審核專家： 田晨
中國科普作家協會會員
軍事評論員
提起核武器，你的腦海中是不是會馬上蹦出“威力巨大，可怕的核輻射”等字眼。對於原子彈的破壞力和恐怖程度，想必大家都有所耳聞。
中國曆經諸多磨難和失敗，終於在1964年成功引爆了第一顆原子彈，成為世界上第五個有核國家。
如今，原子彈等核相關研究工作仍在繼續，核實力也成為了我國國防建設的重要部分，但是你真的瞭解原子彈製造和引爆的基本原理麼，下面就讓我們來一起看看吧。
原子彈升空的“蘑菇雲”
1
消失的質量去哪兒了？核武器巨大的能量來自瞬間發生的核反應。其中，原子彈主要利用鈾235或鈈239等重原子核的裂變鏈式反應原理製成，屬於第一代核武器。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小原子核，且兩個小原子核的質量總和小於分裂前單個原子核的質量。
這些質量可不會憑空消失，它們會轉變成巨大的能量，並被釋放出來。
中子引發核裂變示意圖
2
核燃料從哪來？自然界中可發生裂變的原子有很多，它們各自的物理化學性質都不相同，只有一部分能發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，鈈239和鈾233，其中鈾235最為常見。
一個鈾235被一箇中子撞擊後會分裂為兩個原子核，如鋇和氪，氙和鍶或溴和鑭等，同時放出兩三個多餘的中子。1千克鈾235全部裂變後放出的能量，接近2萬噸TNT炸藥。
在自然界的天然鈾礦石中，鈾235的丰度只有0.7%，因此，製造原子彈的第一大難題就是如何提煉出丰度在90%以上的濃縮鈾。
自然界中鈾238的含量相對較高，它與鈾235化學性質幾乎沒有差別，但二者由於中子數量不同，在相對質量上有一定差異。
我們希望利用二者質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、技術最成熟的鈾同位素分離法。利用氣體擴散法得到濃縮鈾時，需要先將同時含有鈾235和鈾238的六氟化鈾氣體加壓通過隔膜。
由於含鈾235的氣體分子質量相對較小，因此通過隔膜的速度相對較快，所以每通過一層多孔隔膜，鈾235的含量就會相對增加一點，經過數千次通過隔膜後，就能得到高濃度的鈾235。
>>>>電磁分離法
運動的帶電粒子在磁場中會做圓周運動，電磁分離法是令鈾的同位素離子同時穿過磁場，由於相對質量不同的鈾235與鈾238 圓周運動半徑不同而被分離。
氣體擴散法分離鈾同位素示意圖
3 引爆沒有那麼容易
有了高濃度的鈾235和其他核燃料以後，下一步就是要製造可進行核爆炸的裂變裝置。
要製造一顆原子彈，必須使核燃料發生鏈式裂變反應。
所謂鏈式反應，就是指鈾235被一箇中子撞擊分裂後，放出2-3個多餘的中子，這些中子再撞擊到另外的原子核，引發更多次裂變，像鏈條一樣傳遞下去。
要想實現這一點可沒有那麼簡單。
如果核燃料過少，鏈式反應規模過小，大多數中子還沒來得及撞上原子核就已經飛到外面了，無法形成核爆炸。
只有單位時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生碰撞，使裂變反應充分地發生，進而引發核爆炸。
我們把能產生核爆炸對應的核燃料質量的最小值稱為臨界質量。
鏈式反應
低效鏈式反應
高效鏈式反應
另外，為了安全，要保證製備出來的引爆裝置在一般情況下達不到臨界值質量，不會發生爆炸，但引爆後卻能立即引發原子彈爆炸。
要知道核爆炸的發生與否是由燃料的質量大小決定的，怎麼樣才能讓沒有達到臨界質量的燃料突然“變多變大”，達到臨界質量呢？
“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。槍式結構是最簡單的原子彈引爆結構，它的原理是使核燃料質量超過臨界質量引發爆炸。投放廣島的原子彈“小男孩”採用的就是槍式結構。
槍式結構主要由以下幾部分構成：2-3個分別小於臨界質量的鈾235核燃料塊、鋼管炸藥、雷管引爆器和中子發生器。
開始時鈾塊相隔一定距離，且各自小於臨界質量，不會發生爆炸，一旦烈性炸藥爆炸後，產生的能量使鈾塊迅速結合在一起，核燃料質量瞬間超過臨界值，立即引發核爆炸。
槍式結構雖然相對簡單，但需要核燃料數量大，且效率較低，中子要飛行較長距離後才能撞到原子核產生下一次裂變，延緩鏈式反應規模擴大的速度。
兩塊鈾還沒完全合攏前自由釋放的一些中子也很容易引發鏈式反應、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臨界質量，儘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。由於利用率過低，這一型號（代號MK-1）只生產了5枚，1950年全部退役。
槍式結構引爆過程示意
除了槍式結構，還有哪些辦法能引爆原子彈呢？
對於一定量的裂變物質，密度越高，其臨界質量越小。內爆式結構便是利用高壓手段使核燃料密度迅速增大，從而觸發臨界反應。
投放長崎的原子彈“胖子”使用的是內爆式結構引爆的鈈239原子彈。
內爆式結構需要把核燃料製成球形，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，球外圍的炸藥同時起爆產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，超過臨界點後，再利用中子源釋放中子，引發鏈式反應（核爆炸）。
相比槍式結構，內爆法需要的燃料質量更小，核燃料反應率更高。
“胖子”原子彈的核裂變燃料是δ相鈈合金，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的提高。
另外，內爆法的安全性更好，“過早點火”的幾率較低，可使用自發裂變幾率較大，對點火較為敏感的裂變物質。
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電等經濟領域中。
原標題：您有一份原子彈製造指南，請查收
來源：數字北京科學中心
編輯：小林綠子
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