为什么造原子弹时,工人可以去车铀球,浓度那么高辐射不强吗?

各位在观看两弹一星纪录片时一定对一个情节记忆犹新,原公浦师傅独自一人在车床边车制出一个铀球,闪闪发亮,都能照出人影!

而原公浦师傅则仅仅只有普通的手套和口罩,甚至连护目镜都没有,而且事后原公浦师傅身体健康,一直到80岁才去世!吃瓜群众们想不通了,这原子弹的铀装药不是具有放射性吗?为什么原师傅直接车制都没问题?

什么样的物质才具有放射性?

我们知道自然界有很多物质具有放射性,那个放射性危险的符号大家一看就能明白,但哪些物质才有放射性呢?

有两种原因会导致物质具有放射性

一种是质子多了的重元素,另一种是中子多了的同位素,前者常见的比如铀、钚、镎等92号及以上的元素都具有放射性,后者则是中子多了的同位素,比如氢的同位素氕原子核,只有一个质子,所以没有放射性!

到了氘的原子核是一个质子+一个中子,它也没有放射性,但另一种同位素氚是一个质子+2个中子,中子多了原子核也不稳定,变成放射性同位素了!

三种衰变方式

放射性元素衰变有三种,分别是α衰变、β衰变、γ衰变,这三种衰变特性不一样,其中影响比较低的是α衰变,重核衰变时会释放一个氦核(氦四原子核:2个质子,2个中子),由于原子核质量比较大,它的飞行距离不远,穿透力也不强!

还有一种则是β衰变,这是弱相互作用下的β衰变,β衰变发射的高速电子流,速度很高,可达光速的99%,因此它有比较强的穿透力,它的危害也比较强!

最后一种是γ衰变,当原子核发生α衰变和β衰变时,处于激发态的原子核可能是不稳定的,从低激发态和基态跃迁时往往释放出光子,这就是γ衰变,γ射线的光子的能量极大,穿透力非常强,因此在三种衰变中γ衰变危害最大,防护也最难,一般序号厚厚的混凝土或者铅板才能屏蔽!

为什么铀的放射性那么低,人都可以直接拿?

造原子弹的材料一般是铀-235或者钚-239,我国的第一颗原子弹用的核材料是铀-235,它的提纯是非常困难的,因为自然界提纯的铀中,99.3%的比例都是铀-238,这种铀材料也具有放射性,但铀-238只能由快中子引发裂变,而铀-238裂变时只能产生慢中子!

所以原子弹的铀装药就只能用铀-235了,当然还有钚-239,一般都是这两种裂变材料,但铀-238和235就差三个中子的差异,化学性能几乎就一致,所以分离很难,一般采用离心法、气体扩散法和激光法分离,离心法原理很简单,利用差异三个中子的一丢丢密度,将含铀的六氟化铀气体通过高速旋转的多级离心机逐渐分离!

而美国第一颗原子弹的铀-235使用的则是劳伦斯法分离,其原理也是密度差来分离铀蒸汽,它们在圆周运动中直径238要比235大大约1.29%,就这个细微的差异,美国人用了2.5万人,1100台分离机制造了50千克铀!

铀-235的提取过程中,与磁铁分离的阿尔法同位素分离罐。

同样吃瓜群众很好奇,为什么提纯后的铀甚至能用手捧,真的不会有事吗?其实我们从铀的衰变角度来分析下,各位就不会觉得奇怪了!

铀-235的自然衰变链

铀-235的衰变链的第一个的半衰期就是七亿年,会在发射一个氦核变成钍-231,然后通过β-(高速电子流)衰变成镤-231,然后再是α衰变.........

从这个衰变链中,我们看到危害最大的也就是β-衰变,在钍-231衰变中产生,而刚刚生产出来的铀-235中杂质含量很低,从理论上看,铀-235绝大部分都是α粒子,对它危害的防护甚至可以用一双手套搞定,因此从理论上来看,纯铀-235我们就算放在口袋其实也没啥事!当然你也没机会拿到,如此纯度级别的铀-235,是受到严格管控的!

这个比较直观

因此从这个角度分析,原公浦师傅车制铀球风险确实不大,但真正要注意的是α粒子辐射对人体也有害,因此绝对要当心车削时铀尘埃的吸入,因为从身体内部辐射无法屏蔽,而从照片中原师傅是有带口罩的,因此防护得当,伤害可以降到最低!

原公浦和夫人

为什么原子弹爆炸放射性污染会那么大呢?

衰变和裂变其实是两个概念,裂变产物和衰变完全不一样,比如铀-235裂变产物是氪-92和钡-141,当然爆炸初期产生的核辐射并不是这些放射性产物产生的,主要是核爆过程中产生的伽马射线和中子流,两者穿透力都极强,但影响方式有差异!

裂变产物的质量数产额图:铀-235、钚-239、铀-233的热中子裂变产物

后续沉降产生的主要是裂变产生的放射性元素衰变,以及衰变的产物再衰变,比如氪-92的半衰期只有1.8秒,经过β?衰变成铷92和91(比例比较低),衰变链条:氪-92 → 铷-92 → 锶-92 → 钇-92 → 锆-92。另一路则是钡-141,它的半衰期为18.27分,衰变产物是镧-141......

核爆或者核裂变后的产物和自然衰变产物不一样,所以从这些核裂变产物后发生放射性元素来看,核爆后要严重得多!

还有一种是超过临界质量的自发核裂变,这也是非常严重的一种情况,因为即使是纯铀-235,它也会有一定可能自发裂变,当产生的中子在飞出铀块以前撞击到另一个铀原子核,那么它会继续裂变,当然自发核裂变和链式反应还是有区别的。

一般这种叫做超临界事故,单个铀块不太可能会人为制造成超临界状态(超过临界质量,据说加拿大核科学家斯罗达博士就徒手掰开过一个将要合一起形成超临界状态的铀块),但在工厂生产的溶液状态时就很容易发生超临界事故,比如1999年的日本东海村核事故,三维工人将浓缩度18.8%的硝酸铀酰溶液倒入沉淀池均一化作业时,不慎倒入了160升(380gU/L),约合60.8千克铀-235,超过了50千克的临界质量!

瞬间就达到了超临界状态,作业区三名工人受到超强剂量辐射相当于站在暴露的核反应堆旁,最终2名工人以极其惨烈的方式熬了几个半月后死去,另一位工人幸存!

对于放射性场所作业,绝不可掉以轻心!而另一种则是放射性探伤仪,用的大都是钴-60,这种物质衰变时会释放两束315 keV的高速电子流,还有两束伽马射线,非常要命的一种放射性衰变方式,要是捡到后放在兜里,估计就这辈子就报废了,而这样的案例国内还不止一例!各位千万当心,不是啥东西都可以捡的!