审核专家： 田晨

中国科普作家协会会员

军事评论员

提起核武器，你的脑海中是不是会马上蹦出“威力巨大，可怕的核辐射”等字眼。对于原子弹的破坏力和恐怖程度，想必大家都有所耳闻。

中国历经诸多磨难和失败，终于在1964年成功引爆了第一颗原子弹，成为世界上第五个有核国家。

如今，原子弹等核相关研究工作仍在继续，核实力也成为了我国国防建设的重要部分，但是你真的了解原子弹制造和引爆的基本原理么，下面就让我们来一起看看吧。

原子弹升空的“蘑菇云”

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消失的质量去哪儿了？

核武器巨大的能量来自瞬间发生的核反应。其中，原子弹主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成，属于第一代核武器。

原子弹一般由外壳、引爆装置、炸药、反射层、核燃料和中子源等部分组成。

自然界中有一些原子的原子核在一定条件下能分裂成两个小原子核，且两个小原子核的质量总和小于分裂前单个原子核的质量。

这些质量可不会凭空消失，它们会转变成巨大的能量，并被释放出来。

中子引发核裂变示意图

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核燃料从哪来？

自然界中可发生裂变的原子有很多，它们各自的物理化学性质都不相同，只有一部分能发生可控链式裂变的原子适合作为原子弹的核燃料。

目前原子弹使用的核燃料主要有铀235，钚239和铀233，其中铀235最为常见。

一个铀235被一个中子撞击后会分裂为两个原子核，如钡和氪，氙和锶或溴和镧等，同时放出两三个多余的中子。1千克铀235全部裂变后放出的能量，接近2万吨TNT炸药。

在自然界的天然铀矿石中，铀235的丰度只有0.7%，因此，制造原子弹的第一大难题就是如何提炼出丰度在90%以上的浓缩铀。

自然界中铀238的含量相对较高，它与铀235化学性质几乎没有差别，但二者由于中子数量不同，在相对质量上有一定差异。

我们希望利用二者质量上的微小差异将二者分离，得到高浓度的铀235，目前常用的方法有气体扩散法和电磁分离法等。

>>>>气体扩散法

气体扩散法是应用最早、技术最成熟的铀同位素分离法。利用气体扩散法得到浓缩铀时，需要先将同时含有铀235和铀238的六氟化铀气体加压通过隔膜。

由于含铀235的气体分子质量相对较小，因此通过隔膜的速度相对较快，所以每通过一层多孔隔膜，铀235的含量就会相对增加一点，经过数千次通过隔膜后，就能得到高浓度的铀235。

>>>>电磁分离法

运动的带电粒子在磁场中会做圆周运动，电磁分离法是令铀的同位素离子同时穿过磁场，由于相对质量不同的铀235与铀238 圆周运动半径不同而被分离。

气体扩散法分离铀同位素示意图

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引爆没有那么容易

有了高浓度的铀235和其他核燃料以后，下一步就是要制造可进行核爆炸的裂变装置。

要制造一颗原子弹，必须使核燃料发生链式裂变反应。

所谓链式反应，就是指铀235被一个中子撞击分裂后，放出2-3个多余的中子，这些中子再撞击到另外的原子核，引发更多次裂变，像链条一样传递下去。

要想实现这一点可没有那么简单。

如果核燃料过少，链式反应规模过小，大多数中子还没来得及撞上原子核就已经飞到外面了，无法形成核爆炸。

只有单位时间内的链式反应达到一定的强度，才能形成核爆炸。

增加核燃料的量是一个可行的办法，如果核燃料的块头足够大，中子就能更充分地在它的内部发生碰撞，使裂变反应充分地发生，进而引发核爆炸。

我们把能产生核爆炸对应的核燃料质量的最小值称为临界质量。

链式反应

低效链式反应

高效链式反应

另外，为了安全，要保证制备出来的引爆装置在一般情况下达不到临界值质量，不会发生爆炸，但引爆后却能立即引发原子弹爆炸。

要知道核爆炸的发生与否是由燃料的质量大小决定的，怎么样才能让没有达到临界质量的燃料突然“变多变大”，达到临界质量呢？

“那就把两块小的燃料突然捏在一起呗”——这便是枪式结构原子弹的原理。

枪式结构是最简单的原子弹引爆结构，它的原理是使核燃料质量超过临界质量引发爆炸。投放广岛的原子弹“小男孩”采用的就是枪式结构。

枪式结构主要由以下几部分构成：2-3个分别小于临界质量的铀235核燃料块、钢管炸药、雷管引爆器和中子发生器。

开始时铀块相隔一定距离，且各自小于临界质量，不会发生爆炸，一旦烈性炸药爆炸后，产生的能量使铀块迅速结合在一起，核燃料质量瞬间超过临界值，立即引发核爆炸。

枪式结构虽然相对简单，但需要核燃料数量大，且效率较低，中子要飞行较长距离后才能撞到原子核产生下一次裂变，延缓链式反应规模扩大的速度。

两块铀还没完全合拢前自由释放的一些中子也很容易引发链式反应、核爆炸。

因此枪式结构需要精确控制炸药的数量，使铀块能够马上超过临界质量，尽量避免链式反应不充分，核爆炸不完全和燃料利用率低等现象。

美军在广岛投放的“小男孩”原子弹使用了64.1千克铀235核燃料，它的富集度为80%。

然而，这颗原子弹爆炸时只有不到1千克的铀参与了核裂变，威力只达到了15000吨TNT当量。由于利用率过低，这一型号（代号MK-1）只生产了5枚，1950年全部退役。

枪式结构引爆过程示意

除了枪式结构，还有哪些办法能引爆原子弹呢？

对于一定量的裂变物质，密度越高，其临界质量越小。内爆式结构便是利用高压手段使核燃料密度迅速增大，从而触发临界反应。

投放长崎的原子弹“胖子”使用的是内爆式结构引爆的钚239原子弹。

内爆式结构需要把核燃料制成球形，球的外壳是反射层，球的外围要均匀地放满炸药。

需要引爆时，球外围的炸药同时起爆产生极高的压力向内挤压核燃料，让它迅速向中心内聚。

核燃料的密度瞬间增加，超过临界点后，再利用中子源释放中子，引发链式反应（核爆炸）。

相比枪式结构，内爆法需要的燃料质量更小，核燃料反应率更高。

“胖子”原子弹的核裂变燃料是δ相钚合金，只用了6.2千克就达到了21000吨 TNT当量的威力，核燃料的利用率有了显著的提高。

另外，内爆法的安全性更好，“过早点火”的几率较低，可使用自发裂变几率较大，对点火较为敏感的裂变物质。

内爆式原子弹构造图

原子弹等核武器因其巨大的杀伤力遭到大家的排斥，但核武器对我国国防建设的重要意义也不应该被忽视。

如今，我们应该和平利用核能，将核能这种清洁能源运用到发电等经济领域中。

原标题：您有一份原子弹制造指南，请查收

来源：数字北京科学中心

编辑：小林绿子