武器级铀不好提炼？给大家讲解铀浓缩离心机到底是什么玩意？

总是有人在讨论武器级浓缩铀，这玩意的确是不太好弄，主要的原因是这是一个国家级的庞大工程。但是要注意的一点是浓缩铀是工程级的庞大，并不是复杂。要理解这句话，我们不妨参考一下乐高积木。

这是一个乐高积木搭建的塞拉摩要塞，虽然很复杂很庞大，但是依旧是由乐高积木的最小单元及其变体组成的。

所以，我们就可以聊聊这些最小单元——离心机。

大部分军事爱好者对离心机的想法基本上只达到“用洗衣机可以改离心机”的程度。所以今天咱们就和昨天的文章一样，把离心机展开讲讲。

离心机并不复杂，之所以是国家级项目是因为我们需要很多很多很多的离心机才可以完成浓缩铀的操作，这才是铀浓缩的难点。

杰西·比姆斯的氯同位素分离装置

先辟个谣，离心机这个东西并不是美国的曼哈顿计划的产物，在1919年用于同位素分离的气体离心法就已经被提出，在1934年美国杰西·比姆斯在弗尼吉亚大学利用气体离心机成功的分离出氯的同位素。在曼哈顿工程期间（1942-1946）工程初期美国曾经尝试利用气体离心机进行铀浓缩，但到了1944年初期，气体离心机浓缩铀的工作就停止了，无他，经过计算按照当时的技术根本无法生产出足够的浓缩铀，曼哈顿计划中的的大部分浓缩铀是以电磁分离法（电磁型同位素分离器）来生产的。原理很简单：

当离子化的同位素在电场中加速，利用磁场进行偏转，这时候比较重的元素同位素和比较轻的元素同位素的运动轨迹是不一样的。在合适的位置上放置隔板，持续收集隔板一侧的同位素就可以得到所选择的元素同位素。

单一的一个收集器很大，而且这件事也是铺开了来干的，

这也是为什么曼哈顿工程消耗了大量白银（目前地球上最好的导体）和电能（产生电场磁场耗电）的原因了。

为啥说这个题外话，其实就是想给大家建立一个概念，元素的同位素的质量是不同的，在相同的力作用下，会有运动轨迹的不同——这是分离或浓缩同位素的一个最基本的科学依据。

到了二战之后，苏联科学家加入了核竞争，真正的离心机浓缩铀技术其实是苏联技术。现在大家看不上大毛二毛，但是当时苏联的技术还是相当牛逼的！二战之后百废俱兴，在战争废墟上的苏联也很难拿出大量白银来建立电磁型同位素分离器。就回到了老路上，利用离心机来浓缩铀。但在这里苏联人发现了一个很重要的概念：

解释一下，这是离心机的分离能力（Separative Work Unit，SWU）的公式，SWU越高，离心机的效率也就越高。L是离心机腔室的长度，V是离心机腔室最外缘的转动线速度，至于为什么要用43882做分母呢？这是一个经验常数，直接用就行了。

在工程上会有很多经验常数，这些数是对研究行为的简化，直接拿来用就好了，没有太大必要去深究这个数字到底是哪里来的，如果真正要研究这个数字为什么是43882而不是43883或者43881意义并不大，而且得用纳维－斯托克斯方程来求解了。

但解出来又能怎样呢？并不能制导工程模型来提高SWU，这也就是为什么W君一直说“为啥伟神的“纳维－斯托克斯方程”对现代飞机设计制造并无用处？”的原因了。理论就像天上的北斗星，能让你知道“北”在哪里，却无法告诉你下一下迈腿会不会一脚踩到泥坑里。

啥？？？这里还和空气动力学有关？对喽，是这样的。离心机的旋转实际上就是利用了附面层效应和气体的粘滞效应，依靠离心机外壁旋转带动离心机内的气体运动让六氟化铀气体围绕离心机的轴线旋转。

所以如果你拆开一个典型的离心机旋转腔体组件你会失望的发现这里面的东西并不复杂！

就是一个套管加上几个隔板再加入一个料管。这玩意复杂吗？是不是极其简单？

那复杂的是什么？

回到离心机效率公式，我们就不难发现离心机腔室最外缘的转动线速度V才是关键，这个数值是以平方来提高离心机效率的。离心机的转速越快，就越能获得足够高的边缘线速度，离心机的直径越大，也就越能提相同转速下高边缘的线速度。

但是，我们面对的是离心机内的气体。由于气体的附面层效应和粘滞效应，我们不可能把离心机的直径往大了做！

简单的说下这里的门道：

离心机内气体的运动是依靠离心机内壁和内部气体摩擦带动的。

我们如果看气体和界面相对运动的纹影，我们就会发现越近界面的部分受到界面的影响越大然后越远离界面的位置运动速度越慢。

如果无限加大离心机腔体直径，实际上会造成的效果是离心机腔体中心的气体根本不会随着腔体转动。所以这条路就给堵住了。

所以要提高V在离心机这个领域内就只有一个途径——加大转速。

所以，问题就又回到了工程学的问题了，什么样子的材料才可以在越来越快的离心机转速下坚持住不碎掉呢？

或者说，用多大的转速限制，才可以保证外壳不被巨大的离心力撕碎呢？

这里有里各种铀浓缩离心机的材料表：

所以，你如果打开离心机的外壳看到旋转腔体，你会发现现在离心机的旋转腔大多数都改成了碳纤维材料。

从上面这张图，你还可以发现离心机内部结构是有不同的，简单的说有的是一节旋转腔体，有的是多节旋转腔体。

这就回到了前面咱们提到的公式L（腔体长度）上了。按照离心机的公式L虽然不像V一样可以提供平方级别的效率增量，但是L依旧是可以通过延长腔体长度提供正比例增量的，也不可忽视。

但是，对于旋转腔体来说，L过大会造成离心机腔体的额外震动。于是在离心机的设计中又有了亚临界离心机和超临界离心机。

亚临界离心机（Subcritical）：工作转速始终低于第一阶固有频率，稳定性强但效率低。而超临界离心机（Supercritical）：直接让工作转速超越共振区域，通过短暂穿越临界转速并避开模态耦合，获得更高的边缘速度和更长的 L。

这里面其实还是空气动力学效应在起作用。刚刚我们谈到了腔体中的气体是依靠外壁的摩擦力带动旋转的。但是气体嘛在运动的过程中会形成湍流。

对于层流（laminar）来说，我们可以当作气体中的介质均匀移动，而湍流（turbulent）则不一样，湍流是一种无序的流动，这样会导致本来已经分离的U235和U238相互无序的再次混合大幅度的降低离心机效率，因此，离心机内壁要做得十分光滑之外也要尽量的降低离心机旋转时候产生的震动。改变这个问题就需要严格的限制L的长度，降低部件运转的共振。那么还有什么办法呢？

用中间隔板进行隔离，把震动限制住各个小段内。