【博科园-科学科普】2015年时任美国国务卿的约翰?克里(John Kerry)带着核物理学家、能源部长欧内斯特?莫尼兹(Ernest Moniz)前往伊朗，试图达成一项核协议。人们希望伊朗拥有利用核能创造能源的自由和能力，但这样一来在不到一年的时间内制造核武器就不可能了。这是一个科学的和平的、核的梦想吗？如果是这样它会是什么样子？
在2015年能源部长欧内斯特Moniz带着一个核物理学家伴随着当时的约翰·克里和其他人会见伊朗外交部长穆罕默德Javad Zarif(2 R)和他的代表团，其中包括伊朗高级核物理学家，一个历史性的核协议在差不多两年的激烈的外交努力。图片来源：Carlos Barria /法新社/盖蒂图片社。
在有些问题中很少或根本没有解释的是铀与钚，适用于和平时期能源生产的材料和技术与仅适用于武器的材料和技术，核反应堆和非法技术转让。
根据许多指标核能是其他能源无法企及的。
与核能相比虽然许多能源在世界范围内都很重要，但为了满足人类的能源需求，每一个能源都对环境或按需满足的需求都有不利之处(正如太阳能在这里所显示的那样)。图片来源：Kevin Frayer/Getty Images
我们所依赖的每一种能源都依赖于机械、化学或电磁(包括太阳能和地热)来发电。风力是机械能的一个很好的例子：移动的风捕获叶片使内部涡轮旋转，将机械能转化为电能。化石燃料——包括煤、石油和天然气——包括燃烧含碳化合物，释放化学能量(通过重新排列电子/原子配置)，并以多种方式将其转化为电能。电磁能量有一个优点，它可以在合适的条件下直接转化为电能，尽管是以直接(而非交流)电流的形式，但核电在这里有优势。
反应堆核实验ra6(共和党阿根廷6)en marcha。只要有正确的核燃料，加上控制杆和内部适当的水，产生的能量仅为常规燃料反应堆的1/10万。图片版权：Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
与风能、太阳能或水力发电不同，它不受每小时、每天或季节变化的影响，你提供燃料和合适的条件，而核能则提供你需要的电力。与煤、石油或天然气不同，它不会产生温室气体排放(因为它不会燃烧碳)，而且我们也没有任何危险的燃料耗尽燃料，长达数万年之久。而不是依靠化学转变，在原子和分子的电子构型被改变释放能量的过程中，核能依赖于核裂变的过程，在这个过程中重元素被分开，通过爱因斯坦的E = mc2释放能量。核转变的效率大约是10万倍，这意味着可以通过化学反应为城市提供一天的能量，而核反应可以持续数个世纪。
铀- 235链式反应既导致了核裂变爆炸，也产生了核反应堆内部的能量。图片版权：E.Siegel, Fastfission / Wikimedia Commons
但是核能有一个潜在的缺点，远远超出了对环境和生态灾难的恐惧：这些核反应的副产品产生了可以用来制造原子弹的材料。和朝鲜最近的核试验，冷战还剩余的挥之不去的恐惧及许多人仍然活着的人记得1945年轰炸广岛和长崎的影响，核扩散的恐惧是真实的，是必须解决的一个问题。
1945年来自koyagi - jima的原子弹在长崎上空的蘑菇云是世界上第一次核爆炸。经过几十年的和平朝鲜现在正在引爆核弹实验。图片版权：Hiromichi Matsuda
它最基本的形式是核裂变来自于铀矿石，它是可裂变的u - 235和非裂变u - 238的混合体。在燃料消耗完之后u - 235的大部分都被分开了，还有大量的额外产品。这些元素包括元素周期表上的元素锌和一些高放射性元素以及在自然界中是找不到的元素包括：
1、u - 236是乏燃料的“指纹”，
2、四种不同同位素的钚：pu - 238，pu- 239，pu - 240，pu -241
3、和一些锔，铜- 245。
在最简单的层面上燃烧这种裂变铀所产生的钚是制造核武器的关键。
通过简单地将中子添加到u - 238，这是将铀燃料留在核反应堆的必然结果，许多重元素的同位素都产生了，包括pu- 239和pu- 240。图片版权：JWB at EnglishWikipedia
大约1%的废核燃料将会变成钚。一般来说钚的“等级”有三种分类，因为没有好而便宜有效的方法来分离不同的同位素。分类如下：
1、超级武器级钚含量低于3%的pu- 240
2、武器级钚含量低于7%的pu -240
3、反应堆级钚含有7%或更多的pu - 240
在大多数情况下这是制造核武器的关键，因此在最简单的情况下，防止核扩散的关键是确保生产的任何钚都不是武器级的，也不是超级武器级的。
一种钚- 238氧化物颗粒被加热热中发光。作为核反应的副产品，pu- 238是用于为深太空飞行器提供动力的放射性核素，从火星好奇号探测器到超远的旅行者号宇宙飞船都有应用。图片版权：U.S. Department of Energy
当一个反应堆“正常运行”时这意味着很长一段时间直到u - 235燃料耗尽，就没有生产武器级钚的危险。事实上在这样的条件下钚元素中只有不到80%的钚会是裂变的pu- 239，有19%或更多的变成pu - 240。原因很简单：核裂变产生中子，更大的原子核具有更大的吸收中子的截面，所以u - 238可以很容易地吸收一个中子变成-pu239(在一些放射性衰变后)，而pu- 239也可以很容易地吸收一个中子变成pu - 240。
因此制造武器级钚的关键在于在短时间内将u - 238辐照到u - 238(u - 238)，足够生产pu - 239，但时间不够长不能制造出pu - 240。通过这种短时间的辐照很容易产生武器级的钚，在这些钚中高达93%的钚是裂变的pu- 239，大约在6%到7%的pu - 240之间。以来最主要的担心之一是防止国家除了建立核weapons-having州获得-核不扩散的目的很可能主要关心欧内斯特Moniz在2015与萨利希(物理学家监督伊朗核计划)是在确保任何创建没有武器级的钚。
2015年7月伊朗和6个主要世界大国达成了一项核协议，结束了长达10年的谈判，这一协议可能改变了中东。第三名来自伊朗的首席核科学家阿里·阿克巴尔·萨利希(Ali Akbar Salehi)促成了这一协议的达成。图片来源:Joe Klamar/AFP/Getty Images。
另一个主要问题是u - .235与u - 238的分离。正常的铀矿石只含有百分之几的u - 235，超过95%的天然铀存在于u - 238。然而不仅仅是钚被用来制造核裂变炸弹，还有裂变铀，它的铀浓缩程度远远超过自然发生的水平。核物理学家经常谈论SWU，它代表分离的工作单位，或者是制造浓缩铀所需的工作量。谈判的一部分是双方都在评估非核国家制造浓缩铀的效率和能力，而美国的目标是至少需要一年的努力，使非核国家能够制造出具有核弹价值的材料。
铀矿石的含量不到1% u - 235，必须加工成反应堆级铀。黄色蛋糕铀的照片，一种由铀矿石制成的固体铀氧化物，黄色蛋糕必须进一步加工成反应堆等级。这是u - 235 3 - 5%。武器级需要大约90% u - 235。图片版权：Nuclear Regulatory Commission / US Government
这两个问题包括制造浓缩铀和武器级钚，很有可能成为任何有关非核国家核扩散问题的讨论的中心，需要特别的专门知识来准确地执行估计和计算。如果我们做对了而且所有各方都采取了相对负责任的行动，可以生活在这样一个世界，在这个世界上许多国家都能获得核能带来的巨大好处，同时仍然维持着一种全球安全水平，而这些国家的安全依赖于那些没有核武器的国家。
无上限燃料储存在k - east盆地的水下。这是在汉福德核电站使用的核燃料。这可能会被加工成反应堆级的钚……甚至更多的东西。图片版权：U.S. Department of Energy
虽然许多人认为这对地球的计划来说太危险了，但这艘船在1953年返航，当时艾森豪威尔的原子是为了和平计划。从那时起能源部的作用之一就是与国务院合作防止核扩散，这就是为什么我们的许多能源部长都是博士核物理学家。虽然现在不是，但这并不能让我们在这个领域失败;这仅仅意味着我们需要确保适当的专业知识能够进行适当的计算并制定适当的政策。在我们国家和当今世界的政治问题影响下，采取负责任的态度把事情做好从来都不是更重要的事情，世界的安全与安全取决于它。
作者：EthanSiegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
