你该知道的核弹原理

原子核分裂时释放的能量非常惊人：1克铀完全裂变时所释放的能量，相当于2吨优质煤完全燃烧时所释放的能量。核弹爆炸时，1千克铀裂变释放的能量，相当于2万吨TNT炸药爆炸释放的能量。

反应堆-最早真的是堆出来的
    无论是利用核能发电还是制造原子弹，核反应堆都是少不了的。反应堆之所以叫做“堆”，是因为世界上第一个可控核裂变装置，是用石墨块和金属铀块一层层交替地“堆”起来的。
    石墨块的用途是降低中子的速度，从而控制反应速度。后来虽然出现了诸如重水这样的减速剂，外形也不再是堆形，但是核反应堆的叫法仍沿用了下来。

中子-点燃核火维持核火
    无论是核电站还是核武器，利用的都是原子核裂变时所释放的能量。不过要想让原子核裂变，也不是一件容易的事情。组成原子核的质子和中子之间存在着一种很强的作用力，而在原子核外，迅速降到零。所以在一般情况下原子核是非常稳定的。但是科学家发现，用一个中子去轰击一个铀235原子的话，这个原子核就会分裂，同时释放出巨大的能量，以及2~3个中子。这些新产生的中子再继续轰击别的铀235原子核，就会导致新的核裂变。于是裂变反应就不断持续下去，这个过程就是“链式反应”。
    如果第一次裂变时放出了2个中子，它们引发两个铀核发生裂变，又放出4个中子，这4个中子再引发4个铀核裂变......如此下去，链式反应的规模就会越来越大，这种状态被称为超临界。
    如果设法让中子的数量一直保持不变，比如每次裂变都只放出2个中子，那链式反应就以恒定的速度持续进行，这种状态称为临界。如果种子数量越来越少，链式反应规模越来越小，直至最后停息，这就是次临界。

浓缩铀-强力分离“双胞胎”
    铀是反应堆的燃料。天然铀中主要含有铀235和铀238两种同位素，前者约占0.72%，而后者约占99.27%。铀238很不容易裂变，含量极少的铀235则是世界上唯一天然核裂变材料。
    天然铀矿中的铀235含量太少，不能维持链式反应，所以要从天然铀矿中提取忧35，先要把铀238分离出去，以不断提高忧35浓度，这一加工过程称为“浓缩”。
    铀浓缩只能采用物理学方法，因为铀235和铀238犹如一对双胞胎，其化学性质几乎完全相同，无法进行化学分离。通常采用的方法有离心法、气体扩散法和激光放。离心法的工作原理与洗衣机利用离心力使衣服脱水的过程相似，通过每秒达2万转以上的超高速离心机，可将铀235浓度提高到90%以上，以满足核武器要求。
    以美国的浓缩铀气体扩散厂为例，天然铀矿经过筛选、粉碎，制成矿浆，然后经过进一步处理，变成四氟化铀或六氟化铀。六氟化铀在泵的作用下，撞击上面设有数百万个小孔的障碍物。由于铀235和铀238的原子质量有轻微的不同，所以含铀235的气体分子速度穿过小孔的速度会稍微快一点，最终的产品就是武器级铀。
    铀235的重量浓度在20%以上的，就称为高浓度铀。核电站所用的铀燃料，一般只稍加浓缩，重量浓度仅为3~5%。核武器的铀235浓度则一般为93.5%。上世纪60年代末，武器级铀每磅（0.45千克）需5500万美圆，而天然铀每磅才12美圆。

钚-利用核废料
    乍看起来，似乎铀238没什么用处，其实不是这样的，它可以变成钚239。用钚239制作的核武器，威力不减，但重量更轻，体积更小。自然界中钚的蕴涵量极少，所以只能人工制成，而且还得在反应堆里才能得到。当铀238原子吸收了中子而没有裂开时，它便嬗变为钚239。随着时间的推移，铀235越来越少，但取出的核废料中，仍有许多铀238转变成的钚239。钚的分离一般采用添加化学催化剂的方法。

原子弹引爆-离不开炸药
    科学家发现，铀核裂变过程中会损失一些质量，这部分质量变成了能量。根据爱因斯坦著名的质量转换公式E=mc²，其中c是光速（约等于每秒30万公里），m是静止物体的质量，E是静止物体所含的能量。一个铀核裂变大约释放200兆电子伏的能量。
   原子弹的起爆方法分为“枪法”和内爆法“两种，不管哪一种都离不开高爆炸药。如内爆法就是把海绵状的核燃料放在一个球形金属容器中，把高爆炸药包裹在其周围。这种原子弹起爆时，首先引爆炸药，产生强大的内聚冲击波和高压力，压缩核燃料使其达到临界状态，产生核爆炸。

重水-比黄金还贵的水
    普通水的水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，这两个氢原子都只有一个质子。而重水的分子式是D₂O，每个分子由两个氘原子和一个氧原子构成。氘是氢的同位素，又叫重氢，每个氘原子原子里除了质子，还有一个中子，每个重水分子里多了两个中子。在自然界，重水的含量很少，通过电解水得到的重水，比黄金还昂贵。
    重水泡的种子不会发芽，人或动物喝了重水则会死亡，但是要想制造核武器，重水必不可少。重水反应堆可以使用普通铀，而且能制造出可制作核弹的钚。使用普通水的反应堆，只能使用浓缩铀，所以只能作为民用。
    铀235在各种能量的中子作用下，均可能产生裂变，而铀238只有在大于1.1兆电子伏的中子轰击下才可能裂变。而且，不容易裂变的铀238还特别容易吸收中子。如果中子都被铀238吸收了，那链式反应就会慢慢停止。不过，如果让中子的速度慢下来，那铀238对中子的”吸引力“就会大减。所以，反应堆里要用到各种减速剂。石墨与重水，都是绝佳的减速剂。

（来源 《知识窗》，消息来源《文荟》）