广岛原子弹与现在的原子弹有何不同?

军统60


广岛小男孩原子弹与现在的原子弹主要存在两个区别:

小男孩原子弹是一颗使用铀235作为主装药的原子弹,而现在的原子弹则多为钚弹,使用钚-239为装药。

为什么现在原子弹多为钚弹,主要原因是因为铀235存在于自然界中铀矿石之中,而铀矿石中的铀235含量极低,但是制造铀弹又必须达到90%以上的丰度,所以就必须进行提炼,而目前主流的气体离心法需要成千上万的离心机和海量的电能支持,并且耗费长久时间,因此提炼90%以上丰度的铀235难度极大。


(气体离心法)

相比与铀弹,钚弹对钚-239的的丰度要求在93%以上,看似难度更高,实则暗藏玄机。钚-239的半衰期为2.4万年,在自然界基本不存在,但是这玩意儿却大量存在于核电站反应堆的废料,也就是核燃料棒燃烧后的灰烬之中。通过分解沉淀、萃取、纯化可以很方便的提取出大量的高浓度钚-239。所以我们经常说日本囤积了多少吨核电站钚废料,能够制造多少颗原子弹,就是这么个意思。


钚239和铀235的优劣势

钚239的优势在于临界质量(可以简单理解为发生核爆的最小质量)小,铀235的临界质量是52千克左右,钚239则只需要10千克,理论上用钚239可以制造出体积和质量更小的原子弹,但实际上这只是裸临界质量(主要取决于核弹结构和爆炸方式),而且在实际制造中这点质量几乎可以忽略不计。钚239的最大缺点在于毒性大,维护性差,像五常这样核工业完备的国家一般使用更安全可靠的铀弹(原子弹基本被淘汰了),但是因为可以从核电站的废料中提取,因此钚弹也经常被一些实力弱但是又企图走捷径发展核武的国家所青睐(这些国家才玩原子弹),你懂的。
(我国第一颗原子弹就是铀弹)

小男孩原子弹是一颗枪式原子弹,现代一般为内爆式原子弹

从威力上来讲,铀235和钚239在裂变时产生的能量相差不大,但是由于钚239裂变时能够释放更多中子,因此其链式反应更快速,所以临界质量也更小,因此钚弹通常采用内爆式结构,在钚弹内部放置一团次临界状态的钚239,然后再围上一圈炸药,当炸药引爆就能瞬间挤压内部的钚239,极速增加核装药的密度,最终达到超临界状态,产生链式反应释放能量。

而铀235相对来说比钚239的活性更低,因此通过挤压次临界状态的铀235产生链式反应的难度就更大,所以通常使用的是枪式撞击法。把两团(甲乙)处于次临界状态的铀235分置于于一根钢管的两端,然后炸药爆炸挤压甲团向乙团运动,最终两团挤压结合在一起就会达到超临界状态,最后链式反应释放能量。



小男孩枪式原子弹为什么会被淘汰?

类似小男孩的枪式原子弹之所以会被淘汰,主要是因为核装药利用率太低,铀235在加速过程中会徒然消耗掉许多,而且两团铀235结合在一起之后,由于各区域密度不同,也只有一小部分会发生链式反应,小男孩内部装有64千克铀235,实际裂变的只有不到1千克,利用率只有1%。真正裂变的只有700克,利用率只有1%左右。
(枪式原子弹一般就是这种长条状)

内爆式原子弹相对来说利用率就要高的多,爆炸在长崎的胖子原子弹就是典型内爆式原子弹,它内部只有6千克钚239,但是最后爆炸威力却比小男孩还略高,利用率提高了至少10倍以上!利用率高就可以使用更少的核材料达到更大的爆炸威力(比威力),成本也就越低,体积重量也可以相应缩小,所以枪式原子弹也就自然而然被淘汰了(画外音:其实现在大国都玩热核武器,原子弹都没什么人玩了)。
(内爆式一般是圆滚滚的形状)


军史吐槽君


有一些区别的,在广岛爆炸的原子弹是一枚枪式结构的原子弹。

我们来看看结构:

枪式原子弹会利用高能炸药推动一块小质量的铀235块快速的打入一块接近于临界质量的铀块上。这样在打入瞬间整块的核材料会大于临界质量引发链式反应。

链式反应发生后原子弹开始释放能量。

但问题是这样的结构实际上对核材料的利用率很低,在大部分的枪式样爆炸中核材料的利用率是不足千分之三的。也就是说每千克的核材料才有3克参与反应。原因呢很简单,其他的核材料都在反应的瞬间炸的四分五裂,被炸成小块的核材料就又小于了临界值不会发生核爆炸。当然了反应-炸裂的过程都发生于百万分之一秒内。


简单的说就是——枪式起爆简单但是效率极低。广岛原子弹利用了枪式原理实际上是原子弹发展初期的一个最简单的实验装置。那么它的缺点主要来自于大块的核材料本身在起爆的时间点是几乎静止的。没有足够的动量克服核弹爆炸时所产生的巨大压力,于是就在一瞬间四分五裂了。


现代的核弹很少采用枪式原理进行引爆,大部分核装置的引爆方式都是使用内爆式起爆原理,看动图:

内爆式原子弹的最中心部分充满了分散状态的核材料粉末,大部分核材料粉末是用泡沫塑料颗粒进行分隔。外部包裹的则是高能炸药,在高能炸药起爆的时候,塑料部分烧熔大量的核材料粉末就会被炸药的爆炸打到中心点,这时这些粉末就会重铸成一块紧密而超过临界质量的核材料,随即核材料发生爆炸。

这样的引爆装置好处是在爆炸瞬间整体的核材料都有一个向内聚集的惯性,在链式反应发生的初期,这种惯性维持了整个核材料不至于被巨大的核反应压力产生的斥力分裂成碎块。链式反应的时间延长了2-3倍,核材料的利用率也达到了千分之七的高度,整体的核弹爆炸威力提高了一倍以上。

我们再来对比一下小男孩核弹和早期的内爆式核弹大小:

我们可以看出内爆式核弹的体积比枪式核弹的体积小了很多。那么第二个好处则是由于取消了枪式核弹的“炮管”,那么整体核弹的体积可以尽量的做小,使核弹的载体不再仅仅局限于巨大的航空炸弹,而是可以缩小成导弹弹头和炮弹弹头。这样以来核弹的使用方式就有了最大的灵活性。

以至于最小的内爆式核弹可以做到利用无后坐力炮进行发射

这点是枪式核弹基本上无论如何也不能达到的。


而着重说现代,现代核武器大部分是氢弹,这点恐怕要引起大家的异议了,不是说只有中国有氢弹么?事实上包括中国在内所有有核武器的国家都在不停的生产和储备氢弹。U-235这类的核材料整体丰度很低,而类似于氘这样的聚变材料多到可以用茶杯到海里去盛,那么将有限的核材料应用于氢弹比起单独的制作原子弹要划算的多。因此这也算是题主所问的问题的答案之一。


另一方面还有一种潜在的核材料还没有能用在核弹上,那就是He3,这种材料聚变产生的能量要远大于氘和氚。只要今后能够解决He3的固化问题,那么一定会出现氦弹。到时候威力恐怕可以做到几亿吨TNT当量。


军武数据库


暴躁的“小男孩”

1945年8月为了瓦解日本的抵抗,美国向日本广岛投掷了一枚震惊世界的武器——原子弹。巨大的爆炸威力瞬间摧毁了整个广岛,这是人类第一次将核武器投入实战。

广岛原子弹代号“小男孩”,是一种使用枪式引爆技术的初级原子弹,爆炸威力相当于两万吨TNT当量,以铀235为代表的核材料在超过临界质量后就会发生链式反应,释放出巨大的能量。枪式原子弹就是在一块较小的铀235后边放置炸药,当引爆炸药后让这块铀235以极大速度冲击主装药,从而达到超临界状态,这种类似于枪支发射的引爆方式,就被称为枪式原子弹。

为了使核武器威力更大,科学家开发出了新的核技术,这就是在长崎爆炸的原子弹“胖子”,胖子是一种内爆式原子弹,通过在核装药外部包裹反射层,在反射层外部放置炸药,通过向心冲击波冲击核装药从而达到超临界状态,引发核爆炸。

试爆的“沙皇炸弹”,这是人类制造的最大威力爆炸

现代原子弹在内爆式的基础上更进一步,给内爆式原子弹穿上一层氚和氘的马甲,然后再来一层铀238的马甲,这种多相弹(也称三相弹,看马甲数量),在整个爆炸过程中,会连续产生裂变--聚变--裂变的反应过程,爆炸威力会得到倍增,而且核爆后的残留辐射也会更加强烈。

现代核弹头的威力都相当大,战略级核武器的威力基本都是十万吨当量起,前苏联更是试爆过五千万吨TNT当量的巨型核武“沙皇炸弹”。而且大多现代核武器具备多弹头打击能力,可以轻松摧毁多个目标。全世界现在拥有几万枚核武器,这些核武器可以把地球摧毁几十遍,但愿这个魔鬼不要重现人间!

前苏联投放的“大伊万”

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兵器次元


最大的区别就是技术!


在1945年8月6日在广岛爆炸的“小男孩”是一枚“枪式铀弹”,其内部装药是是60公斤的铀235,是用一块低临界质量的铀块射向其他低临界质量的铀块,来组成一块超临界质量的铀块从而产生链式反应的。



图注:枪式原子弹的原理,在内部其实就可以看作是一把用铀235做子弹的抢,射击另一块铀235。

但这种方法核装药损耗极大,“小男孩”在爆炸过程后经过估算,只有一公斤左右的铀235进行了核裂变,其他都被浪费掉了。

而且铀235的临界质量相对来说也偏高,(在上世纪早期的计算中铀235的临界质量为15公斤,但在工程技术上很难实现),所以世界各国后期的原子弹多采用钚装药的内爆式原子弹,比如长崎的“胖子”就是钚装药的内爆式原子弹。


图注:内爆式原子弹的原理与枪式不同,可以看作是用炸药来压缩核装药。

钚装药相比铀装药除更加节省外,其临界质量也更低,在上世界早期的测算中239的临界质量仅有10公斤,但无论是钚239还是铀235其临界质量都是随着物料形状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等多重因素所影响的。

而根据国际原子能机构的规定,钚纯度在达到92%-93%就可以称作“武器级钚”,而根据美国的说法核装药的钚239中,钚240的含量要低于6%,而且随着各国核技术的进步,在实际工程应用上,钚239的临界质量也在逐步提高,根据80年代的国外论文来看,2公斤的钚239(也就一个台球那么大)就可以在工程上实现临界反应了。



图注:钚239

所以目前来说,类似广岛“小男孩”那种铀235装药的枪式原子弹,已经被各各核大国所淘汰了,更确切的说;是原子弹这种低技术含量的核武器被各核大国所淘汰了,当然了其他没有核技术的土鳖,还是对其趋之若鹜的!


军事小科普


广岛的原子弹是一枚“枪式弹”,而现在的原子弹则多数使用长崎那枚的“内爆弹”结构。这两者的原理其实是类似的,都是让高能炸药推动裂变金属成了超临界质量,然后用一个快中子源启动链式反应,同时在外面包裹着一个中子反射层,让大量的中子反射回去继续更多的链式反应。

要点就在于,链式反应产生的大量热能吹散这个反应体之前,尽可能多的裂变金属参与到链式反应中,这样子才能有足够的能量被释放。否则爆炸当量就会很小,变成一个“脏弹”。

枪式弹,是使用一小块远远不够临界质量的铀235射入一大块但是还不够临界质量的铀2235正好达到超临界质量。内爆弹则是通过四面八方的炸药爆炸把一块因为疏松达不到临界质量的铀或者钚压缩成超临界质量的小团。

枪式弹的问题在于,如果这个入射距离太小加速时间不够,那么达到超临界质量的时间过长(别看万分之几秒,这可是足够被反应热吹散了),入射速度越快反应率越高。好多回答说了,广岛弹里60公斤其实只有一公斤裂变了,其余的都被吹散了……可是如果提高入射速度,那么这个距离要加大,弹体就太长了……别指望当做导弹弹头,只能用飞机,而且还得是大型机去扔。

对了,钚弹不能做成枪式的因为不管怎么样都没法让钚240含量太低。这东西可以出现“早燃”,高高兴兴在钚239还没有到临界时候就反应了,把原子弹吹碎了。枪式弹不可能做成对等两块,那样子达到临界质量时候的相对速度就悲剧了,反应效率还是会完蛋。

内爆弹没有这个问题,体积可以做的足够小。不过难题在于如何确保几百万分之一秒内同时起爆周围一大堆炸药,否则炸药起爆不均匀就会把这个小球吹散了,反应率也会非常悲剧……

所以今天的原子弹基本都是内爆弹,没人用枪式弹了,太大太浪费啊!

至于说增强型原子弹和当量可调型,其实都是根据往这个球体内部塞进去的聚变物质来实现的。


千里岩


现在的“原子弹”,与广岛、长崎的原子弹相比,有以下的根本区别:

首先,我们要知道,现在其实已经没有什么“纯裂变弹”了。随着对于“等离子体物理”了解的深入,为了提高“核装料”(就是裂变材料)的“利用率”,目前的“原子弹”(指不是氢弹“被扳机”的部分)作了这些“改进”:

一、全部采用裂变截面大的钚材料,这样所使用的“核材料”就少;

二、采用“强点火中子源”,以提高点火时,被压缩的核材料中的“初始中子密度”,可以大大提高中子倍增的“代数”;

三、内部采用“聚变材料”,使聚变材料与裂变材料一起“被压缩”,可以大大的增强威力。例如,几百吨TNT当量的“裂变放能”,可以点燃适当的“聚变材料”发生“热核聚变”,将总当量提高至万吨TNT当量。这种“增强型扳机”,在点燃氢弹的“被扳机”方面。有着极大的优势,所以“第二代核武器”可以做的很小。

其它的我就不知道了。


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