互动科普

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

20世纪90年代，美国开始与俄罗斯联手保护和清除HEU库存。由于俄罗斯和其他前苏联国家的未烧过的新HEU燃料失窃，使这一努力得到进一步推动。通常仅在追回这些核材料之后，当局才报道这些偷窃活动。到底有多少这类核材料失窃，不要说外国人不知道，恐怕就连俄罗斯人也不一定知道。

为了限制未经授权而擅自移动俄罗斯民用HEU的数量，美国在1999年制订了一个加强材料管理与转换计划，以便首先获取和混合大约17吨过剩的俄罗斯民用HEU。至2005年末，大约有7吨HEU被稀释到20%铀235浓度。

另一个努力则集中于“烧过的”HEU反应堆燃料。这种核废料的反应堆芯中，核裂变链式反应仅消耗了50%左右的铀235，大约80%的剩余铀中仍含有铀235，其浓度与投放在广岛的那颗原子弹的原子装药浓度相同。

将这种核废料从反应堆中取出几年之后，它仍具有“自我保护性”，可防止被盗，也就是说，它的放射性极高，在大约数小时内必能让任何试图搬动它的人致死。核工作人员也只能在得到良好的屏蔽保护的条件下，通过遥控手段来操控这类材料。然而，辐射危险程度将随时间流逝而减少。大约25年后，对于未穿防护服的工作人员来说，在距离一座普通的5千克研究型反应堆燃料元件一米处工作5个小时后，其辐射剂量使人致死的概率约为50%。一些专家向国际原子能机构(IAEA)建议，在这种辐射水平下，该燃料再也不能被认为具有自我保护性了。

日益增长的紧迫性

由于全球HEU核废料的自我保护能力日益减少， 1996年，美国政府要求一些已接受美国HEU燃料的国家将两种普通型的核废料运回美国，以应对这一危险。6年之后，美国携手俄罗斯和国际原子能机构，共同致力于让新的和烧过的HEU燃料返回俄罗斯，不过进展不大。到目前为止，原来包括大约1吨美国生产的HEU燃料的核废料被运返，但仍有10吨留在国外；运回俄罗斯的HEU燃料为0.1吨，仍有约两吨新的和烧过的HEU燃料留在原来存放它们的其他国家。已装运回美国的研究型反应堆核废料，目前存放于南卡罗来纳州和爱达荷州的美国能源部(DOE)仓库中；俄罗斯则从核废料中分离出HEU，然后加以混合，以制造新的低浓缩燃料，供核电站使用。

2001年，9·11事件发生以后，一些非政府组织和美国国会议员给美国能源部施加了更大的压力，促使其努力保护全世界的民用HEU库存。早在20世纪70年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的前武器设计师西奥多·B·泰勒(Theodore B. Taylor)就警告过核恐怖的危险，而9·11悲剧则大大提高了他呼吁采取行动的可信度，也让对“全球性清除”非军用HEU的要求不断增长。作为答复，美国能源部制订了一个减轻全球威胁计划(Global Threat Reduction Intative)，以扩大和加快上述计划中某些部分的实施。当前目标主要集中于：将俄罗斯生产的所有未照射过和已烧过的HEU燃料分别于2006底年和2010年底运回俄罗斯；到2019年，则将美国生产的所有HEU核废料运回美国。该计划还预定，到2014年，将所有美国民用研究型反应堆都改造为使用LEU燃料。

因此HEU清除计划中的一些因素变得更具积极作用，但是，即使2005年财政年度的资金提供量较之上一年增加了25%(达到7000万美元左右)，相对于政府所制订的耗资数十亿美元的计划而言，比如部署一个导弹防御系统和提高国土安全能力之类的计划，留给该计划的资金仍然微不足道。反常的是，这个关系重大的HEU清除项目的低成本却可以部分地解释这个原因：它在历届政府中一直没有高层拥护者，在国会中也只有少数坚定支持者。能源部长和一些关键的官员，比如国会拨款委员会主席，将他们的大部分时间都花在一些大预算项目的争斗上。

在俄罗斯，一些仍然有效的HEU清除计划得到了实施，目前正采用一种“颠倒干”的方法。这些计划的代表直接与俄罗斯核研究机构一一进行地方级别的谈判，然后让这些研究机构从其政府那里获得允许。令人感到高兴的是，对于俄罗斯政府来说，一个100万美元的计划似乎微不足道，但是却能大受一个资金短缺的核研究机构的欢迎，因而若干个类似项目正在实施中。

被遗漏的HEU源

目前的一些HEU燃料转换和回收计划，主要集中于需要更换HEU燃料的研究型反应堆，基本上忽略了一些临界装置(critical assembly)和脉冲反应堆(pulsed reactor)，它们是另外两种类型的研究型反应堆，其堆芯总体上都含有大量危险的HEU材料。

临界装置是一种新型反应堆堆芯的物理模型，用于测试某种堆芯设计，如工程师预期的那样，它能维持一种裂变链式反应或临界质量状态。因为这类装置一般仅限于产生大约100瓦的热量，所以它们不需要冷却系统，工程师仅仅将燃料和其他材料堆叠起来，就能建造出这类装置。

1994年，本文作者之一冯希佩尔第一次见到这样一个装置，当时他作为白宫的一位官员，与美国核材料安全和核算专家一道参观了俄罗斯库尔恰托夫研究所(Kurchatov Institute)，该所是位于莫斯科的一个原子能研究中心，在那里的一栋无人守卫的大楼内，他们看到70千克几乎纯净的武器级铀圆盘，这些圆盘存放在一个看起来像中学衣服柜那样的东西里面。这种铀235圆盘主要用于一种航天器反应堆的临界模型。那次参观导致美国首次为该研究所提供资金，以提高其安全防卫水平。最近，库尔恰托夫研究所和美国能源部已开始讨论一个联合项目，以便给该所的许多使用HEU的临界装置“卸料”。

另一个这样的场所，就是位于奥布宁斯克的俄罗斯物理学与动力工程研究所(IPPE)的一个临界装置。这个临界装置可能拥有世界上任何一个研究型反应堆场所中最大的HEU库存量：8.7吨HEU，其中大部分却装在数万个直径约5.08厘米的薄铝与不锈钢覆盖的圆盘中。操作人员将这些圆盘放入一些圆柱容器中，这些圆柱容器与其他装有贫化铀的圆盘交错放置，以模拟各种平均燃料浓缩度。因为这些圆盘仅发出低水平的辐射，所以技术人员可用双手堆放它们。确保圆盘不被偷窃，成为了一个十分棘手的安全问题。最近我们进行了一项分析，该分析看起来似乎使该装置负责人确信：该实验室不需要武器级铀。对于设立一个联合项目来处置这种材料，美国能源部的一些官员非常感兴趣。

其他未得到正确评价的HEU燃料装置为脉冲反应堆，它们一般以极高功率工作数毫秒或更短时间。武器实验室通常采用脉冲反应堆产生强烈而短暂的中子脉冲(就像核爆炸所产生的那种脉冲)，来评估材料和仪器的反应情况。这些装置引起了类似于临界装置的安全问题，因为它们使用的燃料也只有极少的放射性。全俄实验物理学科学研究所是俄罗斯第一个核武器设计实验室，位于莫斯科东面400千米处，该所的一台脉冲反应堆拥有0.8吨HEU，该数量的HEU足以制造15颗投放在广岛的原子弹。在听取了冯希佩尔关于HEU危险的谈话后，该研究所的研究人员表示，打算研究把该反应堆改造为使用LEU的可行性。

虽然全世界拥有70多个使用HEU燃料的临界装置和脉冲反应堆，其中半数以上在俄罗斯，但是只有少数几个为当今研究工作所必需。这些装置大多数建于20世纪60年代和70年代，目前在技术上已经陈旧过时，属于淘汰对象。它们所承担的许多任务都可以采用台式电脑模拟完成，这些电脑模拟，可以计算出精细的三维反应堆模型中发生的中子链式反应进展情况。工程师通常可对照过去临界状态实验的归档资料，检查这些数学模型，确认其有效性。然而，为了填补先前实验的空白，可能仍需要少数几个使用HEU燃料的通用临界装置。对于可能仍然需要用来进行研究工作的这几个脉冲反应堆，工程师可将它们改造为使用低浓缩燃料。

一位IAEA专家预计全世界85%以上的老化的研究型反应堆都可以退役。他评述说，使用最新技术的少数地区性中子源，就能更好地满足它们所提供的服务。为了吸引使用反应堆的研究人员，同时还可以实施一项退役计划，以加强其余研究型反应堆中心的能力。一些欧洲国家和日本可以联合美国进行这样一种努力。事实上，关闭这些反应堆，可为那些拥有反应堆和大量弱辐射的HEU库存的研究机构提供资金来源：这些HEU库存品在渗入用于为核电站提供燃料的安全LEU之后，其每吨将带来约2000万美元的收益。

寻求解决方案

对于改造采用HEU燃料的反应堆的努力已持续了25年以上。HEU的使用仍在继续，这与技术上的原因无关。这种失控状态主要源于缺少政府高层足够的支持。一部分担心重新批准或停止运转的反应堆操作人员的抵制，也已经成为障碍。

尽管目前对核恐怖存在着普遍担忧，但是HEU清除计划的大部分内容仍继续以极其缓慢的速度实施着。政府必须提供更多资金，以促进可使用替代LEU作为燃料的反应堆的改造工作，并确保用于改造其余反应堆的实际替换燃料元件的开发。此外，该计划还必须扩展到包括所有使用HEU燃料的临界装置、脉冲反应堆和其他一些HEU燃料的民用用户，比如俄罗斯核动力破冰船。

如果美国及其盟国要认真对待并阻止核恐怖的挑战，那么民用HEU在5~8年内便可从世界上清除掉。如继续拖延这一工作的完成时间，将来则只能为核恐怖分子提供更多机会。

概述/保护民用铀235

◆恐怖分子哪怕获得不足100千克的高浓缩铀(HEU)，也能相当容易制造和起爆一颗简易而有效的原子弹。HEU对于一些寻求秘密发展核武器的国家也有相当大的吸引力，因为不必进行核试验就能用它制造核弹。

◆遗憾的是，全世界的核研究设施贮存有大量的HEU，特别是在俄罗斯，这类设施的安全保护措施通常最差。

◆美国及其盟国已制订了一些计划，以加强安全保卫工作，将反应堆改造为使用低浓缩铀(不能用于制造核武器)，还从世界各地的研究型反应堆现场回收HEU。然而，一些不安全的漏洞依然存在。

◆政府高层的关注，再加上较少的额外投资，就能对永久解决这个问题大有帮助。

本文作者

亚历山大·格拉泽和弗兰克·N·冯希佩尔是普林斯顿大学科学与全球安全计划的同事。格拉泽是该研究班子的成员，最近获得德国达姆斯塔特理工大学物理学博士学位，他在该大学从事研究型反应堆改造技术难题的研究。冯希佩尔则是一位训练有素的理论核物理学家，他与格拉泽共同指导该计划，并且还是公共与国际事务教授。1993年和1994年，冯希佩尔出任白宫科学技术政策办公室国家安全主任助理，与此同时，他还帮助美国推出了一些计划，以改善前苏联核材料的安全状况。他们两位都参加了最近组建的可裂变材料国际小组委员会，该小组委员会致力于终止高浓缩铀和钚的使用。