制造一颗原子弹的科学原理

原子弹是一种大范围杀伤性武器,我们普遍知道的原子弹大致为两类,其中一代核武的基本原理是核裂变。

什么是核裂变?制造一颗原子弹的科学原理

核裂变是一种链式反应,我们通过中子快速轰击铀-235这种核燃料,铀-235便会分裂出其它的两种元素钡和氪,并附带产生2-3个中子,在这个过程当中大约会放出200兆电子伏的裂变能量,这些裂变能量会很快的转换为热量。

1克完全裂变铀-235释放的能量约为20吨TNT所释放的能量,而通过一个铀-235产生的2-3个新的中子(平均数值为2.5个)又会继续轰击其它的铀-235,并不断持续下去,这就是核链式反应。

用于核反应的铀与钚是什么?

制造一颗原子弹的科学原理

铀是92号元素,处在锕系元素中是一种放射性元素,在自然界中存在3种铀的同位素,它们分别是铀-234,铀-235,铀-238而铀-235是核反应中的主要原料,在原子弹材料准备当中,铀-235的提纯是最关键的一步,要制作一颗原子弹高浓度的铀必不可少,所采用的铀-235浓度一般在90%以上。

在自然界当中铀矿石本身就很稀少,加以铀矿石99%以上为铀-238,仅有1%左右为铀-235,这两种同位素的半衰期都很长约10亿年左右,铀的同位素铀-235与铀-238,都是α衰变。在获取高浓度的铀上面,有着复杂的程序:得到铀矿石后,首先要对铀矿石进行加工,之后进行提纯,后生成六氟化铀,对生成的六氟化铀进行分离,分离同位素普遍所采用物理的方法有电磁分离法、离心分离法、喷嘴分离法、热扩散分离法、多孔膜扩散过滤法以及现代激光分离法等等。

制造一颗原子弹的科学原理

α射线的穿透能力是比较弱的,用一张A4纸便可以阻挡住,不同于其它两种射线粒子,β射线用铝板可以有效阻挡,γ射线用铅板可以有效阻挡。铀原子(U-235)能发生核裂变反应,其释放的巨大能量可用来发电(核反应堆)或被应用到核弹上面。

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钚239

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钚原子序数为94,是一种具放射性的超铀元素,它比同锕系中铀的同位素的铀-235更适合制造核武器,其半衰期可达到24万5千年,其裂变性远高于铀-235,被广泛用于制造原子弹当中。

在反应堆当中一个铀-238原子捕获到一个中子,形成铀-239再经过β衰变成为镎-239,同样的镎-239在继续进行两次衰变最后得到钚-239。

反应堆生产钚-239

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核反应堆中通过核裂变,放出中子,这些中子再经过减速剂(例如rbmk-1000核反应堆中的石墨),最后形成的慢中子被铀-238所捕获,如上文所提到的最后变成超铀元素钚-239。

n + 238U ® 239U + g

239U ® 239Np + e- + n(半衰期24分)

239Np ® 239Pu + e- + n(半衰期2.35天)

当核反应堆中产生一定量的钚-239与镎-239时,通过将带有产物的核燃料放入水中2∽4个月,就能得到极少数的钚-239。

得到钚-239后,不能直接用作实验,首当其冲的是将钚-239与其它杂质分离,常用到的几种方法是化学分离法(萃取,配制合适的萃取剂,从铀–钚硝酸溶液中萃取钚 ),离子交换法,(用离子交换树脂从稀释的水溶液中将钚吸附,使钚与铀和裂变产物分离),除了以上的两种方法还有高温冶金法,蒸馏、熔融金属萃取和熔盐萃取等等。

核裂变中的临界质量

在核反应中,为了使链式反应持续进行,这里提到一个名词“临界质量”。

中子轰击U235会产生2∽3个中子,这些中子的能量大小不同,要使得裂变反应高效率进行,要保证中子尽可能的撞击到U235或者U238被中子(能量大于1.1兆电子伏)撞击,这样的中子撞击有利于链式反应,除此之外的中子撞击并不利于链式反应。

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上述情况中子数目会有所增加,此时会存在一个量(中子增加倍数),在不利于链式反应的情况中,能量低于1.1兆电子伏的中子会被U238吸收,而未被吸收的中子会进行增殖,新的中子会出现,这种中子未被吸收的情况有一个概率。

在体积与质量一定的铀块当中,当初始中子数目一定、中子存在较高的撞击概率时,这两者与撞击所产生的中子数之间会有一个相对的界限,此种界限被称之为临界质量,链式反应中临界质量越高时裂变效率也会变高,反之链式反应有可能停止。

在核反应当中所采用的铀的纯度、形状、密度等因素在一定程度上影响着临界质量。

原子弹

原子弹在在结构上有枪式结构原子弹与内爆式结构的原子弹。

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枪式结构

制造一颗原子弹的科学原理

枪式结构原子弹内部主要有炸药包、电子雷管、铀块、碳化钨、导向槽、定时器等,与子弹发射相似,在引发时尾部的电子雷管使炸药包爆炸,推动铀块合并到一起使之超过临界质量与此同时原子弹内部释放中子,最终引发爆炸。

一个典型的例子便是在第二次世界大战时,美国投放到日本广岛上的一颗原子弹(小男孩)采用的就是枪式结构,该枚核弹重约4100kg,直径约为71cm,长约305cm。

枪式结构的原子弹存在一个弊端,即核燃料的利用率较低拿“小男孩”来说,这枚核弹核燃料的利用率不到3%,其主要原因是较早进行链式反应所释放的能量将其它还未进行链式反应的核燃料炸飞了出去,等于说绝大部分的核燃料没有参与到反应当中。

内爆式结构的原子弹

制造一颗原子弹的科学原理

相较与枪式结构,采用内爆式结构的原子弹核燃料的利用率高,将核燃料(铀-235、钚-239)压缩成体积较小、密度大的球体装置,再准备包裹着核燃料(小于临界质量)的炸药,在通过由“外”到内的定点式爆炸,其基本原理是通过多点起爆,造成一个向内汇聚的球面爆炸波,使其超过临界质量。内爆式结构的一项技术性问题在于,内爆的同步性,要求炸药爆炸的波时间误差不能超过1微秒(百万分之一秒)。

制造一颗原子弹的科学原理

采用内爆式结构原子弹,一个例子便是美国在二次世界大战炸日本的那颗(代号叫作“胖子”),这颗原子弹以钚239作核装药。弹重约4500kg,弹最粗处直径约152cm,弹长约320cm。

结语

制造原子弹是极其不容易的。首先我们需要浓缩的核燃料(铀-235、钚-239),在这当中主要的难题是如何提高核燃料浓度。没有核燃料,就谈不上制造核武器,有了核材料后,在制造上我们需要解决一系列的科学、技术等的难题。回顾核武的发展道路,充满着坎坷,原子弹的确为人类带了一些灾难,但不可忽视它在其它方面的利用价值。

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