五十九载，东方巨响犹在耳畔—我国第一颗原子弹爆炸成功59周年
来源： 科普中国 发布时间：2023-10-16
10月16日是个特别的日子
59年前的今天1964年10月16日位于新疆罗布泊的荒漠里巨大的蘑菇云腾空而起中国第一颗原子弹爆炸成功“东方巨响”震惊了世界。
在一无图纸二无资料的情况下，科研人员用计算尺、算盘进行理论计算工作。最终，我们用事实向世界庄严宣告：中国人民依靠自己的力量，掌握了原子弹技术，打破了超级大国的核垄断。这一成就提高了我国的国际地位。
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。
只有了解了这些，才能真正了解我国科研工作者研制原子弹的辛勤和不易！
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。
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。
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。
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。
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。
“干惊天动地事，做隐姓埋名人”。为了这一天，无数英雄与戈壁黄沙为伴，克服难以想象的困难，创造了令人惊叹的奇迹，向先辈的奋斗致敬！
来源：科普中国综合光明网、北京科学中心等
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