核弹为什么要用铀,而不是其他元素?

核弹为什么要用铀,而不是其他元素?
2023年04月26日 23:34 铁戈飞马

核弹当然可以用其它元素,而且已经用了。当然,也不能瞎用,需要“裂变同位素”才行。

比如二战时期的“胖子”原子弹,它是枚钚239核弹,一炮就把长崎给糊了。

后来氢弹被开发出来,它使用了氘化锂6。

氘化锂6是锂6和氘反应生成的物质,人们通过原子弹当做裂变“扳机”,锂6会在剧烈的反应中产生氚,氚与氘产生热核反应,核聚变就形成了。

氘即“重氢”,氚即“超重氢”。

所以,本质上核弹的原理并不是难以阐述——中子射向原子核并被吸收,导致不稳定和裂变,继而爆发连锁反应。人们只是借助中子对原子核进行轰击,使之发生反应并释放出巨大的能量罢了。

中子与靶核碰撞时,产生了两个原子核,每个原子核的质量约为初始目标原子核的一半;也会产生两到三个中子,但产物质量之和小于初始质量;根据方程式E=mc2,将0.1%的初始质量转换为能量,然后新产生的中子继续轰击其它靶核,产生连锁反应并产生能量。

如今各国使用的核电站,与核弹技术某种程度上是一致的,区别仅在于规模的大小和对核反应的控制上。

人们需要核反应的热量,但不需要真的种出一颗大蘑菇,所以核反应堆与核弹不同,前者给快中子减速受控,能烧个水就行了,后者则给中子加速以获得更大更彻底的裂变能量。

可控核聚变的反应堆又与今天的裂变堆不一样,正在研发中的聚变堆相当复杂,主要使用托马克磁场环流器,以磁场约束等离子体,高功率激光阵列为驱动器进行聚变发电。

聚变反应与裂变反应的作用也是相反的:当暴露在极高的温度和压力下时,一些轻原子核可以聚变在一起形成较重的原子核,并在过程中释放能量。

人们之所以看上了氘氚这俩氢同位素做聚变材料,主要就是相对便宜好获得,通过电解水就能取得氘(重水不能电解,所以把水电解掉,剩下的就是重水)。

再利用反应堆靶向照射氟化锂、碳酸锂、锂镁、锂铝等金属,通过熔融即可提取氚,再辅以富集技术,便能得到丰都较高的氚。

有人看科幻小说中常说“海水中到处都是氘氚”,这么说没大错,因为重水(氧化氘)确实是从水中提取的,而地球上最多的就是海水。

氘氚之外的其它物质当然也可以核聚变,比如用氦3,这种物质不产生中子,因此可控性简直完美。问题是,地球上压根就没啥氦3,仅有几百公斤,月球上倒是有不少,只要把月壤加热到700度就能制取。

因为不会放出中子,也就没了中子射流,核爆炸时那种乱七八糟的强环境辐射也就不存在了。

再回到原子弹的问题上,原子弹是裂变核武器,通过中子轰击原子核,造成原子核的分裂并释放出巨大的能量。

原子反应背后是什么呢?是“核力”,核力是一种相互作用的作用力,它们之间的作用原理其实人类还不太明白,专门的学科涉及到量子场和唯象理论。

简单的说,存在一种把原子黏在一起的“力”,核力越强大,原子的凝聚性就越强。

这也是人们为什么选择铀235的原因——铀原子很大,因此它们的凝聚性相对较差,这可以让中子加速冲击原子核更简单,而且也更容易在短时间内(百万分之一秒内)产生大规模的几何式裂变反应,释放出更多的能量。

前面说的除了铀235之外的另一种原子弹材料钚239,它与铀又有点不同。

钚239是一种具有长半衰期的人造放射性元素,通过用慢中子轰击铀238(贫铀)产生,可以用作核武器中的炸药和核反应堆的燃料。

铀235和钚239都可以称为“裂变同位素”,顾名思义,它们可以发生高效的“核裂变”,所以也称“易裂变同核素”。以铀元素来说,铀的几同位素如233、234、234和238都不够格,只有235适合。

除了裂变以外,235产生的快中子量足以在瞬时继续扩大并维持链式反应,这样才能构成“武器级”的需求,而非氦3那种温吞的无害面团。

铀238的问题出在哪呢?它不好用,在快中子的靶向撞击下也会裂变,但它的裂变会产生慢中子,慢中子没法继续让其它铀238原子产生连锁反应,这等于快中子被贫铀给吸收了,还炸个鬼。

233也是差不多的毛病,而且233几乎没有天然存在,只能通过钍232进行衰变制造。所以人们拿这些不适合炸的东西当做优质核燃料发展,它们可以做成“增殖反应堆”,比如把钍232做成壳子套住铀反应堆,那么慢中子会被钍吸收掉,继而转变成铀233。人们再把钍和铀分开,这样燃料不就又回来了?

实际理论上一切原子都可以裂变反应,但人类目前主要研究开发的就是铀235和钚239,它们皆源于二次大战期间的“曼哈顿工程”,是最简单也最容易实现裂变和链式反应的物质。

周期表上有些元素,裂变后不仅不释放能量,还吸收能量,这显然没法做核弹也不能发电。还有些特别顽固的元素,来自宇宙诞生的大爆炸,或者星系形成的超新星大爆发,随便点个亮就是太阳的5700亿倍,让这种环境中产生的元素裂变,太看得起人类了。

说白了,就是经济实用不折腾而已,科学不是手工耿,原子弹也折腾不起。

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