主题：日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗？ -- 沐右
这篇文章是日本核泄漏事故基本尘埃落定之后，应果壳网的编辑要求写的。已发表在果壳网（文章链接），然后在科学松鼠会的群博上也有（文章链接）。文章里面和文后的引文有很多链接，有些我可能会漏掉了，可以到这两个链接里面去找有没有相关的链接。
这篇文章的目的，一个是从技术上弄清楚日本到底有没有造原子弹的能力，这个问题对于开始写这篇文章之前的我来说，并不是很清晰的一件事情；另一个目的，就是通过这一个事情的介绍，能大家一起学习一些关于铀、钚等放射性物质、核电站、原子弹的浅显知识，了解这些东西，可以对核的问题更熟悉一些。
日本有没有造原子弹的技术？这个问题的答案是肯定的：有。
日本有没有造原子弹的材料？这个问题的答案也基本是肯定的：应该有。
日本有没有原子弹？日本有没有动机造原子弹？日本有没有必要造原子弹？这些问题，就是我从网上能搜集到的资料，从客观的角度上回答不了的。我的答案跟大家的答案也不一定会一样的。这要看大家对日本是什么样的看法，对世界局势是什么样的看法，对不同民族的人性中的善与恶是什么样的看法，每个人的观点不同、政治立场不同，也应有个人不同的理解和答案。
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美国小男孩
2011年3月11日发生的9.0级的大地震和引发的海啸给日本人民造成了巨大的损失，而随后发生的福岛核电站的事故也让包括中国美国在内的周边国家民众遭受了一把核辐射的心理冲击：在中国引发了碘盐的抢购，在美国则引起了碘片的脱销。同时，关于日本核野心的各种说法又在网络上传播，那么，日本发展MOX是为了攒钚造核弹吗？
链式反应和核武器的制造基础
一些放射性元素（比如铀235）可以发生核裂变反应：一个原子核在中子的轰击下会分成两个或者多个部分，变成轻一些的其他元素，放出大量的能量。我们可以 利用这一反应来发电，这样的发电厂就是核电站。核裂变发电是当今世界上非常重要的一种新能源。尽管公众对核电站的安全性有所疑虑，核能发电实际上是目前广泛应用的最 安全的能源[1]，从统计数据来看，它比火电、水电发生致命事故的可能性要小得多；核电也是一种很清洁的能量来源，发电过程中没有碳排放，对公众造成的核辐射也比火电小的多（煤里面含有铀等放射性元素，火电和核电的比较参考阅读）。
一个铀235原子核发生裂变反应的同时，一般会放出2~3个中子，这些中子可以轰击其他的铀235原子核，使他们发生裂变反应，这个过程叫做链式反应。如果使用的是高纯度的铀235，并且质量超过一定的值（临界质量），那么发生核裂变反应的原子会越来越多，在极短的时间内，整块材料都会发生裂变反应并放出巨大的能量，产生威力巨大的爆炸，这就是原子弹的原理。核电站使用的燃料浓度要低的多，一般用的是含有4%铀235的二氧化铀，其他96%的都是不能直接发生核裂变反应的铀238。值得一提的是，由于浓度较低，即使失去控制，核电站也不会发生原子弹那样剧烈的爆炸。
常用可以发生核裂变的物质一般有两种，铀235和钚239，现实中的原子弹基本都是由这两种物质做成的。另外铀233也是一种可以发生核裂变反应的材料，不过由于一些原因这种物质并不太适合作为原子弹的材料，迄今为止世界上也基本没有用铀233制造的原子弹。
浓缩铀的生产和拥有
自然界里的铀矿里的主要有两种铀同位素，其中99.3%都是铀238，铀235的含量只有0.7%。因此，开采出来的铀里面铀235只占0.7%，需要通过一些手段才能提高到核燃料或者原子弹所需的浓度。
由于铀235和铀238是同一种化学元素，它们的化学性质几乎完全一样，一般来说很难通过化学的方法区分开来从而达到提纯铀235的目的。只能利用原子质量的微小不同，用物理方法分离[2]。通常采用的方法里，一种是气体扩散法，将铀转化为六氟化铀气体，然后让它通过一系列的微孔筛膜，由于铀235的质量稍微小一些，它将会扩散的稍微快一些。将很多扩散分离机串联起来就可以逐级提高铀235的浓度。由于需要不断地重复分离工作，这个方法会消耗很多的能量[3]。另外一种方法是气体离心法，通过离心力将六氟化铀气体中的两种同位素分开，虽然仍需要多级串联，但是消耗的能量要比气体扩散法小的多[4]。
经过浓缩的铀一般有两种形式，用于核电站核燃料的低浓缩铀（LEU，含约4%的铀235，一般低于20%）和用于原子弹的高浓缩铀（HEU，含20%以上的铀235）。用于制造原子弹的武器级高浓缩铀含有85%以上的铀235，但是实际上20%的浓度就可以用于制造原子弹了[5,6]。
要获得制造原子弹的铀235浓度，需要大量的扩散分离机或者真空高速离心机串联，这样需要很大的规模的厂房，消耗巨大的能量，这很容易被国际组织或者他国的情报机构发现，很难瞒过其他国家偷偷地进行，对于某些国家（比如伊朗）来说，在这个阶段就有可能被国际社会阻止，而对于日本来说不是这样。不提二战时候的原子弹研制和浓缩铀的生产，日本的铀浓缩厂从1979年开始生产浓缩铀，如上图所示，日本核燃料株式会社（JNFL）从1992年开始每年能够生产数十到近两百吨铀235核燃料[4]，2000年之后的产量比较低。同时，日本还致力于开发新式的物理、化学铀分离技术[7,8]。应该说，日本完全有生产武器级高浓缩铀的能力。
虽说日本的核能应用是受国际原子能机构的监督的，不过并不是所有的铀浓缩生产都是处于监督之下的[9]。因此，我们并不能断言日本有没有自己生产武器级高浓缩铀，或者生产了多少。根据NTI的数据，日本从美国和英国进口了一些高浓缩铀用于研究使用高浓缩铀的核反应堆，扣除据信已经用掉的部分，2009年的时候，这些高浓缩铀估计还有1970千克[10]。从这些数据来说，日本确实拥有充足的高浓缩铀来制造原子弹。
钚的生产和问题
核电站里低浓缩铀的反应示意图（来自世界核能协会[12]）。
在自然界里面，钚的含量极少，我们所利用的钚都是通过核反应制造的。核电站里使用的核燃料，在铀235不断发生核裂变反应放出能量的同时，铀238会捕获一个中子成为铀239(半衰期23.45分钟)，经过β衰变成为镎239(半衰期2.35天)再变成钚239。如上图所示，含有4%铀235的低浓缩铀核燃料在发电的过程中就有大约3%的铀238转变成钚239，这些钚239里一部分会参与到核裂变反应中去，实际上，使用低浓缩铀的核反应堆发的电里面，三分之一都是由生成的钚239提供的[11]。从图中可以看到，核燃料从反应堆里取出之后（称为乏材料），里面仍然含有少量的钚239和铀235，还有一定量的核裂变产物。这些核裂变产物会不断衰变放出很多的热能和辐射，因此从反应堆里取出的燃料棒要放在临近反应堆的冷却池中，用水去吸收它们放出的热能，屏蔽它们的辐射，直到数月或者数年后才能进行后续处理。
核电站里MOX燃料的反应示意图（来自世界核能协会[12]）。
自然界里面的铀总量是有限的，如果按照上面的使用方法，那么能够利用的只有铀235和少量的铀238，据估计按照目前的使用量，估计只能够用约一百年[13]。核电站里取出的乏材料中，还含有少量的钚239和铀235，如果能把这一部分提取出来，重复利用，那么就可以延长核能的使用时间。利用从乏材料提取出来的这两种元素和铀238混合，就可以做成混合氧化物核燃料，再用于核电厂发电。和一般的低浓缩铀核燃料比较，混合氧化物燃料只是将铀235的氧化物换成了钚239的氧化物而已。数十年来，日本的大部分乏材料都是运到英国或者法国去处理的[14]，日本也有自己的乏材料处理厂，比如说，曾于1999年发生4级核事故的东海村核燃料处理厂可以每年处理130吨乏材料[14,15]；2006年开始试运行的六所村核燃料处理厂可以每年处理800吨的乏材料，相当于每年可以生产8吨钚[16]。
不过，这样获得的钚239有个问题。在核反应堆里面，新生成的钚239还会继续吸收中子形成钚240，这样最终提取出来的钚里面会含有相当量的钚240（还会含有一定的钚238、钚241、钚242等等），而钚240会发生自发的裂变反应并放出中子并释放能量。它的存在不会影响制成的MOX燃料在核电站里的工作，但是当做成原子弹的时候，如果钚240的含量比较高，则会放出大量的辐射伤害己方的士兵，并有可能导致原子弹不稳定 [11,17]，一般在核武器里面，钚240的含量应该低于8%[11]。如果在核燃料棒放入反应堆之后两三个月内取出，则钚240的量相对较少，不会出现这个问题。虽说日本的核能应用是处于国际原子能机构监管下的[17]，对燃料棒的异常应有一定的监督，然而从近期日本核事件的过程中，国际原子能机构对核电站的详细情况并不完全了解，和日本官方的交流也不是非常顺畅，并不能完全排除日本在核能应用中偷偷生产钚239的可能性。
不过，这种方式生产钚239效率并不高，一般可以用快中子反应堆来大量制造钚239，一方面可以将大量的铀238转化成核燃料来供应核电站，一方面也可以积累制造原子弹所需的钚。为此，日本在福井县建设有快中子增殖反应堆“文殊”号，其于1994年进入临界状态之后，于1995年发生冷却系统液态钠泄漏酿成大火，被迫关闭[18]。据估计，日本拥有数吨武器级钚，足够制造数百枚原子弹[19,20]。值得一提的是，冷战结束之后，俄罗斯和美国都在削减他们的核武器总数。按照世界核能协会的资料[21]，根据俄罗斯和美国在1994年签订的协议，500吨来自前苏联核武器的武器级高浓缩铀（相当于约两万枚原子弹）会被两国的核电公司用含铀235约1.5%的铀稀释成可供发电的核燃料；美国也将自己的数十吨武器级高浓缩铀转化成了核燃料。而两国在2000年达成协议，各自将会把34吨的武器级钚转化成为混合氧化物核燃料。现在的混合氧化物核燃料的一部分来自于美国和俄罗斯消减的核武器里面的钚，这也是混合氧化物核燃料的一个重要利用。据统计，销毁的前苏联的核弹头在美国的核电站里为美国提供了约10%的电能[22]。
日本离原子弹有多远？
没有人会怀疑日本有没有制造原子弹的技术力量，二战期间日本就曾经试图研制原子弹[23]，现在现在拥有很多核电站的日本有先进的核处理技术和充足的核技术人才，从技术上讲日本在获取原子弹上没有任何难度。关键问题其实在于处于美国核保护伞之下的日本，有没有决心和动机去制造原子弹。客观来说，中国、美国还有其他周边国家都不会容许日本拥有原子弹，但是日本的右翼势力也在不断地发表各种言论，对于他们来说，有试图获取原子弹想法也是正常的。讨论这个问题的话，需要对历史和时局有很强的把握，而且不同人给出的结果也不尽相同，毕竟这是个和个人立场联系比较紧的问题。
实际上原子弹的制造并不是一件特别复杂的事情，原子弹的简单结构图很容易获得（如上图所示），关键在于获得充足的高纯度可以发生核裂变的物质。一旦获得了高纯度的核裂变材料，知晓这种材料的临界质量（可以通过核物理参数计算），生产原子弹就纯粹是个技术问题。
对于有些国家和（恐怖）组织来说，获得大量用于提纯的原料也会是个比较大的问题（比如五十年代刚开始研制原子弹的中国，参见《中国第一颗原子弹制造纪实：596秘史》[24]），而日本有从海外购买的大量核原料储备，有众多的核电站里面需要的核燃料，并不是一个问题。说起来，使用MOX的核电站并不是攒钚造核弹的关键环节，相比起来，浓缩铀工厂有可能提供高浓缩铀，而快中子堆和核废料处理厂可以提供大量的优质钚，日本在获取这两种制造原子弹的物质上并没有问题。
正如空错的《日本地震原是核试验？》里面介绍的那样，通过对地震波的分析能够准确地判断出一个地震是否是由核试验引起的，日本不可能瞒过国际社会而进行核试验。通常，日本和德国是被归属为“准核国家”，即拥有材料和技术，离核武器只有一步之遥，是否拥有核武器完全依赖于拥有核武器的决心和动机。日本可能只需要拧上几个螺丝就能成为有核国家[19,20]，对日本可能的核威胁，我们要有一定的准备。
感谢果壳网的秋秋、moogee和小耿，感谢Albert_JIAO、Sheldon、seawhg和大白鲸的宝贵意见。
参考资料：
1. 世界核能协会， Safty of Nuclear Power Reactor
2. 维基百科，《气体扩散法》
3. 维基百科，《气体离心法》
4. 日本核燃料株式会社网站，http://www.jnfl.co.jp/english/operation/
5. 世界核能协会，Conversion and Enrichment
6. 维基百科，《浓缩铀》
7. Institute for Energy and Environmental Research, “Uranium Enrichment: Just Plain Facts to Fuel an Informal Debate on Nuclear Proliferation and Nuclear Power”
8. 维基百科，《日本核研究》
9. 参见[7]里面的[94]：As of December 31, 2003, IAEA listed two sites in Japan under its Safeguards. They are: “Uranium Enrichment Plant” in Tomata-gun, Okayama-ken and “Rokkasho Enrichment Plant” in Kamikita-gun, Aomori-ken (IAEA Annual Report 2003, Table A24)
10. NTI Database, HEU: Japan
11. 世界核能协会，《钚》
12. 世界核能协会，[URL=http://www.world-nuclear.org/info/inf29.html]Mixed Oxide Fuel
[/URL]
13. 维基百科，《铀》
14. 世界核能协会，Japanese Waste and MOX Shipments From Europe
15. 维基百科，Tokaimura nuclear accident
16. 维基百科，Rokkasho Reprocessing Plant
17. 网易，《日本核危机与核武制造无关》
18. 中国日报，《日本拟重启曾因泄漏关闭的核反应堆》
19. 维基百科，Japanese nuclear weapon program
20. Geoff, Brumfiel, Nuclear proliferation special: We have the technology, Nature: International Weekly Journal of Science 432, 432-437 (2004).
21. 世界核能协会，Military Warheads as a Source of Nuclear Fuel
22. Power and Energy, Old Russian nukes for US electricity
23. 维基百科，《日本的原子弹计划》
24. 梁东元，湖北人民出版社，《中国第一颗原子弹制造纪实：596秘史》
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花
对于这个“对公众造成的核辐射也比火电小的多（煤里面含有铀等放射性元素）”， 恐怕很多人都不了解，有可能另文分析一下么？
有点得隆望蜀哈。
日本造出了核武器也好，正好有了借口。
中国说不首先使用核武器，意思就是首先用常规武器，不行的话就用核武器。
日本的情况生动地诠释了什么叫做核门槛国家。
这个事实足以让爱好和平的人民警醒。
“德国已经表示要跳下去了，日本你倒是跟上啊！！！”
现在要造个扔在日本那样的原子弹，只要解决核材料问题，估计全世界有这个技术的国家不下二三十个，而且不需要经过实弹试验。但要能造个不需要大型轰炸机或能用自己的导弹扔出去的就少得多，而且不经试验不大可能。
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细致、清晰。
这个建议很好，多谢
不过，可能最近是没有时间写了
等过段时间不忙了，查查资料看能不能写一篇吧
所以主要是从材料方面来看到底日本有没有条件
能造出来原子弹，对周边国家就是一个挺大的威胁，大不了偷偷船运过去什么的，在公海上爆炸也能威胁到其他国家
日本真下决心搞，中美等不干涉的话，恐怕小型化一两年就可以搞成了吧。不过中美绝不会坐视不理就是了。
能搞到材料，造一个能爆的很容易
小型化之类的就稍微麻烦一些
效率也不高，达不到大当量和小型化的效果。
按照网上都能找到的资料，只要有材料，做出一个能响的来不是难事，但是有可能你放进去100kg的浓缩铀，只爆了几百吨的当量，其他的全部被炸散了成了脏弹。
而这些实验数据绝对是核俱乐部国家的核心机密。有了这些实验数据才有计算机模拟的可能。
我看最担心日本造核弹的应该是美国，毕竟日本只挨过美国的原子弹，肯定有不少人想着报复一下。
不过反过来说，如果日本有了原子弹与别国发生核战争，日本是承受能力最弱的，而且往日本扔核弹对别国的影响也最小。
没有试验搞不定。连小当量都是很难的。
日本有野心，但是技术储备还是不足。
就看H2火箭就知道了。这个东西技术上对日本一点难度都没有，就是实践和系统合成的问题。日本照样失败了不少次，现在也没有成熟。
可见，日本搞核弹还是很有难度的。
就核技术而言，不靠别人就中美苏，法国疑似，英国是美国的技术。其他国家都是靠别人的。核门槛不是容易过的。