怎么用链式反应点燃一颗原子弹
审核专家：田晨
中国科普作家协会会员
军事评论员
提起核武器 ， 你的脑海中是不是会马上蹦出“威力巨大 ， 可怕的核辐射”等字眼 。 对于原子弹的破坏力和恐怖程度 ， 想必大家都有所耳闻 。
中国历经诸多磨难和失败 ， 终于在1964年成功引爆了第一颗原子弹 ， 成为世界上第五个有核国家 。
如今 ， 原子弹等核相关研究工作仍在继续 ， 核实力也成为了我国国防建设的重要部分 ， 但是你真的了解原子弹制造和引爆的基本原理么 ， 下面就让我们来一起看看吧 。
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原子弹升空的“蘑菇云”
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消失的质量去哪儿了？核武器巨大的能量来自瞬间发生的核反应 。 其中 ， 原子弹主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成 ， 属于第一代核武器 。 原子弹一般由外壳、引爆装置、炸药、反射层、核燃料和中子源等部分组成 。
自然界中有一些原子的原子核在一定条件下能分裂成两个小原子核 ， 且两个小原子核的质量总和小于分裂前单个原子核的质量 。
这些质量可不会凭空消失 ， 它们会转变成巨大的能量 ， 并被释放出来 。
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中子引发核裂变示意图
2
核燃料从哪来？自然界中可发生裂变的原子有很多 ， 它们各自的物理化学性质都不相同 ， 只有一部分能发生可控链式裂变的原子适合作为原子弹的核燃料 。
目前原子弹使用的核燃料主要有铀235 ， 钚239和铀233 ， 其中铀235最为常见 。
一个铀235被一个中子撞击后会分裂为两个原子核 ， 如钡和氪 ， 氙和锶或溴和镧等 ， 同时放出两三个多余的中子 。 1千克铀235全部裂变后放出的能量 ， 接近2万吨TNT炸药 。
在自然界的天然铀矿石中 ， 铀235的丰度只有0.7% ， 因此 ， 制造原子弹的第一大难题就是如何提炼出丰度在90%以上的浓缩铀 。
自然界中铀238的含量相对较高 ， 它与铀235化学性质几乎没有差别 ， 但二者由于中子数量不同 ， 在相对质量上有一定差异 。
我们希望利用二者质量上的微小差异将二者分离 ， 得到高浓度的铀235 ， 目前常用的方法有气体扩散法和电磁分离法等 。 >>>>气体扩散法
气体扩散法是应用最早、技术最成熟的铀同位素分离法 。 利用气体扩散法得到浓缩铀时 ， 需要先将同时含有铀235和铀238的六氟化铀气体加压通过隔膜 。
由于含铀235的气体分子质量相对较小 ， 因此通过隔膜的速度相对较快 ， 所以每通过一层多孔隔膜 ， 铀235的含量就会相对增加一点 ， 经过数千次通过隔膜后 ， 就能得到高浓度的铀235 。
>>>>电磁分离法
运动的带电粒子在磁场中会做圆周运动 ， 电磁分离法是令铀的同位素离子同时穿过磁场 ， 由于相对质量不同的铀235与铀238圆周运动半径不同而被分离 。
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气体扩散法分离铀同位素示意图
3引爆没有那么容易
有了高浓度的铀235和其他核燃料以后 ， 下一步就是要制造可进行核爆炸的裂变装置 。
要制造一颗原子弹 ， 必须使核燃料发生链式裂变反应 。
所谓链式反应 ， 就是指铀235被一个中子撞击分裂后 ， 放出2-3个多余的中子 ， 这些中子再撞击到另外的原子核 ， 引发更多次裂变 ， 像链条一样传递下去 。
要想实现这一点可没有那么简单 。
如果核燃料过少 ， 链式反应规模过小 ， 大多数中子还没来得及撞上原子核就已经飞到外面了 ， 无法形成核爆炸 。
只有单位时间内的链式反应达到一定的强度 ， 才能形成核爆炸 。
增加核燃料的量是一个可行的办法 ， 如果核燃料的块头足够大 ， 中子就能更充分地在它的内部发生碰撞 ， 使裂变反应充分地发生 ， 进而引发核爆炸 。
我们把能产生核爆炸对应的核燃料质量的最小值称为临界质量 。
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链式反应
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低效链式反应
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高效链式反应
另外 ， 为了安全 ， 要保证制备出来的引爆装置在一般情况下达不到临界值质量 ， 不会发生爆炸 ， 但引爆后却能立即引发原子弹爆炸 。
要知道核爆炸的发生与否是由燃料的质量大小决定的 ， 怎么样才能让没有达到临界质量的燃料突然“变多变大” ， 达到临界质量呢？
“那就把两块小的燃料突然捏在一起呗”——这便是枪式结构原子弹的原理 。
枪式结构是最简单的原子弹引爆结构 ， 它的原理是使核燃料质量超过临界质量引发爆炸 。 投放广岛的原子弹“小男孩”采用的就是枪式结构 。
枪式结构主要由以下几部分构成：2-3个分别小于临界质量的铀235核燃料块、钢管炸药、雷管引爆器和中子发生器 。
开始时铀块相隔一定距离 ， 且各自小于临界质量 ， 不会发生爆炸 ， 一旦烈性炸药爆炸后 ， 产生的能量使铀块迅速结合在一起 ， 核燃料质量瞬间超过临界值 ， 立即引发核爆炸 。
枪式结构虽然相对简单 ， 但需要核燃料数量大 ， 且效率较低 ， 中子要飞行较长距离后才能撞到原子核产生下一次裂变 ， 延缓链式反应规模扩大的速度 。
两块铀还没完全合拢前自由释放的一些中子也很容易引发链式反应、核爆炸 。
因此枪式结构需要精确控制炸药的数量 ， 使铀块能够马上超过临界质量 ， 尽量避免链式反应不充分 ， 核爆炸不完全和燃料利用率低等现象 。
美军在广岛投放的“小男孩”原子弹使用了64.1千克铀235核燃料 ， 它的富集度为80% 。
然而 ， 这颗原子弹爆炸时只有不到1千克的铀参与了核裂变 ， 威力只达到了15000吨TNT当量 。 由于利用率过低 ， 这一型号（代号MK-1）只生产了5枚 ， 1950年全部退役 。
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枪式结构引爆过程示意
除了枪式结构 ， 还有哪些办法能引爆原子弹呢？
对于一定量的裂变物质 ， 密度越高 ， 其临界质量越小 。 内爆式结构便是利用高压手段使核燃料密度迅速增大 ， 从而触发临界反应 。
投放长崎的原子弹“胖子”使用的是内爆式结构引爆的钚239原子弹 。
内爆式结构需要把核燃料制成球形 ， 球的外壳是反射层 ， 球的外围要均匀地放满炸药 。
需要引爆时 ， 球外围的炸药同时起爆产生极高的压力向内挤压核燃料 ， 让它迅速向中心内聚 。
核燃料的密度瞬间增加 ， 超过临界点后 ， 再利用中子源释放中子 ， 引发链式反应（核爆炸） 。
相比枪式结构 ， 内爆法需要的燃料质量更小 ， 核燃料反应率更高 。
“胖子”原子弹的核裂变燃料是δ相钚合金 ， 只用了6.2千克就达到了21000吨TNT当量的威力 ， 核燃料的利用率有了显著的提高 。
另外 ， 内爆法的安全性更好 ， “过早点火”的几率较低 ， 可使用自发裂变几率较大 ， 对点火较为敏感的裂变物质 。
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内爆式原子弹构造图
原子弹等核武器因其巨大的杀伤力遭到大家的排斥 ， 但核武器对我国国防建设的重要意义也不应该被忽视 。
如今 ， 我们应该和平利用核能 ， 将核能这种清洁能源运用到发电等经济领域中 。
_本文原始标题：您有一份原子弹制造指南 ， 请查收
来源：数字北京科学中心
编辑：小林绿子
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