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(duì)于原子彈的破壞力和恐怖程度，想必大家都有所耳聞。

中國(guó)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(guó)家。

如今，原子彈等核相關(guān)研究工作仍在繼續(xù)，核實(shí)力也成為了我國(guó)國(guó)防建設(shè)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(yīng)。其中，原子彈主要利用鈾235或钚239等重原子核的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(zhuǎn)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?zhǔn)搅炎?/strong>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。

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(duì)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(shù)量不同，在相對(duì)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(kuò)散法和電磁分離法等。

>>>>氣體擴(kuò)散法

氣體擴(kuò)散法是應(yīng)用最早、技術(shù)最成熟的鈾同位素分離法。利用氣體擴(kuò)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(duì)較小，因此通過(guò)隔膜的速度相對(duì)較快，所以每通過(guò)一層多孔隔膜，鈾235的含量就會(huì)相對(duì)增加一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)千次通過(guò)隔膜后，就能得到高濃度的鈾235。

>>>>電磁分離法

運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)做圓周運(yùn)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(duì)質(zhì)量不同的鈾235與鈾238 圓周運(yùn)動(dòng)半徑不同而被分離。

氣體擴(kuò)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?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。

所謂鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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(xiàn)這一點(diǎn)可沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

如果核燃料過(guò)少，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)規(guī)模過(guò)小，大多數(shù)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(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達(dá)到一定的強(qiáng)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(nèi)部發(fā)生碰撞，使裂變反應(yīng)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(duì)應(yīng)的核燃料質(zhì)量的最小值稱為臨界質(zhì)量。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

低效鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

高效鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

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(dá)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(dá)到臨界質(zhì)量的燃料突然“變多變大”，達(dá)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(jié)構(gòu)原子彈的原理。

槍式結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的原子彈引爆結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

槍式結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要核燃料數(shù)量大，且效率較低，中子要飛行較長(zhǎng)距離后才能撞到原子核產(chǎn)生下一次裂變，延緩鏈?zhǔn)椒磻?yīng)規(guī)模擴(kuò)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?zhǔn)椒磻?yīng)、核爆炸。

因此槍式結(jié)構(gòu)需要精確控制炸藥的數(shù)量，使鈾塊能夠馬上超過(guò)臨界質(zhì)量，盡量避免鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不充分，核爆炸不完全和燃料利用率低等現(xiàn)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(dá)到了15000噸TNT當(dāng)量。由于利用率過(guò)低，這一型號(hào)（代號(hào)MK-1）只生產(chǎn)了5枚，1950年全部退役。

槍式結(jié)構(gòu)引爆過(guò)程示意

除了槍式結(jié)構(gòu)，還有哪些辦法能引爆原子彈呢？

對(duì)于一定量的裂變物質(zhì)，密度越高，其臨界質(zhì)量越小。內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)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(yīng)。

投放長(zhǎng)崎的原子彈“胖子”使用的是內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)引爆的钚239原子彈。

內(nèi)爆式結(jié)構(gòu)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(nèi)擠壓核燃料，讓它迅速向中心內(nèi)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?zhǔn)椒磻?yīng)（核爆炸）。

相比槍式結(jié)構(gòu)，內(nèi)爆法需要的燃料質(zhì)量更小，核燃料反應(yīng)率更高。

“胖子”原子彈的核裂變?nèi)剂鲜铅南囝泻辖?，只用?.2千克就達(dá)到了21000噸 TNT當(dāng)量的威力，核燃料的利用率有了顯著的提高。

另外，內(nèi)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(duì)點(diǎn)火較為敏感的裂變物質(zhì)。

內(nèi)爆式原子彈構(gòu)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(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)的重要意義也不應(yīng)該被忽視。

如今，我們應(yīng)該和平利用核能，將核能這種清潔能源運(yùn)用到發(fā)電等經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中。