論述原子彈的技術方法論問題

【專家解說】：

結構原理

原子彈能量威力煤、石油等礦物燃料燃燒時釋放的能量 人民日報報道 ，來自碳、氫、氧的化合反應。 一般化學炸藥如梯恩梯（TNT）爆炸時釋放的能量，來自化合物的分解反應。在這些化學反應里，碳、氫、氧、氮等原子核都沒有變化，只是各個原子之間的組合狀態(tài)有了變化。核反應與化學反應則不一樣。在核裂變或核聚變反應里，參與反應的原子核都轉變成其他原子核，原子也發(fā)生了變化。人們習慣上稱這類武器為原子武器。但實質上是原子核的反應與轉變，所以稱核武器更為確切。核武器爆炸時釋放的能量，比只裝化學炸藥的常規(guī)武器要大得多。例如，1千克鈾全部裂變釋放的能量約8×1013焦耳，比1千克梯恩梯炸藥爆炸釋放的能量4.19×106焦耳約大2000萬倍。核武器爆炸釋放的總能量，即其威力的大小，常用釋放相同能量的梯恩梯炸藥量來表示，稱為梯恩梯當量。美、蘇等國裝備的各種核武器的梯恩梯當量，小的僅1000噸，甚至更低；大的達1000萬噸，甚至更高。[2]  核武器爆炸，不僅釋放的能量巨大，而且核反應過程非常迅速， 原子彈 微秒級的時間內即可完成。因此，在核武器爆炸周圍不大的范圍內形成極高的溫度，加熱并壓縮周圍空氣使之急速膨脹，產生高壓沖擊波。地面和空中核爆炸，還會在周圍空氣中形成火球，發(fā)出很強的光輻射。核反應還產生各種射線和放射性物質碎片；向外輻射的強脈沖射線與周圍物質相互作用，造成電流的增長和消失過程，其結果又產生電磁脈沖。這些不同于化學炸藥爆炸的特征，使核武器具備特有的強沖擊波、光輻射、早期核輻射、放射性沾染和核電磁脈沖等殺傷破壞作用。核武器的出現(xiàn)，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略戰(zhàn)術產生了重大影響。原子彈主要是利用核裂變釋放出來的巨大能量來起殺傷作用的一種武器。它與核反應堆一樣，依據(jù)的同樣是核裂變鏈式反應。按理，反應堆既然能實現(xiàn)鏈式反應，那么只要使它的中子增殖系數(shù)k大于1，不加控制，鏈式反應的規(guī)模將越來越大，則最終會發(fā)生爆炸。也就是說，反應堆也可以成為一顆“原子彈”。實際上也是這樣，若增殖系數(shù)k大于1而不加控制的話，反應堆確實會發(fā)生爆炸，所謂反應堆超臨界事故就是屬于這樣一種情況。反應堆重達幾百噸、幾千噸，無法作為武器使用。而且在這種情況下，裂變物質的利用率很低，爆炸威力也不大。要制造原子彈，首先要減小臨界質同時要提高爆炸威力。這就要求原子彈必須利用快中子裂變體系，裝藥必須是高濃度的裂變物質，同時要求裝藥量大大超過臨界質量，以使增殖系數(shù)k遠遠大于1。原子彈的裝藥，能大量得到、并可以用作原子彈裝藥的還只限于鈾235、钚239和鈾233三種裂變物質。鈾235是原子彈的主要裝藥。要獲得高加濃度的鈾235并不是一件輕而易舉的事，這是因為，天然鈾235的含量很小，大約140個鈾原子中只含有1個鈾235原子，而其余139個都是鈾238原子；尤其是鈾235和鈾238是同一種元素的同位素，它們的化學性質幾乎沒有差別，而且它們之間的相對質量差也很小。用普通的化學方法無法將它們分離；采用分離輕元素同位素的方法也無濟于事。[3]  原子彈鈾濃縮方法為了獲得高加濃度的鈾235，早期，科學家們曾用多種方法來攻此難關。 原子彈爆炸 最后“氣體擴散法”終于獲得了成功。鈾235原子約比鈾238原子輕1.3%，如果讓這兩種原子處于氣體狀態(tài)，鈾235原子就會比鈾238原子運動得稍快一點，這兩種原子就可稍稍得到分離。氣體擴散法所依據(jù)的，就是鈾235原子和鈾238原子之間這一微小的質量差異。這種方法首先要求將鈾轉變?yōu)闅怏w化合物。六氟化鈾是唯一合適的一種氣體化合物。這種化合物在常溫常壓下是固體，但很容易揮發(fā)，在56.4℃即升華成氣體。鈾235的六氟化鈾分子與鈾238的六氟化鈾分子相比，兩者質量相差不到百分之一，但事實證明，這個差異已足以使它們分離了。六氟化鈾氣體在加壓下被迫通過一個多孔隔膜。含有鈾235的分子通過多孔隔膜稍快一點，所以每通過一個多孔隔膜，鈾235的含量就會稍增加一點，但是增加的程度是十分微小的。要獲得幾乎純的鈾235，就需要讓六氟化鈾氣體數(shù)千次地通過多孔隔膜。氣體擴散法投資很高，耗電量很大，但這種方法仍是實現(xiàn)工業(yè)應用的唯一方法。為了尋找更好的鈾同位素分離方法，許多國家做了大量的研究工作，已取得了一定的成績。例如離心法已向工業(yè)生產過渡，噴嘴法等已處于中間工廠試驗階段，而新興的冠醚化學分離法和激光分離法等則更有吸引力。可以相信，今后一定會有更多更好的分離鈾同位素的方法付諸實用，氣體擴散法的壟斷地位必將結束。原子彈的另一種重要裝藥是钚239。钚239是通過反應堆生產的。 核試驗爆炸 在反應堆內，鈾238吸收一個中子，不發(fā)生裂變而變成鈾239，鈾239衰變成镎239，镎239衰變成钚239。由于钚與鈾是不同的元素，因此雖然只有很少一部分鈾轉變成了钚，但钚與鈾之間的分離，比起鈾同位素間的分離來卻要容易得多，因而可以比較方便地用化學方法提取純钚。鈾233也是原子彈的一種裝藥，它是通過釷232在反應堆內經(jīng)中子轟擊，生成釷233，再相繼經(jīng)兩次β衰變而制得。從上面可以看到，后兩種裝藥是通過反應堆生產的。它們是依靠鈾235裂變時放出的中子生成的，也就是說，它們的生成是以消耗鈾235為代價的，絲毫也離不開鈾235。從這個意義上來說，完全可以把鈾235稱作“核火種”，因為沒有鈾235就沒有反應堆，就沒有原子彈，就沒有大規(guī)模的原子能利用。有了核裝藥，只要使它們的體積或質量超過一定的臨界值，就可以實現(xiàn)原子彈爆炸了。只是這里還有一個原子彈的引發(fā)問題，也就是如何做到：不需要它爆炸時，它就不爆炸；需要它爆炸時，它就能立即爆炸。這可以通過臨界質量或臨界尺寸的控制來實現(xiàn)。從原理上講，最簡單的原子彈采用的是所謂槍式結構。兩塊均小于臨界質量的鈾塊，相隔一定的距離，不會引起爆炸，當它們合在一起時，就大于臨界質量，立刻發(fā)生爆炸。但是若將它們慢慢地合在一起，那么鏈式反應剛開始不久，所產生的能量就足以將它們本身吹散，而使鏈式反應停息，原子彈的爆炸威力和核裝藥的利用率就很小，這與反應堆超臨界事故爆炸時的情況有些相似。因此關鍵問題是要使它們能夠極迅速地合在一起。這可以象旁圖所示的那樣，將一部分鈾放在一端，而將另一部分鈾放在“炮筒”內，借助于烈性炸藥，極迅速地將它們完全合在一起，造成超臨界，產生高效率的爆炸。為了減少中子損失，核裝藥的外面有一層中子反射層；為了延遲核裝藥的飛散，原子彈具有堅固的外殼。