3月6日,一个疑问终于有了答案,原来真正的原因是核武器!
但对于这个问题的核心“核武器”,估计大家都有一个疑问,这个高中时都学过的核武器原理,为什么全球那么多先进国家,有那么多顶尖的科学家都造不出来,为何会这样?
核武器的原理是什么,遍地都是核电站却造不出核弹?
核武器的基本原理有两种,一种是原子弹,另一种则是氢弹,而各位经常听说的脏弹或者中子弹以及三相弹的,这些又是这些核武器中延伸出来的概念,个中原理差别不大。
原子弹的原理:重核裂变
原子弹中常用的核装药为铀-235或者钚-239,前者是自然界中天然存在,可以在铀矿中提取,后者则只能在重水反应堆中制造,不过两者的同一个特点是裂变时都能释放巨大的能像,其裂变过程与条件如下:
裂变后两者的质量亏损比差不多,所以同等质量的铀和钚裂变的能量也差了不大,另外有个重大的区别是铀-235的临界质量要比钚-239大得多。
链式反应是裂变武器爆炸必须经历的过程,如裂变过程中会产生多余的3个中子,其会撞击其他原子核继续发生裂变,这就是链式反应,一直到中子再也无法撞击到可以裂变的铀-235原子核,裂变过程结束。
原子弹就被引爆了,其原理就是这么简单。
氢弹的原理:重核裂变的极端条件引爆氢弹
氢弹的原理就是用原子弹爆炸的高温和高压引爆氘氚核聚变材料,使其聚变成氦并且释放出巨大的能量,其过程如下:
上图是T-U构型的氢弹在引爆时的过程,位于顶部的原子弹首先爆炸,极端的环境让核聚变装药达到了聚变条件,将会发生如下聚变过程:
相同质量的氢核聚变是重核裂变8倍以上,这也是氢弹的威力要比原子弹高得多的原因。
核电站利用的就是重核裂变原理,将核燃料放在反应堆内,然后用中子发生器对其照射产生裂变,然后用减速剂来降低中子能级,使它更容易撞击到铀-235原子核,再用水来吸收掉产生的热量,烧开水输出蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机,这就是一个核电站的原理。
如果功率太大,那么用中子吸收材料制成的棒插入核反应堆,多余的中子被吸收,那么功率就降低了,如果全部吸收那么就停堆了,这就是可以控制核反应堆启动、停止以及改变输出功率等等。
全世界已经有31个国家拥有核电站,总共有433座核反应堆,正在建设的还有65座,未来计划的还有158座,这个数量是不是非常惊人?
能造核反应堆为什么不能造原子弹?
虽然原子弹和核反应堆用的都是中子引发链式反应,但原子弹和核反应堆完全是两条路子,原子弹为了提高爆炸威力使用了快中子裂变体系,其需要高浓度的裂变材料作为装药。
而核反应堆则是为了彻底使用核燃料,因此使用的是慢中子,所以在核反应堆中会有所谓的减速剂,其实这就是用来减速中子的,比如早期的石墨堆,减速中子的就是石墨(切尔诺贝利核事故的反应堆就是石墨堆),还有重水堆,用的是重水作为减速剂,还有则是轻水堆,直接使用处理过的水作为减速剂。
减速后的中子效率更高,因此可以用比较低浓度的核燃料,比如轻水堆可以低至20%浓度,而重水堆甚至可以直接烧铀矿石。所以能造核反应堆并不表示就能造出原子弹,不过有几种情况倒是可能制造原子弹的核材料,下文会做个简单讲解。
核武器的难点究竟在哪里?造原子弹的国家那么多,为何氢弹就那么几个?
上文的快中子裂变体系要用高浓度铀-235,也就是所谓的武器级,至少也需要90%以上,但自然界提取的铀中只含有0.72%左右的铀-235,其他的都是同位素铀-238,所以遭遇的第一个难题就是浓缩。
在曼哈顿计划中用了三种方法,电磁(“电磁型同位素分离器”)、气体(“气体扩散法”)与热(“索瑞特效应”),不过现在用的都是离心法,它是利用235和238之间原子核质量微小差别通过离心法分离,将铀处理称六氟化铀气体,然后离心机逐级提纯,最终得到武器级铀。
但这个一来成本太高,二来离心机这种设备制造难度也比较大,而且被国际原子能机构严密监控,哪国要是敢弄出武器级铀,必定会招致全方位的制裁。
另一个问题则是快中子裂变体系,因为铀装药是具有临界质量的,因此存放时不能达到临界质量,但起爆时需要,因此原子弹分成了枪机式和内爆式,从理论上来看,内爆式威力显然更大,因为枪机式的两块铀装药质量是有限制的。
因此原子弹引爆需要在起爆后核装药闭合瞬间发出快中子,然后引爆,此时还需要外部中子反射材料将逃出去的中子再挡回来,这些结构配合天衣无缝才可以引爆一枚原子弹,否则要么就是裂变材料浪费,变成一颗脏弹,要么啥都不会发生,所以需要大量的测试才可以。
但现在天上有卫星盯着、地上有地震检测仪盯着,哪位还想核试验一下?是不是不想混了啊?
不过更准确地说,原子弹的门槛还真不高,只要豁得出去基本就能造出来,各位看XX、XX都是不要命了造原子弹,但各位却不必担心,由于原子弹由于其引爆结构与核材料成本实在太高,所以当量很少会超过50万吨,大家也不是特别害怕,毕竟再有钱也无法毁灭世界。
但氢弹就不一样了,由T-U构型的氢弹延伸出来的三相弹乃至N相弹其威力无限,那么问题来了,原子弹可以引爆氢弹,怎么氢弹能造出来的国家还更少了呢?
原因也很简单,因为无论是于敏构型还是T-U构型,其最大的难点就是如何压缩核聚变材料,并且各位熟悉的氢弹原理“原子弹高温高压引爆氢弹”只对了一半,因为这个高温高压来之复杂,堪称世间难题。
氢弹中的核装药并不是氘和氚,氘很便宜,但氚却极贵,而且两种都是气体,要装到氢弹里还得低温液化,得一些列外围结构,所以美国第一个“氢弹装置”重达60多吨。
现代小型化的氢弹用的都是氘化锂-6,因为氘化锂在高温下就能分解出氘,而锂-6在中子照射下会变成氚,那么引爆过程中就有几个问题需要解决了:
首先得产生氘和氚,而这两个是由不同过程引发的,原子弹爆炸时会有大量的中子通量,会以极高的速度穿透大部分材料直接到达氘化锂-6,产生氚。
而原子弹的高温传递则需要更多的时间,当那个玩意儿抵达时黄花菜都凉了,时间太慢,那么必须要一种更快的加热方式,科学家想到了光速抵达的X和伽马射线,因此在原子弹和聚变装药外围包裹了一层X射线和伽马射线的反射材料,将其能量聚焦到氘化锂-6上。
其压缩致热效应分解氘,中子产生氚,两者时间差不多,然后原子弹爆炸过程中的持续照射会继续压缩氘和氚,然后......就开始聚变啦,
所以在这个结构中,各种时机的配合以及高效反射材料,以及聚变装药的位置形状等等,都同样需要无数次实验,当然也可以用超级计算机模拟,不过问题是第一次模拟的数据也得从多次实际实验中取得后建模,否则就是纸上谈兵,这个数据向谁要?谁又会给?
而且这N相串联的氢弹威力实在太大,而且氘化锂-6成本还低,造个氢弹比原子弹还便宜,这要是扩散了可就罪过了,所以氢弹的构型那是绝密中的绝密。
延伸阅读:为什么要管制重水反应堆?
各位应该听说过伊朗的阿拉克重水反应堆,国际原子能机构那是盯着不放,但布什尔核反应堆却没人管,这是什么原因?
很简单,因为布什尔核反应堆是轻水反应堆,而阿拉克则是重水反应堆,因为重水反应堆可以制造钚,其过程如下:
那么问题来了,轻水反应堆中不是也有中子么,为什么不能生产钚?原因则是水减速中子效果不好,因此只能浓度比较高的铀-235才能使用,而重水减速效率很高,可以使用低浓缩浓度的铀-235,甚至铀矿石。
但同时铀-238吸收中子变成铀-239,继而变成钚-239,各位应该是发现了一个问题,也就是说重水堆运行一段时间后,里面的废物铀-238就变成了原子弹重要核材料的钚-239,它的临界质量只有10千克,而铀-235则为52公斤,造原子弹的门槛瞬间被拉低5倍。
所以国际原子能机构就盯着重水堆看,毕竟这多运行一天就多找出很多钚-239,要是哪天有人发疯了到处轰钚原子弹也是非常可怕的(长崎的胖子原子弹用的是钚-239)。(完)