2019-03-25 11:46

原子弹制造指南

#想法

以下为视频文字稿:


哪个男孩不想亲自造一颗原子弹?



今天,我们已经知道原子弹的基本原理是核裂变。


这是铀元素,确切的说是铀-235,它的原子核有 143 个中子和 92 个质子。



当一个中子快速轰击铀-235 的原子核时,会分裂出另外两个元素——钡和氪,并释放 2-3 个中子,以及约 200 兆电子伏的能量。     



更刺激的是,放出来的中子可以继续轰击其他铀-235,引发不断地核裂变,称为链式反应。



这个反应的威力有多大呢?


一克完全裂变的铀-235 ,就相当于近 20 吨 TNT 炸药,足以炸倒半径 120 米内的建筑物。



不过,要想引发链式反应并不简单。


首先,铀材料中通常含有杂质,比如铀-238 ,它和铀-235 有同样的质子数,但多了 3 个中子,属于同位素。但铀-238 只会散射或俘获中子,不容易裂变,无法继续下一轮反应。



所以要想造原子弹,铀-235 的纯度必须在 90% 以上。



其次,铀的原子核直径只占整个原子的两万六千分之一,周围都是空隙,核裂变放出的中子很容易错过其他原子核,直接飞到外面。



所以铀材料最好是球形,因为同等体积下,球形的表面积最小,泄漏的中子也最少。


铀材料的纯度、形状、密度等因素决定了临界质量,指的是铀材料刚好能维持链式反应的最低质量,需要非常复杂的计算。



根据美国的核武器研究基地——洛斯阿拉莫斯实验室这份 1969 年的解密文件,93.8% 纯度的球形铀-235 ,密度为 18.75g/cm³ 时,临界质量约为 52kg 。



有了这些理论知识,就可以开造了。


这两张解密图纸,是 1945 年,美国在日本投放的两颗原子弹:小男孩和胖子,分别代表了两种典型的原子弹结构。     


其中,小男孩属于枪式,内部主要有这些部件,像一个枪膛。



启动时,尾部的电子雷管将引爆炸药包,膨胀的气体会推动一块空心的圆柱形铀块,嵌到头部的另一个圆柱形铀块,两块合体就能超过临界质量。



与此同时,空心铀块也将撞到实心铀块周围由钋、铍金属制成的弹丸球,这些弹丸球能释放大量中子,引发核裂变。


此外,铀块周围被厚厚的碳化钨包裹着,可以把泄露出来的中子再反射回铀块,加速链式反应,引发核爆炸。



然而,枪式结构有个缺陷,1945 年 8 月 6 日在广岛爆炸的“小男孩”装有 64kg 的铀-235,但 TNT 当量只有 1.5 万吨,利用率仅 1.2% 。



这是因为初始的反应能量会让大部分核材料迅速膨胀,密度下降,无法达到临界状态,还没反应完就被炸飞了。


而内爆式的“胖子”采用了层层包裹的结构,从外往里炸。    



启动时,电子雷管会同时引爆金属板下一共 32 个炸药包,冲击波将往里挤压一层球状推体,由容易变形的铝制成,最终不断挤压到中心的核材料——钚-239,一种比铀-235 更容易裂变的物质。



因为挤压,这块钚-239 的密度会迅速增大,达到临界状态。而里面包着的一颗钋、铍弹丸球就会放出中子,引发核裂变。外面还有一层铀-238 用于反射中子,加速链式反应,引发核爆。



内爆式结构可以让核材料更充分地反应。在“小男孩”爆炸后第三天,“胖子”就被扔到了长崎,只用了 6.1kg 的钚-239,TNT 当量就有 2.2 万吨,利用率提高到了 17% 。



内爆式原子弹虽然效果出众,但有一个技术难点,就是这套球面波起爆器。


先看外围的这层炸药包,这是雷管的位置,记为 O 点。当雷管点燃炸药,炸药的冲击波必然会先到达距离 O 最近的 C 点,而距离最远的 A、B 点则会最晚到达。



这样就无法均匀地压缩里面的核材料,难以充分裂变。


所以,炸药包必须使用爆炸速度高和爆炸速度低的两种炸药按一定比例调配。让 OC 相比 OA、OB 含有更多的低爆速炸药,炸得慢一点。这样一来,就能使 O 点发出的冲击波同时到达球面,均匀地压缩内部结构。



当然,原子弹的技术难点远不止这些,为此,我们准备了一份大礼包,包含了用于生产铀-235、钚-239 的方法和机械图纸,以及原子弹内部的电子雷管、气压感应开关等资料,你可以在我们的微信公众号回复“原子弹”,获取这些文件。



不过,制造原子弹最难的其实是获取核材料。


天然的铀矿非常稀有,而且矿石中 99% 都是铀-238 ,铀-235 仅占 0.7% 。



湖南是中国的铀矿重镇。1964 年,中国在罗布泊成功爆炸的第一颗原子弹,其中的铀,一大部分就来自郴州的 711 矿和衡阳的 712 矿。



这个光荣传统也让不少民间人士学会了土法炼铀。2007 年,4 位湖南籍的矿工和农民,共炼制了 8 公斤纯度高达 56% 的铀产品,一路偷运到广州贩卖,最终在交易时被警方抓获。


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