为什么核聚变的氢弹比核裂变的原子弹威力大成百上千倍?

纣王在坏终是王


答:核武器的威力大小,也是与核反应材料的质量有关;由于氢弹与原子弹反应原理不一样,使得原子弹的爆炸当量受到限制,而氢弹爆炸当量理论上没有限制。


单纯地说氢弹爆炸威力比原子弹大是不对的,因为一颗核弹的爆炸威力,也与自身的核材料填充量有关;比如中子弹本质上也是氢弹(第三代核武器),但是中子弹比最小原子弹的当量还小很多。

从核聚变与核裂变的原理上看,原子弹中核裂变质量亏损率为0.09%,氢弹中核聚变质量亏损率为0.7%,两者相差了几乎十倍,原因是氢元素的平均核子质量,要比铀元素的平均核子质量大很多。

所以相同质量的聚变材料发生热核反应,要比相同质量的裂变材料发生裂变释放能量大近十倍,但是这并不是氢弹爆炸威力比原子弹大的原因。


对于原子弹中的核聚变,存在一个临界质量,低于临界质量的裂变材料,无法维持链式反应;原子弹的原理,就是把高纯度的铀-235分成两块,每块都低于临界质量,需要引爆时,把两个铀块合在一起超过临界质量就行。

原理很简单,但是里面涉及的技术肯定是很复杂的,正是由于临界质量的存在,所以分开的铀块质量必须低于临界质量,合在一起的铀块必要超过临界质量,这就导致原子弹的爆炸当量存在最大值。


我们可以估算一下,铀-235的临界质量大约是50公斤,每个铀块我们设计为40公斤(留10公斤安全余量),两块就是80公斤,原子弹的裂变材料利用率,最高的差不多是20%,于是根据质能方程:

E=△mc^2=80*(3*10^8)^2*0.09%*20%≈1.3*10^15焦耳;

相当于30万吨TNT当量,这差不多就是铀-235核弹的当量极限;比如二战时期,美国在日本广岛投放的原子弹,当量就是1.5万吨TNT,裂变材料利用率不到5%。


目前对原子弹的研究方向,都是如何提高裂变材料的利用率,叫做“加强型原子弹”;但是氢弹中进行的核聚变反应,就没有临界质量的限制,只要你的聚变材料填充得足够多,理论上爆炸当量没有上限。

所以氢弹的爆炸当量一般做得很大,比如我国第一颗氢弹的爆炸当量为300万吨TNT;人类引爆过最大的氢弹,是苏联的沙皇炸弹,爆炸当量是5000万吨TNT。


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不管是氢弹还是原子弹,它们本质上都是利用原子核反应过程中损失的质量来转化为巨大的能量,这个可以通过质能方程计算出来。氢弹的原理是核聚变,把较轻的原子核——氘和氚(两者都是氢的同位素),聚变成较重的原子核——氦,由此损失的质量将会转化为能量。另一方面,原子弹的原理是核裂变,利用中子轰击重原子核——铀或者钚,导致它们裂变为较轻的原子核(比如铷、锶、银、镉、锌),由此损失的质量将会转化为能量。那么,为什么这两种核反应所能产生的能量存在很大的差异呢?

这主要与比结合能有关。为了分裂原子核,就要克服原子核的核力,从而需要一定的能量,这种能量即为原子核的结合能。再把结合能除以原子核中的核子数(质子和中子数之和),就得到了比结合能。如果原子核的比结合能越高,分裂它所需的能量也越高,‪这意味着它越稳定。下面是各种元素的比结合能示意图:

可以看到,铁的比结合能最高,所以比铁轻的原子核发生核聚变以及比铁重的原子核发生核裂变都会释放出能量。由于氦的比结合能比氘和氚要高得多,所以氘和氚发生核聚变反应之后将会释放出相对较高的能量。而铀或者钚的比结合能与核裂变产物的比结合能相差并不大,故相等质量的铀或者钚发生核裂变所能释放出的能量要小于氘和氚的核聚变。正因为如此,氢弹的威力要比原子弹更强。

此外,氢弹爆炸还需原子弹进行引爆。这是因为原子核都带正电,它们之间存在强大的斥力,为了使原子核结合在一起就必须要有相当高的能量。一旦原子核能够发生核聚变之后,反应释放出的能量就能进一步引发其他原子核发生核聚变反应。


火星一号


为什么核聚变的氢弹比核裂变的原子弹威力大成百上千倍?

其实各位大神的回答已经很完美了,偶从另一个角度来补充下,让这个问题更容易理解!

氚氘聚变示意图

U235裂变示意图

两者过程相反,但一样能释放巨大的能量,不过最大的区别的是聚变质量损失约为0.7%,裂变材则:U235裂变损失的质量约为0.0946%;钚239约为0.0961%!而质能转换计算为:

简单的从两者质量丢失的比例来看,同样质量的聚变材料是裂变的7-8倍以上!

同样还有另一个问题不容忽视,由于核裂变有一个临界质量,即在超过这个质量的话,自身即开始链式反应无法控制,因此在原子弹内部时是分开安装的,引爆时才被高能炸药的爆炸的能量贴合在一起引起裂变的链式反应!

而聚变在引爆前都是十分安全的,因此装药量也不受限制,另外需要注意的是裂变过程中并非100%裂变的,在原子弹中有很大一部分材料在裂变前就被炸散了,因此真正参与裂变的材料仅仅只占了一部分......

几个原因,导致裂变弹的威力远远小于聚变弹,比如原子弹一般都为几万吨,了不起几十万吨,但聚变弹就没有威力限制了(至少几十万吨起),史上威力最大的聚变弹是在新地岛爆炸的“大伊万”,起初当量为1亿吨,后来计算后威力超过无人区,因此减小当量到5000万吨!

大伊万(沙皇炸弹)投掷,5000万吨当量

B41聚变弹爆炸,当量2500万吨!


星辰大海路上的种花家


图示:广岛原子弹爆炸航拍照片

  众所周知,原子弹的爆炸机理是核裂变,氢弹的反应过程是核聚变,裂变与聚变,同为原子核释放能量的两种方式。但是,为什么会产生如此之大的能量差异?对此,慕什塔戈认为,氢弹与原子弹在结构原理上的两处区别,导致其威力的倍增。

  一是核装料不同。原子弹内部的核装料,通常选择易裂变原子核的铀-235或钚-239等,利用铀、钚等原子核分裂所产生的巨大能量进行杀伤和破坏;氢弹是用氢的同位素氘和氚为核装料 ,用特制的原子弹作为引起爆炸的装置,用原子弹爆炸所产生的高温使氘和氚发生聚合反应,形成氦核子而释放巨大能量并引起更加猛烈的爆炸。可见,氢弹的核装料中包括原子弹,原子弹充当了氢弹的起爆药。

图示:1961年10月30日,前苏联“大伊万”氢弹爆炸航拍照片

  二是爆炸原理不同。根据下图所示,原子弹的爆炸原理是,首先引爆传统爆炸物(棕褐色部分),通过产生的高温高压气体,挤压可分裂的核原料,如钸-239(蓝绿色)或铀-235(黄色),直至将其挤压到超临界状态,最终导致其疯狂地分裂原子,形成核爆炸:氢弹的爆炸原理是,用核裂变反应来触发核聚变,通过核裂变释放的能量巨大的X射线冲击波,引爆核聚变装料,从而产生比原子弹高出上千倍的聚变核能。

图示:原子弹与氢弹结构对比图


慕什塔戈


氢弹和原子弹的威力相差这么大是和两种核武器的原理相关的。总的来说,所有核武器的基本原理都是爱因斯坦的质能转换方程,E=mC2,也就是说,在核聚变或者核裂变过程中,减少的质量转换成能量,这个能量就是核武器的威力所在。

原子弹的原理是铀-235和钚-239等重原子核在中子的轰击后,分裂成2个较轻的核,同时再放出2-3个中子和200兆电子伏特能量,总质量也减少。氢弹则是与之相反的轻核聚变,由氢的同位素氘和氚聚合成更重的核(氦),同时释放出能量。聚合的方程式为:2D+3T—→4He+1n,放出的能量约为17.6兆电子伏特。由于产生聚变的核更轻、更小,反应也更简单,因此单位重量下反应释放出的能量更多。聚变反应中,平均每个核子放出3.5兆电子伏特能量,而核裂变中平均每个核子放出的能量还不到1兆电子伏特。从理论计算上说,400克氘和600克氚的混合物聚变放出的能量相当于4千克铀裂变或12000吨标准煤燃烧的能量。

但氢弹也有个问题,那就是必须在6000万度以上的超高温状态下才能发生聚变反应,而这种高温只有原子弹爆炸才能实现。因此,氢弹一般都以原子弹作为聚变反应的“起爆器”。

此外,由于聚变反应能迅速释放出大量的中子,加速裂变反应的进行,因此,核大国们普遍研制装备了“增强型原子弹”。其原理就是利用原子弹爆炸的高温高压,使安放在其核心的氚氘混合物发生聚变反应,在生成氦的同时释放大量中子。聚变反应中放出的中子可以大大加快包裹在它们外面的裂变材料的裂变反应过程,让它们在被炸飞出去而被浪费掉之前加入裂变反应。“增强型原子弹”可以把原子弹的威力增加一倍,也是目前五大国最主要的核弹头类型。T


联合防务


氢弹和原子弹都是典型的原子能的军事利用,

所谓原子能,就是当原子核结合能发生变化时所能够释放出来的能量,原子弹利用的是重核裂变,而氢弹采用的是轻核聚变,下面讲讲两种的不同。

原子弹利用的是裂变能量,当重核分裂成两个质量相近的核时,他们的平均结合能会增加大约1 MeV,对于铀235来讲,每个U裂变释放200 MeV的能量。但对铀来讲,必须达到自持的链式反应,才能大规模的利用能量,只有铀的体积大于“临界体积”,才能发生剧烈的链式反应。对于原子弹就是利用炸药把两块体积小于临界体积的铀挤压到一块,大于临界体积,产生了自持不断的链式反应,能量就剧烈的释放了。这里原子弹的大小就受到了一定的限制,每个单独的铀块必须小于临界体积,同时铀等核材料含量少,提纯技术要求高。

而氢弹利用的能量是轻核的聚变,本身轻核聚变的能量就大约是每个重核裂变的4倍。而且氢弹的燃料是氘,它的含量是取之不竭的。热核聚变需要高温的等离子体,还要达到一定的密度,对于太阳来讲,其内部时时刻刻发生着核聚变,给予整个太阳系以能量,太阳巨大的质量约束了内部的等离子,在一千多万度的高温发生核聚变。

而人类能够是实现的是不可控制的释放,比如氢弹,它需要的高温由原子弹爆炸来提供,所以氢弹是原子弹来点火实现的裂变加聚变。其燃料体积不受限制,因此威力当然更为巨大。前苏联的大伊万氢弹能量就是相当于广岛原子弹的几千倍,设计爆炸当量一亿吨,

量子实验室,欢迎评论和关注。


量子实验室


单从核反应来看,一公斤氘氚聚变释放的能量要比一公斤铀钚裂变大3-4倍。其次,原子弹中的裂变材料受到临界体积分限制,当量只有几万到十几万吨。而氢弹中的热核材料没有临界体积的限制,只要氢弹弹壳能承受的得了,其所装入的热核材料多多益善。氢弹的当量可达几百万到几千万吨,比原子弹大得多。最后,氢弹使用原子弹做为启爆器。正是这三点,氢弹的威力比原子弹大得多。


天授大业-告成


氘—氚聚变释放的能量是铀裂变的4倍,氘和锂(锂是用来产生氚的)的储量远远多于铀。但这不是决定性因素。根本原因是原子弹的当量是有上限的。如果铀/钚太多就会达到临界状态,也就是自爆。所以原子弹的当量不能超过几十万吨。而氢弹就没有当量的上限。


心灵火柴盒


这是因为原子弹用的铀235或钚239都有一个临界质量问题。太小的一块铀235是不能爆炸的,需要达到它的临界质量才会爆炸(大约十几千克),因此凡是达到临界质量的铀块都会自发地发生爆炸,所以大块的铀235是不可能存在的。原子弹是装了两(或者几)块小于临界质量的铀235,待到炸药爆炸把这些小块挤成超过临界质量的大块,从而原子弹爆炸。你不可能装几十几百块铀235并且保证同时把它们挤到一起吧?因此原子弹的爆炸力是有上限的,不可能做得很大。而氢弹装药没有限制可以做得很大很大!


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