撰文 亚历山大·格拉泽(Alexander Glaser)
弗兰克·N·冯希佩尔(Frank N. vonHippel)
世界各地有许多采用高浓缩铀为燃料的民用核设施,极易成为恐怖组织瞄准的目标:只要搞到一定数量的高浓缩铀,就能制造出威力巨大的简单型核弹,对世界施以核威胁和核恐怖。
第二次世界大战末,美国在日本广岛市投放了第一颗原子弹,那颗原子弹代号为“小男孩”,含有约60千克链式反应铀,一举将该市化为灰烬。当它在那个港口城市上空爆炸时,它的一部分装药处于亚临界质量状态,这部分装药由一种相对简单的枪式机械装置射入另一部分装药,引起其混合物中的铀235达到超临界状态而发生爆炸,其爆炸威力相当于1.5万吨TNT当量。几天之后,另一颗原子弹将日本长崎市化为废墟,该原子弹的爆炸装药没有使用铀,而使用了钚,引爆它需要使用复杂得多的技术。
此后60年间,虽然少数几个国家生产了10多万件核武器,也经历了一些危机,但迄今为止尚未发生类似上述的核灾难。然而,另一种令人担心的威胁正日益严峻:基地组织(al Qaeda,又称阿尔凯达)之类的亚国家恐怖组织可能会获取高浓缩铀(HEU),用以制造出一种简陋的枪式起爆装置,并使用由此制造的核武器来对付一座城市。HEU是指含有铀235的铀(而铀235则是能维持核链式反应的铀同位素),其铀235的重量浓度在20%以上。
制造枪式原子弹所需要的技术极为简单,以至于在投放“小男孩”之前,研制它的物理学家从未对这种设计进行过核试验,他们相信,如果扣动“扳机”,该武器肯定会爆炸。因而一些专家认为,一个装备完善的恐怖组织可能制造一种可供使用的枪式机械装置。实际上,有些人的担忧的确令人深信不疑:自杀袭击者能渗入HEU贮存设施,制造一种所谓的简易核装置,并在安全警卫作出反应之前就引爆它。
虽然非国家组织无法生产HEU,但是通过偷窃或黑市交易却极易获得它:大约有1800吨核材料遍布全球,主要是由美国和苏联在冷战期间制造的,目前,在一些民用和军用核设施中都可能找到HEU。然而,我们将主要集中探讨一些正用于或打算用于研究型核反应堆的民用HEU燃料,它令我们尤其担心,因为比起军用品来,民用品更缺乏严密的安全保护措施(用于核电站发电的铀燃料,一般只稍加浓缩,其铀235重量浓度仅为3%~5%)。
分散于世界各地的民用HEU有50多吨,供大约140座反应堆使用,这些反应堆主要用于科学或工业研究,或生产医用放射性同位素,这类设施常常位于城区,而且其安全系统和警卫保护措施最差。俄罗斯使用HEU燃料的反应堆尤其令人担忧,所使用的HEU数量为全世界HEU总量的1/3左右,占现有的所有民用HEU一半以上。
核设施的安全防卫措施必须得到改善。但是从长远观点看,消除核恐怖危险的最有效方法,就是任何地方都不再使用HEU,并处理囤积的HEU存货,用铀238稀释回收的HEU(铀238是一种极为普通的铀同位素,不能维持链式反应),生产出专家称为低浓缩铀(LEU)的核燃料,这种核燃料的铀235含量低于20%,不能用来制造核武器。
全世界如此众多的民用设施拥有HEU,主要是因为20世纪50年代和60年代“和平利用原子能”(Atoms for Peace)时期美国和苏联相互竞赛所致。这两个冷战时期的超级大国建造起数百座研究型反应堆,同时又将这类设施提供给约50个其他国家,以获取政治利益,并在海外确立各自的反应堆技术优势。后来,为了适应对寿命更长的核燃料的需求,一些出口限制被解除,这样便导致大多数研究型反应堆都使用核弹级HEU作为燃料,这些HEU则是这两个竞争对手为制造核武器而大量生产的。这种浓度极高的核燃料含有大约90%的铀235。到2005年底为止,大约有10吨出口的核弹级HEU仍留在一些没有核武器的国家,这一数量足以制造150~200个枪式核爆炸装置。
改造反应堆
20世纪70年代,美国政府率先开始采取措施,防止过去20年里已出口的研究型反应堆燃料转化为核武器。值得注意的是,美国能源部从1978年着手实施“降低研究和试验反应堆的燃料浓度计划”(RERTR),改造美国设计的反应堆,以便它们能使用LEU燃料运行。至2005年末,这一努力已使41座反应堆得到了改造,这些改造过的设施每年总共从美国接收大约250千克核弹级HEU新燃料。
其余42座反应堆使用的HEU燃料,目前正在替换或者打算替换。遗憾的是,直到开发出可用的LEU新燃料之前,尚不能将大约10座高功率研究型反应堆改造为使用LEU燃料。目前,这些高功率反应堆每年要燃烧大约400千克HEU燃料,它们一般拥有专门设计的致密堆芯,以便让需要高放射性的中子散射实验或材料试验的中子流量最大化。在原来专为使用HEU燃料所设计的致密反应堆堆芯内,现今的LEU型燃料并未充分发挥作用。
为了最大限度减少这种改造对高功率反应堆设计带来的影响,执行RERTR计划的研究人员必须制造出新的LEU燃料,使它的几何尺寸和燃料寿命与被取代的HEU燃料相同。然而,这项工作面临一个重要的技术难题,因为这种LEU燃料中,每个铀235原子伴随有约4个铀238原子,所以燃料元件设计人员在不增大其尺寸的条件下,必须将HEU型燃料元件的铀含量增加约5倍。经过数年努力,这项开发LEU燃料的小型计划似乎接近于掌握一些制造技术,可开发出一种有前途的新一代高密度燃料。
回收可用于制造核武器的燃料......
日益增长的紧迫性......
被遗漏的HEU源......
寻求解决方案......
(译/赵学庆)