原子弹的基本原理

原子弹是利用铀和钚等较容易裂变的重原子核在核裂变瞬间可以发出巨大能量的原理而发生爆炸的[1]。铀-235和钚-239此类重原子核在中子的轰击后，通常会分裂变成两个中等质量的核[1]，同时再放出2到3个中子和200兆电子伏的能量[1]。在裂变中放出的中子，一些在裂变系统中损耗了，而一些则继续进行重核裂变（继续轰击重原子核）反应[1]。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个（即中子的增值系数大于1），那么核裂变即可以继续进行，一次一次的反应后，裂变出的中子总数以指数形式增长[1]，而产生的能量也随之剧增。如果不加控制，最终，这个裂变系统会变为一个距离的链式裂变反应[1]。在此类重核裂变反应中，系统可以在极短的时间内释放出大量的能量[2]。当“下一代”中子数定位两个时，在不到一微秒的时间内，一千克的铀或钚中会有24个原子核发生裂变反应[1]，而就在这不到一微秒的时间内，此反应所产生出能量相当于2万吨TNT当量[1]。这也是原子弹那极具破坏性威力的来源。而在原子弹的实际使用及爆炸中，需要提高爆炸的威力，为了利用“快中子裂变体系”，需要使用高浓度的裂变物质作为装药[3]，同时装药量必须远远超过临界质量，使得中子的增值系数远远大于一[3]。原子弹的基本原理（上）最近朝鲜又进行了一次成功的地下核试验，核武器又一次引起世人的关注。其实，核武器的基本原理说起来并不难，一个普通中学生就能说得头头是道。我上初中那会还有民防课，上课时介绍过相关知识。不过现在据说已经没有这门课程了，唉！中国的教育制度真是……国防教育应该从娃娃抓起。朝鲜这次核试验毫无疑问是原子弹，我们通常所说的核武器其实是核武器的战斗部，军事上所说的核武器还包括投送的工具以及指挥系统。下面我就介绍一下原子弹的基本原理。原子弹是利用重核裂变瞬间释放出巨大能量，引起杀伤破坏的武器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。原子弹里用于裂变的材料是铀或钚两种元素的同位素——铀-235或钚-239，它们的原子核在接受到一个中子后，就会分裂成大小、重量差不多的两个原子核，同时释放出约200MeV的能量。举例来说，铀裂变有时产生氪（36号元素）和钡（56号元素），反应方程式为：235U+n—→236U—→140Ba+93Kr+3n。这个能量差不多能使你肉眼能看到的最小的沙粒跳一下了。相比之下一个碳原子燃烧产生的能量只有4.1eV，仅是裂变能量的5千万分之一。这只是一个原子裂变放出的能量，学过化学的人都知道，1摩尔铀-235里面有6.02×1023个原子，也就是超过6千万亿亿个铀原子，总重235克。铀的比重和黄金差不多，所以1摩尔的铀也就和250克的金条差不多大，可以放在手心里。这些原子如果全部裂变的话，能量相当惊人，差不多相当于600吨煤完全燃烧所释放的能量。1kg的铀-235或钚-239完全裂变，释放出的能量大约等于2万吨烈性的TNT炸药爆炸的威力。铀-235的原子核裂变时，还会放出中子，有时一个也没有，有时能达到6个，平均有2.5个。这就是说，一个中子引起的核裂变，会放出2.5个中子。而这些中子又会引起周围原子核的裂变，于是就会象雪崩一样引起一连串的原子核裂变，这个过程就叫链式反应。但是这些中子未必都会引起新的裂变，譬如由于原子核十分微小，所以中子不一定能接触到铀核，如果铀块不够大的话，有些中子就会飞出铀块，不能引起新的裂变。当然，铀块中的杂质也会吸收中子，使新的裂变不能进行。能使裂变材料的链式反应能持续进行的最小的体积称之为临界体积．．．．，这时它的质量成为临界质量．．．．。临界质量和裂变材料的种类、纯度、密度以及几何形状密切相关，如果材料包裹以中子反射材料的话，还可以降低临界质量。据网上说一般球形纯铀-235的临界质量约为50kg，δ相钚-239则为15～16kg；而加装中子反射材料后，铀-235的临界质量只有15kg了，而δ相钚-239则只有10～11kg了。之所以材料加工成球形，是因为体积一定时，球形表面积最小，中子泄漏也就减少了。原子弹的基本原理（下）钚比起铀来，具有更小的临界质量，因此可以实现核武器小型化。由于天然铀当中，铀-235只有0.7%，而制造原子弹必须要使用浓度达到90%以上的铀-235。所以提炼铀-235绝非易事，一般提炼铀-235是先将矿石加工成含铀75%的“黄饼”（1000吨矿石仅能生产1.2～1.5吨黄饼），再提纯制得高纯度的二氧化铀，最后制造成气体六氟化铀（UF6，室温下是固体，65℃时升华）。然后再通过气体扩散法、电磁分离法、喷嘴分离法以及最新的激光分离法等等提取制备出高浓度的铀-235。而制备钚-239的则要简单一些，一般用化学分离法，现在也用离子交换树脂来实现铀和钚的分离。因此，事实上原子弹更多采用钚-239做为裂变材料。原子弹就是将亚临界状态的裂变材料变成超临界状态，同时提供一些中子，使裂变链式反应能持续进行，从而发出巨大的能量。有两种实现的方法，即枪法和内爆法。枪法，顾名思义就是象打枪一样，利用普通炸药爆炸，把一块亚临界状态的铀迅速射向另一块，两块铀结合在一起质量就超过了临界质量。这很象是铀块的互相射击。事实上，铀块外还包有中子反射层，原子弹内部还有导向槽保证铀块能准确射到另一块。这种原子弹制造技术简单，1945年8月6日美国投掷在广岛的原子弹“小男孩”就是这种。用于技术简单，连核试验都没做，直接就使用了。但是，这种原子弹的核材料利用率很低，“小男孩”用了超过60kg的铀，爆炸的TNT当量为1.4～1.5万吨，利用率仅为1.2%，现在通过技术改进利用率也仅能达到10%左右。另外，钚-239不能用枪法，因为钚更容易裂变，使用枪法会造成点火过早，一些钚裂变产生的热量会使材料膨胀而达不到临界状态。内爆法是利用普通炸药爆炸产生的冲击波，压缩裂变材料，使材料密度增加。这样单位体积内的原子核数量增加，和中子碰撞的概率也就增加；而且压缩后表面积减小，中子泄漏也就减少了。一般普通炸药是多点起爆，造成向内汇聚的球面波，这样能将核材料压成密度尽可能高的球形，使材料达到超临界状态。但这多点同时起爆控制很难，比如雷管的控制，起爆点是否够密集，多点炸药的密度是否均匀，结构部件加工的误差等等。因此制造原子弹绝对是对一个国家的综合考验。使用内爆法的好处是能提高材料的利用率，一开始这种原子弹的核材料利用率为10%左右，现在通过技术改进已能达到20%以上了。1945年美国第一次核试验（也是人类的首次核试验）使用的就是这种原子弹，后来投掷到长崎的原子弹“胖子”也是这种。值得一提得是，我国的第一颗原子弹就是内爆法原子弹，而且我国使用的核材料是生产难度大的铀-235，而且还是在较短时间内研制的，这绝对令国人感到自豪。其实，不管是哪种原子弹，都有两次爆炸点火过程，先是雷管引爆普通炸药，利用这次爆炸的能量使核材料达到超临界状态，再是超临界状态下中子点火，引起核爆炸。这两步虽然很短暂，但步骤分明。由于存在临界质量的问题，原子弹中核材料不可能太多，否则不便于制造、保存和运输。如果在原子弹中加入一些诸如氘化锂-6等聚变材料，利用原子弹爆炸产生的高温以及中子促使聚变材料发生聚变反应，就可以进一步提高原子弹的威力，这就叫加强型原子弹。加强型原子弹中有氢弹的影子，但是聚变产生的能量很小，不像氢弹那样主要靠聚变产生能量。制造原子弹首先要有强大的核工业基础，否则就没有核材料，更谈不上制造原子弹了。有了核材料，还必须解决一系列的科学、工程技术问题。在研制的过程中有可以促进科技、工程、新材料等的发展。因此原子弹的研制成功，是一个国家科技实力和综合国力的象征，难怪朝鲜如此不遗余力的制造原子弹了。浓缩铀，指经过同位素提炼后，铀235含量超过90%的铀金属，与其相对的是贫化铀。不论是和平利用核能，还是为制造核武器，浓缩铀都是必要的。因此，国际原子能机构希望能够控制全球各国所有铀浓缩活动，以防止核武器扩散。浓缩铀根据铀235含量的不同，可以分为高浓缩铀（HEU）（20%以上），低浓缩铀（LEU）（2%-20%）和微浓缩铀（SEU）（0.9%-2%）。铀235含量超过85%则被称为武器级浓缩铀，可直接用于制造原子弹。原文来自:中国杂学网()详细地址：