美国退出伊核协议，欧洲光打雷不下雨，伊朗重新启动离心机来生产浓缩铀。说到离心机，许多人会自然联想到洗衣机甩干衣服。有朋友问我，铀不是一种固体重金属吗？它又不是水银，怎么用离心机甩一甩就能浓缩了？
这是一个好问题，下面我们就来讨论离心机与铀浓缩的关系。
铀确实是高密度的重金属
铀是一种放射性元素，它的原子核里有92个质子，因此在元素周期表里排在第92位。地球上目前最多的是铀-238（238U），占到总量的99.274%，密度达到19.1克/立方厘米，与黄金差不多（19.32g/cm3）。与铀-238相比，铀的另一种同位素铀-235（235U）由于原子核里少3个中子，除了密度低1.26%，它们的理化性质几乎完全相同，这将导致二者分离困难。
尽管困难也要将它们分开，因为无论是造原子弹还是建核电站，我们都需要更多的铀-235。相比之下，铀-238的用处不那么大，除一部分用于增值反应堆外，更多地被拿来制造贫铀炮弹、炸弹和装甲，又因为贫铀多多少少还存有放射性，还引发不少因吸入气体导致的辐射污染事件。
贫铀既作装甲又作穿甲弹
铀矿的开采与提炼
铀诞生于超新星内部，它也是地球内部最常见的元素之一。全球每年大约开采6万多吨铀矿，其中哈萨克斯坦、加拿大和澳大利亚占了全球年开采量的70%以上，这些开采出来的铀矿基本上都用在了生产核电站所需要的燃料。
在地球上，铀基本以氧化物的形式存在于铀矿石中，其中主要是二氧化铀（UO2）、三氧化铀（UO3）和微量的过氧化铀（U3O8）。铀经常与其它重元素相伴而生，你可以在铀矿中找到如铅、锡、钨和一些稀土元素，也可以在铜矿、磷矿或褐铁矿中发现氧化铀。
各种铀矿石，其中含有氧化铀
铀矿中的氧化铀在开采出来之后不能直接提纯出金属铀，因为其中我们所需要的铀-235浓度只有约0.7%，远远达不到3.5%以上的核燃料标准，制造核武器更是需要85%以上的浓缩铀-235。所以需要通过一系列的转化，以便将铀-235从中尽量分离出来，这就是我们常说的铀浓缩。
我们并不能通过将金属铀、铀矿或氧化铀的粉末放在离心机里分离出浓缩铀来，因为固体分子间的力非常大，依靠惯性力无法改变它们的位置。科学家选择将其转化为气体化合物。
含有氧化铀的矿石首先会被粉碎，然后用浓酸、碱或过氧化物溶液对其进行进一步处理，以滤出铀，最后得到一种含有70%~90%过氧化铀（U3O8）的黄色粉末，这种中间物质俗称“黄饼”。黄饼难溶于水，但它可以与氢氟酸反应生成六氟化铀（UF6）气体，这为从中分离出铀-235创造了条件。
六氟化铀在常温下是气体
有技术能力的国家大多采用将UF6气体导入高速气体离心机的办法，将其中含有铀-235的气体一点点提取出来，然后再用镁或钙去还原UF6，从而将浓缩了更多铀-235的铀金属提取出来。
铀的提纯
为什么要用气体离心机？
由于原子核里少3个中子，铀-235比铀-238轻1.26%，这个差异非常小，二者的化学性质相同，特别是当它们都以化合物的形式存在时，你很难将二者区分开来。这时候就需要通过将它液化或气化，再通过人工制造重力的方法将其分离。
油与水的密度不同，当我们将油和水的混合物倒入杯子里，由于重力的作用，密度更大的水会下沉，而密度低的油会浮在水的上方。
杯里的油在最上层，水在中间，密度最大的蜂蜜沉底
空气中的各种气体都没有分层现象，在UF6气体中，235UF6仅比238UF6轻0.852%，在地球重力下它们不可能分层。
两种气体分子会混合在一起
因此我们需要利用高速旋转的离心设备产生惯性力（俗称离心力），旋转的速度越快，惯性力越大，其模拟的重力越大。
惯性力与向心力方向相反，可以利用它模拟重力
气体离心机可以将两种不同密度的气体一点点地分离开来。当将UF6气体注入高速离心机后，转子在电机的带动下以极快的速度旋转，更重一点的238UF6被甩到靠近外壁的地方，而相对轻一点的235UF6气体更多聚集于靠近转轴的位置。
在离心运动中，更重的气体分子会更靠近外壁，轻的聚集在中间
将中心的气体抽出来输入下一台离心机，又可以得到更高浓度的235UF6；那些外层的气体中同样含有少量235UF6，将其回输到上一台离心机重新分离，如此往复。
气体离心机是高度敏感装备
鉴于高浓度的235U可以用来制造原子弹，因此用于分离235UF6的关键设备气体离心机及其计算机控制系统也成为高度敏感的战略设备。我们仅知道它的工作原理和大致外形，但离心机的技术参数对任何国家来说都是最高机密，是绝对不允许外泄的。
第一代和第二代气体离心机原理图
不同于化验室里用于分析血液样品的台式离心机，用于六氟化铀分离的气体离心机是一台极精密大家伙，它的制造难度非常大，不是谁想有就能有的。
它的高度超过5米，有的可以高达12米；
拥有非常轻但坚固的转子，可以以每分钟10万转（100000rpm）的速度旋转；
通常拥有磁性高速轴承，以减少摩擦，并可持续运行长达10年；
转子非常均衡，没有振动，没有声音；
耐强腐蚀。
用于分离235UF6的气体离心机都不是单独运行，它们往往是几百上千台一排排地串联在一起，每一台离心机有一个输入口和两个输出口，含有较多235UF6较轻的气体进入下一台离心机，而较重的气体回到上一台机器继续分离，最后一台机器输出的就是235U含量最高的气体。由此我们可以知道，离心机的转速越快，投入的离心机数量越多，就可以提取更高浓度的235UF6。
铀浓缩工厂成排的气体离心机，它们有两层楼高
气体离心机及其计算机控制系统是铀浓缩的核心装备之一，根据离心机的技术水平以及装备数量，基本可以判断一国的核工业技术水平，以及它是否具备制造原子弹的能力。如果要打压一国研制核武器的能力，只需要限制其离心机的数量就可以了。
总结：
分离同位素从来就是一大难题。铀-235与铀-238互为同位素，除了原子质量稍有差异，其它理化特征基本相同，因此我们很难用化学的办法将这两种同位素分开。
科学家通过将铀化合物转化为六氟化铀气体，利用高速气体离心机制造人工重力，将两种不同重量的铀气体分离开来；再通过多台离心机一级一级地串联分离，可以得到浓度比较高的235UF6气体；最后再用镁或钙就能置换出六氟化铀气体中的铀。铀-235的浓度更多取决于投入运行的离心机数量。
核电站燃料棒及浓缩铀颗粒
虽然气体离心机不是铀浓缩的唯一选择，但至少目前它是最优选择。其它诸如半透膜气体扩散法、热扩散法、激光分离、电磁分离等方法或因成本太高，或者有这样那样的技术缺陷无法解决。
从某种角度看，用于分离铀-235的高速气体离心机是一柄达摩克利之剑，用得好，它可以造福人类，而一旦失控，它同样可以带来灾难。
