吴鑫岩
在7月27日中俄代表团来到平壤参加了朝鲜战争停战70周年的庆祝活动；在此之前，金正恩还到中国人民志愿军烈士陵园敬献花圈。如今，世界对朝鲜的最大关注是其核武问题，而最近上演的电影《奥本海默》引起了很多人对当年原子弹研发过程的兴趣。其实，这部影片的侧重点是围绕奥本海默本人的一些是非恩怨，而没有对曼哈顿项目的全貌做系统的介绍。
曼哈顿项目最精彩的部分是在新墨西哥州的Los Alamos，在那里进行了原子弹的设计和相关的实验。俗话说：“巧妇难为无米之炊。” 曼哈顿项目中最艰巨的任务其实是武器级的U235和Pu239的提纯，为此分别在田纳西州的Oak Ridge和华盛顿州的Hanford分别建造了两个制备核裂变材料的大型设施。从曼哈顿工程大约20亿美元的预算分配情况可以看出，大约12亿美元用于在Oak Ridge提炼浓缩铀，大约4亿美元用于在Hanford制备和浓缩钚。
如今，浓缩铀的主流设备是离心分离器，因为U235和U238在质量上略有不同。然而，在曼哈顿项目中，最初采用“质谱仪”来分离这两种同位素，为此在Oak Ridge建造了编号Y-12的巨型设施，耗资4.78亿美元。当时二战正酣，大部分铜都被用于武器弹药，结果质谱仪的巨大线圈采用了银这种贵金属。当这个设施建成以后，运转起来耗电也十分惊人，用去了美国七分之一的电力。后来，在Oak Ridge采用了气态扩散法来提纯U235，结果又花费了5亿多美元建造了编号K-25的巨型设施，当时是全球最大的建筑。如今这些设施都已经废弃了，但是在Oak Ridge有一个小博物馆，里面有不少图片介绍当年的这些宏大建筑。
在自然界中铀是天然存在的最重的元素；当然，在铀矿中也存在痕量的钚，因为U238在吸纳了一个中子以后经过两次贝塔衰变（中子衰变为质子和电子以及反中微子）以后就变成了Pu239，其半衰期是2.41万年。在天然铀矿中，U235的丰度只有大约0.7%，其余的几乎全是U238。这两种同位素在丰度上的明显差距来自于其半衰期的不同：分别是7亿年（U235）和45亿年（U238）。其实，从这些数据也可以了解地球的身世：在大约60亿年前发生了一次超新星爆发，结果产生出了各种元素和同位素，包括一些超铀元素。但是，那些半衰期短的重元素和同位素纷纷衰变而消失了，如今自然界存在的放射性元素其半衰期都与地球的年龄不相上下。例如，K40（钾的同位素）的半衰期是12.5亿年，其丰度只有0.01%。大家其实不必对放射性元素过于恐惧，当我们吃一根香蕉的时候，不少K40原子就进入了体内。
除了铀以外，钍-232也是值得研究的放射性元素，其半衰期是140亿年，所以在地壳中的含量远高于铀。不仅钍的开采成本很低，而且其核废料的处理也十分简单。此外，铀在裂变过程中会产生钚，因此核电站有制备核武原料的嫌疑。然而，以钍为核燃料的设施则不会有这种可能，因此可以在全球广泛使用。
科学其实是很神奇的，人们通过研究原子的衰变不仅可以利用其释放的巨大能量，而且还可以反推出地球以及太阳系的前世今生。仅仅在一百年前，人们还普遍认为原子是不会衰变的，因为原子（atom）的本意就是不可再分（a-tom）。设想一百年后，人类对世界的认知又会经历一次或几次飞跃，我们目前认为不可能发生的事到那时就会变得平淡无奇。在这方面，一些气功师的特异功能也许揭示了未来世界的新发现。
（2023年7月29日）