提起核武器，你的腦海中是不是會(huì )馬上蹦出“威力巨大，可怕的核輻射”等字眼。對于原子彈的破壞力和恐怖程度，想必大家都有所耳聞。

中國歷經(jīng)諸多磨難和失敗，終于在1964年成功引爆了第一顆原子彈，成為世界上第五個(gè)有核國家。

如今，原子彈等核相關(guān)研究工作仍在繼續，核實(shí)力也成為了我國國防建設的重要部分，但是你真的了解原子彈制造和引爆的基本原理么，下面就讓我們來(lái)一起看看吧。

原子彈升空的“蘑菇云”

消失的質(zhì)量去哪兒了？

核武器巨大的能量來(lái)自瞬間發(fā)生的核反應。其中，原子彈主要利用鈾235或钚239等重原子核的裂變鏈式反應原理制成，屬于第一代核武器。

原子彈一般由外殼、引爆裝置、炸藥、反射層、核燃料和中子源等部分組成。

自然界中有一些原子的原子核在一定條件下能分裂成兩個(gè)小原子核，且兩個(gè)小原子核的質(zhì)量總和小于分裂前單個(gè)原子核的質(zhì)量。

這些質(zhì)量可不會(huì )憑空消失，它們會(huì )轉變成巨大的能量，并被釋放出來(lái)。

中子引發(fā)核裂變示意圖

核燃料從哪來(lái)？

自然界中可發(fā)生裂變的原子有很多，它們各自的物理化學(xué)性質(zhì)都不相同，只有一部分能發(fā)生可控鏈式裂變的原子適合作為原子彈的核燃料。

目前原子彈使用的核燃料主要有鈾235，钚239和鈾233，其中鈾235最為常見(jiàn)。

一個(gè)鈾235被一個(gè)中子撞擊后會(huì )分裂為兩個(gè)原子核，如鋇和氪，氙和鍶或溴和鑭等，同時(shí)放出兩三個(gè)多余的中子。1千克鈾235全部裂變后放出的能量，接近2萬(wàn)噸TNT炸藥。

在自然界的天然鈾礦石中，鈾235的豐度只有0.7%，因此，制造原子彈的第一大難題就是如何提煉出豐度在90%以上的濃縮鈾。

自然界中鈾238的含量相對較高，它與鈾235化學(xué)性質(zhì)幾乎沒(méi)有差別，但二者由于中子數量不同，在相對質(zhì)量上有一定差異。

我們希望利用二者質(zhì)量上的微小差異將二者分離，得到高濃度的鈾235，目前常用的方法有氣體擴散法和電磁分離法等。

>>>>氣體擴散法

氣體擴散法是應用最早、技術(shù)最成熟的鈾同位素分離法。利用氣體擴散法得到濃縮鈾時(shí)，需要先將同時(shí)含有鈾235和鈾238的六氟化鈾氣體加壓通過(guò)隔膜。

由于含鈾235的氣體分子質(zhì)量相對較小，因此通過(guò)隔膜的速度相對較快，所以每通過(guò)一層多孔隔膜，鈾235的含量就會(huì )相對增加一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數千次通過(guò)隔膜后，就能得到高濃度的鈾235。

>>>>電磁分離法

運動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì )做圓周運動(dòng)，電磁分離法是令鈾的同位素離子同時(shí)穿過(guò)磁場(chǎng)，由于相對質(zhì)量不同的鈾235與鈾238 圓周運動(dòng)半徑不同而被分離。

氣體擴散法分離鈾同位素示意圖

引爆沒(méi)有那么容易

有了高濃度的鈾235和其他核燃料以后，下一步就是要制造可進(jìn)行核爆炸的裂變裝置。

要制造一顆原子彈，必須使核燃料發(fā)生鏈式裂變反應。

所謂鏈式反應，就是指鈾235被一個(gè)中子撞擊分裂后，放出2-3個(gè)多余的中子，這些中子再撞擊到另外的原子核，引發(fā)更多次裂變，像鏈條一樣傳遞下去。

要想實(shí)現這一點(diǎn)可沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

如果核燃料過(guò)少，鏈式反應規模過(guò)小，大多數中子還沒(méi)來(lái)得及撞上原子核就已經(jīng)飛到外面了，無(wú)法形成核爆炸。

只有單位時(shí)間內的鏈式反應達到一定的強度，才能形成核爆炸。

增加核燃料的量是一個(gè)可行的辦法，如果核燃料的塊頭足夠大，中子就能更充分地在它的內部發(fā)生碰撞，使裂變反應充分地發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)核爆炸。

我們把能產(chǎn)生核爆炸對應的核燃料質(zhì)量的最小值稱(chēng)為臨界質(zhì)量。

鏈式反應

低效鏈式反應

高效鏈式反應

另外，為了安全，要保證制備出來(lái)的引爆裝置在一般情況下達不到臨界值質(zhì)量，不會(huì )發(fā)生爆炸，但引爆后卻能立即引發(fā)原子彈爆炸。

要知道核爆炸的發(fā)生與否是由燃料的質(zhì)量大小決定的，怎么樣才能讓沒(méi)有達到臨界質(zhì)量的燃料突然“變多變大”，達到臨界質(zhì)量呢？

“那就把兩塊小的燃料突然捏在一起唄”——這便是槍式結構原子彈的原理。

槍式結構是最簡(jiǎn)單的原子彈引爆結構，它的原理是使核燃料質(zhì)量超過(guò)臨界質(zhì)量引發(fā)爆炸。投放廣島的原子彈“小男孩”采用的就是槍式結構。

槍式結構主要由以下幾部分構成：2-3個(gè)分別小于臨界質(zhì)量的鈾235核燃料塊、鋼管炸藥、雷管引爆器和中子發(fā)生器。

開(kāi)始時(shí)鈾塊相隔一定距離，且各自小于臨界質(zhì)量，不會(huì )發(fā)生爆炸，一旦烈性炸藥爆炸后，產(chǎn)生的能量使鈾塊迅速結合在一起，核燃料質(zhì)量瞬間超過(guò)臨界值，立即引發(fā)核爆炸。

槍式結構雖然相對簡(jiǎn)單，但需要核燃料數量大，且效率較低，中子要飛行較長(cháng)距離后才能撞到原子核產(chǎn)生下一次裂變，延緩鏈式反應規模擴大的速度。

兩塊鈾還沒(méi)完全合攏前自由釋放的一些中子也很容易引發(fā)鏈式反應、核爆炸。

因此槍式結構需要精確控制炸藥的數量，使鈾塊能夠馬上超過(guò)臨界質(zhì)量，盡量避免鏈式反應不充分，核爆炸不完全和燃料利用率低等現象。

美軍在廣島投放的“小男孩”原子彈使用了64.1千克鈾235核燃料，它的富集度為80%。

然而，這顆原子彈爆炸時(shí)只有不到1千克的鈾參與了核裂變，威力只達到了15000噸TNT當量。由于利用率過(guò)低，這一型號（代號MK-1）只生產(chǎn)了5枚，1950年全部退役。

槍式結構引爆過(guò)程示意

除了槍式結構，還有哪些辦法能引爆原子彈呢？

對于一定量的裂變物質(zhì)，密度越高，其臨界質(zhì)量越小。內爆式結構便是利用高壓手段使核燃料密度迅速增大，從而觸發(fā)臨界反應。

投放長(cháng)崎的原子彈“胖子”使用的是內爆式結構引爆的钚239原子彈。

內爆式結構需要把核燃料制成球形，球的外殼是反射層，球的外圍要均勻地放滿(mǎn)炸藥。

需要引爆時(shí)，球外圍的炸藥同時(shí)起爆產(chǎn)生極高的壓力向內擠壓核燃料，讓它迅速向中心內聚。

核燃料的密度瞬間增加，超過(guò)臨界點(diǎn)后，再利用中子源釋放中子，引發(fā)鏈式反應（核爆炸）。

相比槍式結構，內爆法需要的燃料質(zhì)量更小，核燃料反應率更高。

“胖子”原子彈的核裂變燃料是δ相钚合金，只用了6.2千克就達到了21000噸 TNT當量的威力，核燃料的利用率有了顯著(zhù)的提高。

另外，內爆法的安全性更好，“過(guò)早點(diǎn)火”的幾率較低，可使用自發(fā)裂變幾率較大，對點(diǎn)火較為敏感的裂變物質(zhì)。

內爆式原子彈構造圖

原子彈等核武器因其巨大的殺傷力遭到大家的排斥，但核武器對我國國防建設的重要意義也不應該被忽視。

如今，我們應該和平利用核能，將核能這種清潔能源運用到發(fā)電等經(jīng)濟領(lǐng)域中。