武器級鈾不好提煉？給大家講解鈾濃縮離心機到底是什么玩意？

總是有人在討論武器級濃縮鈾，這玩意的確是不太好弄，主要的原因是這是一個國家級的龐大工程。但是要注意的一點是濃縮鈾是工程級的龐大，并不是復雜。要理解這句話，我們不妨參考一下樂高積木。

這是一個樂高積木搭建的塞拉摩要塞，雖然很復雜很龐大，但是依舊是由樂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。

大部分軍事愛好者對離心機的想法基本上只達到“用洗衣機可以改離心機”的程度。所以今天咱們就和昨天的文章一樣，把離心機展開講講。

離心機并不復雜，之所以是國家級項目是因為我們需要很多很多很多的離心機才可以完成濃縮鈾的操作，這才是鈾濃縮的難點。

杰西·比姆斯的氯同位素分離裝置

先辟個謠，離心機這個東西并不是美國的曼哈頓計劃的產物，在1919年用于同位素分離的氣體離心法就已經被提出，在1934年美國杰西·比姆斯在弗尼吉亞大學利用氣體離心機成功的分離出氯的同位素。在曼哈頓工程期間（1942-1946）工程初期美國曾經嘗試利用氣體離心機進行鈾濃縮，但到了1944年初期，氣體離心機濃縮鈾的工作就停止了，無他，經過計算按照當時的技術根本無法生產出足夠的濃縮鈾，曼哈頓計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）來生產的。原理很簡單：

當離子化的同位素在電場中加速，利用磁場進行偏轉，這時候比較重的元素同位素和比較輕的元素同位素的運動軌跡是不一樣的。在合適的位置上放置隔板，持續收集隔板一側的同位素就可以得到所選擇的元素同位素。

單一的一個收集器很大，而且這件事也是鋪開了來干的，

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體）和電能（產生電場磁場耗電）的原因了。

為啥說這個題外話，其實就是想給大家建立一個概念，元素的同位素的質量是不同的，在相同的力作用下，會有運動軌跡的不同——這是分離或濃縮同位素的一個最基本的科學依據。

到了二戰之后，蘇聯科學家加入了核競爭，真正的離心機濃縮鈾技術其實是蘇聯技術。現在大家看不上大毛二毛，但是當時蘇聯的技術還是相當牛逼的！二戰之后百廢俱興，在戰爭廢墟上的蘇聯也很難拿出大量白銀來建立電磁型同位素分離器。就回到了老路上，利用離心機來濃縮鈾。但在這里蘇聯人發現了一個很重要的概念：

解釋一下，這是離心機的分離能力（Separative Work Unit，SWU）的公式，SWU越高，離心機的效率也就越高。L是離心機腔室的長度，V是離心機腔室最外緣的轉動線速度，至于為什么要用43882做分母呢？這是一個經驗常數，直接用就行了。

在工程上會有很多經驗常數，這些數是對研究行為的簡化，直接拿來用就好了，沒有太大必要去深究這個數字到底是哪里來的，如果真正要研究這個數字為什么是43882而不是43883或者43881意義并不大，而且得用納維－斯托克斯方程來求解了。

但解出來又能怎樣呢？并不能制導工程模型來提高SWU，這也就是為什么W君一直說“為啥偉神的“納維－斯托克斯方程”對現代飛機設計制造并無用處？”的原因了。理論就像天上的北斗星，能讓你知道“北”在哪里，卻無法告訴你下一下邁腿會不會一腳踩到泥坑里。

啥？？？ 這里還和空氣動力學有關？對嘍，是這樣的。離心機的旋轉實際上就是利用了附面層效應和氣體的粘滯效應，依靠離心機外壁旋轉帶動離心機內的氣體運動讓六氟化鈾氣體圍繞離心機的軸線旋轉。

所以如果你拆開一個典型的離心機旋轉腔體組件你會失望的發現這里面的東西并不復雜！

就是一個套管加上幾個隔板再加入一個料管。這玩意復雜嗎？是不是極其簡單？

那復雜的是什么？

回到離心機效率公式，我們就不難發現離心機腔室最外緣的轉動線速度V才是關鍵，這個數值是以平方來提高離心機效率的。離心機的轉速越快，就越能獲得足夠高的邊緣線速度，離心機的直徑越大，也就越能提相同轉速下高邊緣的線速度。

但是，我們面對的是離心機內的氣體。由于氣體的附面層效應和粘滯效應，我們不可能把離心機的直徑往大了做！

簡單的說下這里的門道：

離心機內氣體的運動是依靠離心機內壁和內部氣體摩擦帶動的。

我們如果看氣體和界面相對運動的紋影，我們就會發現越近界面的部分受到界面的影響越大然后越遠離界面的位置運動速度越慢。

如果無限加大離心機腔體直徑，實際上會造成的效果是離心機腔體中心的氣體根本不會隨著腔體轉動。所以這條路就給堵住了。

所以要提高V在離心機這個領域內就只有一個途徑——加大轉速。

所以，問題就又回到了工程學的問題了，什么樣子的材料才可以在越來越快的離心機轉速下堅持住不碎掉呢？

或者說，用多大的轉速限制，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的材料表：

所以，你如果打開離心機的外殼看到旋轉腔體，你會發現現在離心機的旋轉腔大多數都改成了碳纖維材料。

從上面這張圖，你還可以發現離心機內部結構是有不同的，簡單的說有的是一節旋轉腔體，有的是多節旋轉腔體。

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

但是，對于旋轉腔體來說，L過大會造成離心機腔體的額外震動。于是在離心機的設計中又有了亞臨界離心機和超臨界離心機。

亞臨界離心機（Subcritical）：工作轉速始終低于第一階固有頻率，穩定性強但效率低。而超臨界離心機（Supercritical）：直接讓工作轉速超越共振區域，通過短暫穿越臨界轉速并避開模態耦合，獲得更高的邊緣速度和更長的 L。

這里面其實還是空氣動力學效應在起作用。剛剛我們談到了腔體中的氣體是依靠外壁的摩擦力帶動旋轉的。但是氣體嘛在運動的過程中會形成湍流。

對于層流（laminar）來說，我們可以當作氣體中的介質均勻移動，而湍流（turbulent）則不一樣，湍流是一種無序的流動，這樣會導致本來已經分離的U235和U238相互無序的再次混合大幅度的降低離心機效率，因此，離心機內壁要做得十分光滑之外也要盡量的降低離心機旋轉時候產生的震動。改變這個問題就需要嚴格的限制L的長度，降低部件運轉的共振。那么還有什么辦法呢？

用中間隔板進行隔離，把震動限制住各個小段內。

這樣經過計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加長的收益。

看到這里，你會發現經過這些工程學的設計，在離心機內的六氟化鈾氣體被離心機的旋轉內壁帶動有序穩定的旋轉。

這時候我們就回到之前電磁型同位素分離器的原理圖，會發現依然實現了在曲線運動中重元素同位素走外圈，而輕元素同位素走內圈。

所以說，無論是電磁型同位素分離器還是氣體離心機本質上都是讓氟化鈾氣體旋轉起來，然后依據不同的離心力作用進行分離（質量分離）。

上面在離心機的圖片中，如果你仔細觀察你會發現有三個氣流通道。一個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，產品），以及去掉了一定量的鈾235的尾料（TAILS）。

其實離心機是有效率，但是單臺離心機的效率并不高。在尾料中還含有大量的鈾235。于是單臺離心機并不能顯著的提高鈾濃縮度。

這樣接：

把尾料繼續和原料混合一級級的向后傳遞。于是一個離心機的陣列就可以建立起來了。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的原因。

那得說“數”了，從原始的0.71%濃度的天然鈾礦給離心機陣列喂料，大約要經過7094臺離心機工作，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濃縮鈾的門檻。

所以，到此，你應該了解了到底什么是離心機了，也知道其中的結構和原理了。是吧？

但同樣，你也應該清楚，這活不是一個個人自己搞得起來的，場地、能源支持都注定了這是一個個國家級的項目。