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主题：日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗？ -- 沐右
家园 日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗？ 这篇文章是日本核泄漏事故基本尘埃落定之后，应果壳网的编辑要求写的。已发表在果壳网（文章链接），然后在科学松鼠会的群博上也有（文章链接）。文章里面和文后的引文有很多链接，有些我可能会漏掉了，可以到这两个链接里面去找有没有相关的链接。
这篇文章的目的，一个是从技术上弄清楚日本到底有没有造原子弹的能力，这个问题对于开始写这篇文章之前的我来说，并不是很清晰的一件事情；另一个目的，就是通过这一个事情的介绍，能大家一起学习一些关于铀、钚等放射性物质、核电站、原子弹的浅显知识，了解这些东西，可以对核的问题更熟悉一些。
日本有没有造原子弹的技术？这个问题的答案是肯定的：有。
日本有没有造原子弹的材料？这个问题的答案也基本是肯定的：应该有。
日本有没有原子弹？日本有没有动机造原子弹？日本有没有必要造原子弹？这些问题，就是我从网上能搜集到的资料，从客观的角度上回答不了的。我的答案跟大家的答案也不一定会一样的。这要看大家对日本是什么样的看法，对世界局势是什么样的看法，对不同民族的人性中的善与恶是什么样的看法，每个人的观点不同、政治立场不同，也应有个人不同的理解和答案。
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外链图片需谨慎，可能会被源头改美国小男孩
2011年3月11日发生的9.0级的大地震和引发的海啸给日本人民造成了巨大的损失，而随后发生的福岛核电站的事故也让包括中国美国在内的周边国家民众遭受了一把核辐射的心理冲击：在中国引发了碘盐的抢购，在美国则引起了碘片的脱销。同时，关于日本核野心的各种说法又在网络上传播，那么，日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗？
链式反应和核武器的制造基础
一些放射性元素（比如铀235）可以发生核裂变反应：一个原子核在中子的轰击下会分成两个或者多个部分，变成轻一些的其他元素，放出大量的能量。我们可以 利用这一反应来发电，这样的发电厂就是核电站。核裂变发电是当今世界上非常重要的一种新能源。尽管公众对核电站的安全性有所疑虑，核能发电实际上是目前广泛应用的最 安全的能源[1]，从统计数据来看，它比火电、水电发生致命事故的可能性要小得多；核电也是一种很清洁的能量来源，发电过程中没有碳排放，对公众造成的核辐射也比火电小的多（煤里面含有铀等放射性元素，火电和核电的比较参考阅读）。
一个铀235原子核发生裂变反应的同时，一般会放出2~3个中子，这些中子可以轰击其他的铀235原子核，使他们发生裂变反应，这个过程叫做链式反应。如果使用的是高纯度的铀235，并且质量超过一定的值（临界质量），那么发生核裂变反应的原子会越来越多，在极短的时间内，整块材料都会发生裂变反应并放出巨大的能量，产生威力巨大的爆炸，这就是原子弹的原理。核电站使用的燃料浓度要低的多，一般用的是含有4%铀235的二氧化铀，其他96%的都是不能直接发生核裂变反应的铀238。值得一提的是，由于浓度较低，即使失去控制，核电站也不会发生原子弹那样剧烈的爆炸。
常用可以发生核裂变的物质一般有两种，铀235和钚239，现实中的原子弹基本都是由这两种物质做成的。另外铀233也是一种可以发生核裂变反应的材料，不过由于一些原因这种物质并不太适合作为原子弹的材料，迄今为止世界上也基本没有用铀233制造的原子弹。
浓缩铀的生产和拥有
自然界里的铀矿里的主要有两种铀同位素，其中99.3%都是铀238，铀235的含量只有0.7%。因此，开采出来的铀里面铀235只占0.7%，需要通过一些手段才能提高到核燃料或者原子弹所需的浓度。
由于铀235和铀238是同一种化学元素，它们的化学性质几乎完全一样，一般来说很难通过化学的方法区分开来从而达到提纯铀235的目的。只能利用原子质量的微小不同，用物理方法分离[2]。通常采用的方法里，一种是气体扩散法，将铀转化为六氟化铀气体，然后让它通过一系列的微孔筛膜，由于铀235的质量稍微小一些，它将会扩散的稍微快一些。将很多扩散分离机串联起来就可以逐级提高铀235的浓度。由于需要不断地重复分离工作，这个方法会消耗很多的能量[3]。另外一种方法是气体离心法，通过离心力将六氟化铀气体中的两种同位素分开，虽然仍需要多级串联，但是消耗的能量要比气体扩散法小的多[4]。
经过浓缩的铀一般有两种形式，用于核电站核燃料的低浓缩铀（LEU，含约4%的铀235，一般低于20%）和用于原子弹的高浓缩铀（HEU，含20%以上的铀235）。用于制造原子弹的武器级高浓缩铀含有85%以上的铀235，但是实际上20%的浓度就可以用于制造原子弹了[5,6]。
要获得制造原子弹的铀235浓度，需要大量的扩散分离机或者真空高速离心机串联，这样需要很大的规模的厂房，消耗巨大的能量，这很容易被国际组织或者他国的情报机构发现，很难瞒过其他国家偷偷地进行，对于某些国家（比如伊朗）来说，在这个阶段就有可能被国际社会阻止，而对于日本来说不是这样。不提二战时候的原子弹研制和浓缩铀的生产，日本的铀浓缩厂从1979年开始生产浓缩铀，如上图所示，日本核燃料株式会社（JNFL）从1992年开始每年能够生产数十到近两百吨铀235核燃料[4]，2000年之后的产量比较低。同时，日本还致力于开发新式的物理、化学铀分离技术[7,8]。应该说，日本完全有生产武器级高浓缩铀的能力。
虽说日本的核能应用是受国际原子能机构的监督的，不过并不是所有的铀浓缩生产都是处于监督之下的[9]。因此，我们并不能断言日本有没有自己生产武器级高浓缩铀，或者生产了多少。根据NTI的数据，日本从美国和英国进口了一些高浓缩铀用于研究使用高浓缩铀的核反应堆，扣除据信已经用掉的部分，2009年的时候，这些高浓缩铀估计还有1970千克[10]。从这些数据来说，日本确实拥有充足的高浓缩铀来制造原子弹。
钚的生产和问题
外链图片需谨慎，可能会被源头改核电站里低浓缩铀的反应示意图（来自世界核能协会[12]）。
在自然界里面，钚的含量极少，我们所利用的钚都是通过核反应制造的。核电站里使用的核燃料，在铀235不断发生核裂变反应放出能量的同时，铀238会捕获一个中子成为铀239(半衰期23.45分钟)，经过β衰变成为镎239(半衰期2.35天)再变成钚239。如上图所示，含有4%铀235的低浓缩铀核燃料在发电的过程中就有大约3%的铀238转变成钚239，这些钚239里一部分会参与到核裂变反应中去，实际上，使用低浓缩铀的核反应堆发的电里面，三分之一都是由生成的钚239提供的[11]。从图中可以看到，核燃料从反应堆里取出之后（称为乏材料），里面仍然含有少量的钚239和铀235，还有一定量的核裂变产物。这些核裂变产物会不断衰变放出很多的热能和辐射，因此从反应堆里取出的燃料棒要放在临近反应堆的冷却池中，用水去吸收它们放出的热能，屏蔽它们的辐射，直到数月或者数年后才能进行后续处理。
外链图片需谨慎，可能会被源头改核电站里MOX燃料的反应示意图（来自世界核能协会[12]）。
自然界里面的铀总量是有限的，如果按照上面的使用方法，那么能够利用的只有铀235和少量的铀238，据估计按照目前的使用量，估计只能够用约一百年[13]。核电站里取出的乏材料中，还含有少量的钚239和铀235，如果能把这一部分提取出来，重复利用，那么就可以延长核能的使用时间。利用从乏材料提取出来的这两种元素和铀238混合，就可以做成混合氧化物核燃料，再用于核电厂发电。和一般的低浓缩铀核燃料比较，混合氧化物燃料只是将铀235的氧化物换成了钚239的氧化物而已。数十年来，日本的大部分乏材料都是运到英国或者法国去处理的[14]，日本也有自己的乏材料处理厂，比如说，曾于1999年发生4级核事故的东海村核燃料处理厂可以每年处理130吨乏材料[14,15]；2006年开始试运行的六所村核燃料处理厂可以每年处理800吨的乏材料，相当于每年可以生产8吨钚[16]。
不过，这样获得的钚239有个问题。在核反应堆里面，新生成的钚239还会继续吸收中子形成钚240，这样最终提取出来的钚里面会含有相当量的钚240（还会含有一定的钚238、钚241、钚242等等），而钚240会发生自发的裂变反应并放出中子并释放能量。它的存在不会影响制成的MOX燃料在核电站里的工作，但是当做成原子弹的时候，如果钚240的含量比较高，则会放出大量的辐射伤害己方的士兵，并有可能导致原子弹不稳定 [11,17]，一般在核武器里面，钚240的含量应该低于8%[11]。如果在核燃料棒放入反应堆之后两三个月内取出，则钚240的量相对较少，不会出现这个问题。虽说日本的核能应用是处于国际原子能机构监管下的[17]，对燃料棒的异常应有一定的监督，然而从近期日本核事件的过程中，国际原子能机构对核电站的详细情况并不完全了解，和日本官方的交流也不是非常顺畅，并不能完全排除日本在核能应用中偷偷生产钚239的可能性。
不过，这种方式生产钚239效率并不高，一般可以用快中子反应堆来大量制造钚239，一方面可以将大量的铀238转化成核燃料来供应核电站，一方面也可以积累制造原子弹所需的钚。为此，日本在福井县建设有快中子增殖反应堆“文殊”号，其于1994年进入临界状态之后，于1995年发生冷却系统液态钠泄漏酿成大火，被迫关闭[18]。据估计，日本拥有数吨武器级钚，足够制造数百枚原子弹[19,20]。值得一提的是，冷战结束之后，俄罗斯和美国都在削减他们的核武器总数。按照世界核能协会的资料[21]，根据俄罗斯和美国在1994年签订的协议，500吨来自前苏联核武器的武器级高浓缩铀（相当于约两万枚原子弹）会被两国的核电公司用含铀235约1.5%的铀稀释成可供发电的核燃料；美国也将自己的数十吨武器级高浓缩铀转化成了核燃料。而两国在2000年达成协议，各自将会把34吨的武器级钚转化成为混合氧化物核燃料。现在的混合氧化物核燃料的一部分来自于美国和俄罗斯消减的核武器里面的钚，这也是混合氧化物核燃料的一个重要利用。据统计，销毁的前苏联的核弹头在美国的核电站里为美国提供了约10%的电能[22]。
日本离原子弹有多远？
没有人会怀疑日本有没有制造原子弹的技术力量，二战期间日本就曾经试图研制原子弹[23]，现在现在拥有很多核电站的日本有先进的核处理技术和充足的核技术人才，从技术上讲日本在获取原子弹上没有任何难度。关键问题其实在于处于美国核保护伞之下的日本，有没有决心和动机去制造原子弹。客观来说，中国、美国还有其他周边国家都不会容许日本拥有原子弹，但是日本的右翼势力也在不断地发表各种言论，对于他们来说，有试图获取原子弹想法也是正常的。讨论这个问题的话，需要对历史和时局有很强的把握，而且不同人给出的结果也不尽相同，毕竟这是个和个人立场联系比较紧的问题。
实际上原子弹的制造并不是一件特别复杂的事情，原子弹的简单结构图很容易获得（如上图所示），关键在于获得充足的高纯度可以发生核裂变的物质。一旦获得了高纯度的核裂变材料，知晓这种材料的临界质量（可以通过核物理参数计算），生产原子弹就纯粹是个技术问题。
对于有些国家和（恐怖）组织来说，获得大量用于提纯的原料也会是个比较大的问题（比如五十年代刚开始研制原子弹的中国，参见《中国第一颗原子弹制造纪实：596秘史》[24]），而日本有从海外购买的大量核原料储备，有众多的核电站里面需要的核燃料，并不是一个问题。说起来，使用MOX的核电站并不是攒钚造核弹的关键环节，相比起来，浓缩铀工厂有可能提供高浓缩铀，而快中子堆和核废料处理厂可以提供大量的优质钚，日本在获取这两种制造原子弹的物质上并没有问题。
正如空错的《日本地震原是核试验？》里面介绍的那样，通过对地震波的分析能够准确地判断出一个地震是否是由核试验引起的，日本不可能瞒过国际社会而进行核试验。通常，日本和德国是被归属为“准核国家”，即拥有材料和技术，离核武器只有一步之遥，是否拥有核武器完全依赖于拥有核武器的决心和动机。日本可能只需要拧上几个螺丝就能成为有核国家[19,20]，对日本可能的核威胁，我们要有一定的准备。
感谢果壳网的秋秋、moogee和小耿，感谢Albert_JIAO、Sheldon、seawhg和大白鲸的宝贵意见。
参考资料：
1. 世界核能协会， Safty of Nuclear Power Reactor
2. 维基百科，《气体扩散法》
3. 维基百科，《气体离心法》
4. 日本核燃料株式会社网站，http://www.jnfl.co.jp/english/operation/
5. 世界核能协会，Conversion and Enrichment
6. 维基百科，《浓缩铀》
7. Institute for Energy and Environmental Research, “Uranium Enrichment: Just Plain Facts to Fuel an Informal Debate on Nuclear Proliferation and Nuclear Power”
8. 维基百科，《日本核研究》
9. 参见[7]里面的[94]：As of December 31, 2003, IAEA listed two sites in Japan under its Safeguards. They are: “Uranium Enrichment Plant” in Tomata-gun, Okayama-ken and “Rokkasho Enrichment Plant” in Kamikita-gun, Aomori-ken (IAEA Annual Report 2003, Table A24)
10. NTI Database, HEU: Japan
11. 世界核能协会，《钚》
12. 世界核能协会，[URL=http://www.world-nuclear.org/info/inf29.html]Mixed Oxide Fuel
[/URL]
13. 维基百科，《铀》
14. 世界核能协会，Japanese Waste and MOX Shipments From Europe
15. 维基百科，Tokaimura nuclear accident
16. 维基百科，Rokkasho Reprocessing Plant
17. 网易，《日本核危机与核武制造无关》
18. 中国日报，《日本拟重启曾因泄漏关闭的核反应堆》
19. 维基百科，Japanese nuclear weapon program
20. Geoff, Brumfiel, Nuclear proliferation special: We have the technology, Nature: International Weekly Journal of Science 432, 432-437 (2004).
21. 世界核能协会，Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel
22. Power and Energy, Old Russian nukes for US electricity
23. 维基百科，《日本的原子弹计划》
24. 梁东元，湖北人民出版社，《中国第一颗原子弹制造纪实：596秘史》
本帖一共被 3 帖 引用 (帖内工具实现)家园 学到了!真是好文! 家园 MOX可以做核弹 分析得不错，花一个
MOX可以做核弹，美军试验过了，只是当量比较小，主要后效为核沾染，对于日本来说，也不失为一个解决核弹有无问题的手段。
- 复 MOX可以做核弹
家园 这年头，日本不祥啊 前几天青森六所也出了点问题，IAEA设在那的一个实验室里烧掉了些资料，监视器里的相关录像也被抹掉了,可能瞒过国际社会.
- 复 MOX可以做核弹
家园 说的是核弹，还是脏弹？ 听老兄的意思好像说的是脏弹，是从MOX燃料里面提取出钚来做核弹，还是往一般的炸弹里面加入放射性物质，达到脏弹的目的？
家园 MOX核弹效果请参见三相蛋，各大流氓家中必备的家伙 MOX燃料只是纯度相对较低，链式反应还是可以进行的，只不过能量利用率很低，各大流氓瞧不上罢了。
家园 三相弹就已经是氢弹了 不算是单纯的核裂变原子弹了
而且三相弹的内核必须是原子弹
外层材料是用核裂变材料制造，虽然说MOX也可以，但是里面钚239的含量太少，恐怕远远达不到理想的效果
家园 从严格意义上说，三相弹绝对不是氢弹 三相弹属于加强型原子弹。
“正当原子能研究所轻核理论组正在探索氢弹的可能结构以及作用机理的时候，第九研究所理论部在交出了第一颗原子弹的理论设计方案后，抽出部分研究力量从1963年9 月起，也开始了氢弹原理的探索，并由副所长、理论物理学家彭桓武先生亲自指导。开始时，理论部指定李德元、王贻仁等同志研究含有热核材料的加强型原子弹的理论模型。在研究过程中，彭桓武给部分科研人员就加强型原子弹的结构原理作了几次学术报告。此后，彭桓武和理论部科学负责人先后得出结论：加强型原子弹结构，尽管其中伴随着热核反应产生，但持续代数较少，不可能成为氢弹。”
“氢弹一般的含意，当量在百万吨以上，聚变反应的能量要在30% 以上。从低级的氢弹，即比威力（单位重量的爆炸威力）和聚变比（聚变反应的能量在整个核反应中所占的份额）较低到高级的，即比威力和聚变比较高的氢弹也有一个发展过程。其中的一条途径是加强型原子弹模型，已弄清楚了这种模型的威力与重量的关系，要想威力上去，重量就得上去；在总威力中，聚变威力所占的份额不能随着威力的增加而增加；这种核弹中所加的热核材料，固然能起到加强原子弹的威力的作用，但由于热核材料燃烧得不充分，这种加强作用又是有限的。从分析加强型原子弹模型看出，这种模型中氚一中子之所以达不到多次循环，是因为热核材料没有被极高地压缩，没有达到极高的密度。”
摘录自“往事不尽如风——绝密的中国1100目标亲历”
家园 三相弹应该是氢弹吧？ 维基百科-核武器
区别核武器是属于裂变还是聚变核武，要靠分辨武器能量的主要来源。因为现代的核武通常结合两种核反应：聚变需要先以裂变产生足够的温度及压力启动；同时裂变在聚变开始后效率会得到提高。故此部分核武是三级设计：最先在外围第一级先用核裂变，造成聚变条件。中部第二级聚变发生后，再引起弹头中心的第三级的第二次裂变反应，造成裂－聚－裂反应的三级核弹，是现在最大破坏性的武器。此核弹称为三相弹、氢铀弹、三级效应超级炸弹或肮脏的氢弹。家园 按照我国标准，三相弹绝对不是氢弹 聚变反应的能量要在30% 以上；加强型原子弹结构，尽管其中伴随着热核反应产生，但持续代数较少，不能称为氢弹。维基百科也不能全信，至少核武器上不权威，你引用的示意图也有错误。
加强型原子弹中的聚变材料和氢弹用的聚变材料是有不同的,助爆原子弹中的是D-T反应,加入了氚,降低热核反应的难度,所以次级可以轻易点燃内部的助爆材料让助爆材料释放足够的中子;而氢弹不一样,次级聚变材料完成的是D-D反应,反应难度大的多,目前已服役的必须靠初级的X射线进行压缩点燃.
家园 氢弹的细节我就说不清楚了 实在是不可能找到很靠谱的资料，泛泛说起来可信度又不高。我文章里面引用的核弹结构图只是一个例子，说明简单的核弹结构并不是秘密。对于三相弹、加强弹或者说氢弹这么复杂的东西，不做实验就能造出来是不可能的。
文章的意图也只是分析下日本做出简单的原子弹的可能性而已。
家园 所以说三相弹不是干净的核弹，广义来说也是脏弹的一种 内核是原子弹，外层材料是用核裂变材料，第一能量转换效率不高，浪费宝贵的裂变材料；第二核裂变材料会抛射形成广阔的核沾染区，有二次后效杀伤效果。所以中美最新一代的氢弹采用的是激光点火聚变，就是所谓的“手电筒点火”，大大提高了能量转换效率，提高了一次杀伤的效果，尽量减少核沾染。从这点意义上说，氢弹是越来越干净了。
MOX属于想从核门槛上快速爬过去的做法。O(∩_∩)O~
家园 你这个说法挺不靠谱的 MOX的钚含量是不够的，单纯的MOX拿来什么也做不了
从MOX里面提取钚不如把核燃料放进反应堆然后一两个月之后取出，经过核燃料处理厂提取钚239。更好的方法是利用快堆生产。
不达到一定浓度的话，怎么着都不能用来做原子弹或者氢弹里面的部件。
MOX本身不是问题，核燃料处理厂才是核门槛的关键。快堆更是大量快速生产钚的好方法。
家园 非常不靠谱 氢弹点火并不困难，困难的是压缩。三相弹用的是原子弹爆炸提供的高能X射线来压缩。要实现这个压缩，激光是无论如何都达不到的，目前为止只有三相弹那个精巧的结构利用原子弹爆炸的X射线实现了。
- 复 非常不靠谱
家园 大师于敏想出的“复杂构形”的氢弹，其原理与当时美国同步 于敏直截了当地认为到加强型核装置（三相弹）的构形不利于热核材料的压缩和燃烧。
简单的四个字“复杂构形”，在西方世界，它被叫做Taylor-Ulan模型。
这个构形可能是这个世界上被最严格保守的秘密。托米表哥是从他的山姆表弟那里得到了这个模型，高傲的高卢人花了十多年也没法想出这个构形，最后还是托米告诉了他们诀窍，作为报酬，他们甚至让托米这个内鬼混进了欧共体，惹来了无穷无尽的麻烦。
有谁有志于了解这个“复杂构形”，倒是可以介绍一个捷径，西北工业大学和国防科技大学分别有“原子弹工程物理”和“氢弹工程物理”这两个“黑色”专业，可以去考，毕业后再去考中国工程物理研究院相关专业的硕士博士，运气好的话，大概十多年以后就会有人把这个构形告诉你了，之后你就离不开这个圈子了。即使叛逃出国，第一个来干掉你的也许就是CIA 的特工，因为“你知道一个他已经知道的秘密，他不想让别人知道这个秘密”。
至于氢弹激光点火的事，九院和老美的洛斯·阿拉莫斯实验室、劳仑斯·里佛摩尔实验室均取得重大成果，属于第四代核武器，具体嘛，佛曰不可说。
