中日军事对比核力量武器级钚,日本武器级钚存储量

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三体军事 军情观察第2307期 (头条号三体军事原创,未经授权禁止转载)

核反应堆并不是一个陌生的词汇,这个装置在军用领域也是一个尖端军事技术的代表。从1960年代世界上第一座沸水反应堆开始运行以来,这个能产生巨大的能量的装置已经进入了我们的日常生活,其工作原理主要根据爱因斯坦著名的质能方程,将亏损的质量转化为能量,也就是说核反应方程式前粒子的总质量要大于核反应之后的粒子总质量,虽然质量亏损非常非常微小,但是后面还有一个光速的平方,因此这是一个巨大的能量值,当亏损质量转化为能量后,其中大部分是以热量的形式存在,少部分为辐射形式体现。如果按一个铀235裂变的情况看,可释放出200兆电子伏特的能量,1g多的铀235裂变释放的能量相当于3吨高纯度煤燃烧所释放的能量。

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图注:文殊快中子增殖反应堆:通过美日原子能合作协议和国际间的合作,日本的钚储备量一直在增加,并利用文殊快堆建立起钚的提取利用计划

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图注:核反应堆内部情景

由此可以看出,核反应堆显然要比火力发电站来得高效,但是核反应堆的类型有很多种,根据不同的情况可以将核反应堆进行不同程度或者级别的分类,目前我们听得最多的要数轻水核反应堆、压水反应堆、重水反应堆等,比如大亚湾核电站1号和2号压水堆、秦山第二核电站的压水堆、秦山三核电站的重水堆等,事实上轻水堆和重水堆是按核反应堆冷却剂和慢化剂的类型来划分,其中还有石墨堆,朝鲜宁边的5兆瓦堆就属于石墨减速反应堆,而轻水堆还可以分为压水堆和沸水堆。除了轻水、重水以及石墨堆外,按冷却剂和慢化剂划分还可延伸出液态金属冷却堆,著名的阿尔法级攻击型核潜艇设计方案中明确指出了使用液态金属钠为冷却剂的液态金属冷却剂反应堆。如果将核反应堆按照中子的能量分类,那么可以分为快中子反应堆、热中子反应堆等,基本上划分区间点在0.1兆电子伏以及1兆电子伏。

正是快中子反应堆的出现,使得铀资源的利用率得以极大地提高,但是一些国家也开始通过建设快中子反应堆来进行核武器的研发,比如日本。说起日本的核武器制造能力,几乎所有人都认为日本拥有制造核弹的工业基础,唯一的问题是日本何时能建造出核弹。其实核武器的设计、工作原理是非常透明的,并不是什么绝密的内容,对于日本而言,制造工艺上存在的问题不大,关键在于核材料的获得,目前最普及的核武器制造原料为铀235和钚239,之前有新闻披露美国要求日本归还331公斤的武器级钚,这批武器级钚可制造大约40至50枚核弹。

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图注:日本主要核电厂和核废料处理中心

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图注:武器级钚可生产核弹

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图注:钚239核材料

日本这个岛国除了火山和地震外啥都缺,因此发展核武器的难度受限于核燃料,在日本的铀矿资源还是有的,但总量很少,保守估计在千吨这个数量级,根据外界的统计,日本铀矿储备量在6000吨左右,其中包括天然铀和贫铀,还有50吨左右的钚,这些钚如果全部用于制造核弹头,至少在7000枚以上,此外浓缩铀的储备就更多了。日本从1954年开启核计划,1966年第一座商用核电站开始运行,现在全日本有50多座核电机组,每年钚产量在5吨左右。钚对于日本而言是极为重视的,青森县六所村有个著名的核燃料再处理设施,如果把这座核废料再处理设施提炼的钚全部用于制造核弹头,每年制造出的核弹头数量甚至可达到三位数。除了钚元素外,日本也投入大量的财力用于铀产品的开发,武器级的浓缩铀需要达到90%以上,日本很早就拥有了浓缩铀的技术,比如六氟化铀就是一种可以制造浓缩铀的原料之一。

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图注:日本福岛核电站事故

日本有着大量的核电站机组,福岛核电站事故虽然对日本核发展有着不小的冲击,但是仍然没有挡住日本获得钚的决心,全球民用钚存量大约在250吨左右,日本则拥有50吨左右,这个数字仍然在增长,日本核燃料制造的策略是通过再处理技术提炼出所需要的钚,并且方便进口更多的铀,将乏燃料中存在钚和还没有被充分利用的铀进行再处理,虽然这些仅为反应堆级的钚,但是其也能用于制造核弹头。

对日本钚储备有着重要贡献的要数快中子反应堆,首先要知道核裂变反应的过程。核裂变反应是一个重原子核吸收一个中子后产生两个轻原子核,该过程可伴随着大量能量释放,铀235在慢中子轰击时可释放出2个中子,这些中子又继续引起裂变反应的发生,这就是链式反应。热中子介入的反应中裂变反应物为铀235和钚239,这是两种非常重要的核燃料,自然界中只有铀235,而钚239只能通过核反应获得,如果能大力发展铀235核燃料的反应堆,就能够产生更多的钚239。日本有着相当数量的压水堆,因此需要配合钠冷快中子反应堆,这样可以将核废料重新利用起来,并且生产出钚239。头条号三体军事原创,未经授权禁止转载。

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图注:日本柏崎刈羽核电站

为了产生更多的钚239,就需要通过快中子反应堆,那么快中子反应堆是何物?事实上快中子反应堆是以钚239和铀238为燃料,其中钚239为裂变燃料,而铀238为增殖燃料,当快中子轰击钚239的原子核时,裂变反应开始进行,一个钚239核不仅可以产生维持链式反应的中子数,还可以“盈余”中子数,这些中子被铀238所捕获,于是就形成了钚239,更为神奇的是快中子堆新产生的钚239居然比堆内消耗的钚239还多,这就是“增殖”,不仅增加了产生了能量还能使基础的核燃料增殖。如果从基本技术特点上看,快堆的热效率要比压水堆高,快堆的堆芯出口温度可以达到500摄氏度以上,压水堆在300摄氏度左右,压水堆的冷却剂和慢化剂为水,快堆的冷却剂为钠。头条号三体军事原创,未经授权禁止转载。

快堆的最大特点是消耗了裂变燃料,如铀235和钚239,核反应后又产生出更多的钚239,为什么会这样呢?其实真正被消耗的是铀238,铀238在天然铀中含量达到99%以上,这些铀238吸收中子后就变成了钚239,从民用核燃料的利用上看,快中子堆解决了核废料的处理难题,同时也使得我们利用裂变性核原料的基数呈指数倍增加,大量的铀238被利用起来;从核武器的制造上看,钚239是可以用来制造核弹的,边发电边增量,何乐而不为!

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图注:全日本核电机组全部运转起来后,乏燃料的数量是相当可观的,其中至少存在1000吨以上的铀,作为核反应堆的“残渣”,乏燃料其实并不“渣”,其中存在铀235和铀238,还有钚的同位素以及多种裂变反应后产生的元素,比如铯等

从1961年开始,日本在快堆研制上的步伐就明显加快,要知道日本的第一座核反应堆原型堆JDPR示范也是在1963年投入使用,日本第一台商业性质的核电机组在1966年运行,为160兆电子伏的气冷堆,进入90年代后,日本直接去澳大利亚找铀矿,并进一步在对乏燃料进行再处理,从中提取出铀和钚,当前日本的快堆实验主要基于常阳实验堆和文殊堆。常阳堆为100兆瓦级,其定位为快速中子辐射堆;文殊堆于1994年建成,热功率700兆瓦,这一个很神奇的示范快堆,1995年就发生了钠泄露,之后停堆14年,并在2010年重新启动,但是又马上发生了中继装置坠落,再次停堆。日本之所以非常器重这两个快堆,原因在于其能够产生武器级的钚,也可以认为这个是超级钚,其不仅能用于造核弹头,还可以用于核弹头的小型化。

使用钚热发电是日本曾经发展核电的设想之一,其主要在轻水堆中发展,背景在于快堆实验的出现了问题,其中就有文殊堆的问题。在这一设想下,福岛第一核电站第三机组就是使用钚热发电,为钚的混合氧化物,当福岛第一核电站1号至4号机组报销之后,钚燃料的问题就显得比较严重,同时也造成了日本核电机组减少至51台,但日本核电的装机容量仍然是全球第三。头条号三体军事原创,未经授权禁止转载。

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图注:福岛第一核电站第三机组就是使用钚热发电,为钚的混合氧化物,当福岛第一核电站1号至4号机组报销之后,钚燃料的问题就显得比较严重,同时也造成了日本核电机组减少至51台,但日本核电的装机容量仍然是全球第三

日本的核武能力除了在中子快堆上有所体现外,其乏燃料的再处理工厂是一个更大的核燃料来源。全日本核电机组全部运转起来后,乏燃料的数量是相当可观的,其中至少存在1000吨以上的铀,作为核反应堆的“残渣”,乏燃料其实并不“渣”,其中存在铀235和铀238,还有钚的同位素以及多种裂变反应后产生的元素,比如铯等,其中钚239也有一定的含量,日本不仅消耗全日本核反应堆产生的乏燃料,还从英法等国吸收乏燃料,将英法的乏燃料运到本国进行再处理,其中青森县六所村的再处理工厂可年处理能力超过800吨,1999完成乏燃料和再处理仓库的建造。通过美日原子能合作协议和国际间的合作,日本的钚储备量一直在增加,并利用文殊快堆建立起钚的提取利用计划。

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图注:日本常阳堆在1977年首次临界

长期以来日本的核电发展上给予了极大的投入,并形成了一整套的研究体系,在下一个10年内,日本还将发展先进沸水堆、先进压水堆以及快中子反应堆,尤其是在快中子反应堆的开发上是日本核计划最主要的发展方向,在2020年代至2030年代将实现快中子反应堆的商业化的示范性应用,后续将建成商业化的快堆机组。

常阳堆在1977年首次临界,后续的文殊堆的加入使得日本在快中子反应堆的研究上有了进步,此外日本在乏燃料的存储和再处理上也是大手笔,六所村再处理与陆奥存储工厂是再处理、乏燃料存储的关键之处,保守估计陆奥存储工厂能吸收大约5000吨以上的乏燃料,六所村的再处理与乏燃料存储综合设施的储量更加惊人,乏燃料的存储能力可破万吨,日本在核弹头的开发上缺少的仅仅是时间。头条号三体军事原创,未经授权禁止转载。

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