤乃至數十公斤，所以相對來說，低級核國家的武器級鈾燃料的需求量反而更大，這就是伊朗等國擁有上萬台離心機的主要原因。

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