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核武器原理都知道，为何很多国家倾全力也造不出，究竟难在哪里？

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科技
3年前
219

3月6日，一个疑问终于有了答案，原来真正的原因是核武器！

但对于这个问题的核心“核武器”，估计大家都有一个疑问，这个高中时都学过的核武器原理，为什么全球那么多先进国家，有那么多顶尖的科学家都造不出来，为何会这样？

核武器的原理是什么，遍地都是核电站却造不出核弹？

核武器的基本原理有两种，一种是原子弹，另一种则是氢弹，而各位经常听说的脏弹或者中子弹以及三相弹的，这些又是这些核武器中延伸出来的概念，个中原理差别不大。

原子弹的原理：重核裂变

原子弹中常用的核装药为铀-235或者钚-239，前者是自然界中天然存在，可以在铀矿中提取，后者则只能在重水反应堆中制造，不过两者的同一个特点是裂变时都能释放巨大的能像，其裂变过程与条件如下：

裂变后两者的质量亏损比差不多，所以同等质量的铀和钚裂变的能量也差了不大，另外有个重大的区别是铀-235的临界质量要比钚-239大得多。

链式反应是裂变武器爆炸必须经历的过程，如裂变过程中会产生多余的3个中子，其会撞击其他原子核继续发生裂变，这就是链式反应，一直到中子再也无法撞击到可以裂变的铀-235原子核，裂变过程结束。

原子弹就被引爆了，其原理就是这么简单。

氢弹的原理：重核裂变的极端条件引爆氢弹

氢弹的原理就是用原子弹爆炸的高温和高压引爆氘氚核聚变材料，使其聚变成氦并且释放出巨大的能量，其过程如下：

上图是T-U构型的氢弹在引爆时的过程，位于顶部的原子弹首先爆炸，极端的环境让核聚变装药达到了聚变条件，将会发生如下聚变过程：

相同质量的氢核聚变是重核裂变8倍以上，这也是氢弹的威力要比原子弹高得多的原因。

核电站利用的就是重核裂变原理，将核燃料放在反应堆内，然后用中子发生器对其照射产生裂变，然后用减速剂来降低中子能级，使它更容易撞击到铀-235原子核，再用水来吸收掉产生的热量，烧开水输出蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机，这就是一个核电站的原理。

如果功率太大，那么用中子吸收材料制成的棒插入核反应堆，多余的中子被吸收，那么功率就降低了，如果全部吸收那么就停堆了，这就是可以控制核反应堆启动、停止以及改变输出功率等等。

全世界已经有31个国家拥有核电站，总共有433座核反应堆，正在建设的还有65座，未来计划的还有158座，这个数量是不是非常惊人？

能造核反应堆为什么不能造原子弹？

虽然原子弹和核反应堆用的都是中子引发链式反应，但原子弹和核反应堆完全是两条路子，原子弹为了提高爆炸威力使用了快中子裂变体系，其需要高浓度的裂变材料作为装药。

而核反应堆则是为了彻底使用核燃料，因此使用的是慢中子，所以在核反应堆中会有所谓的减速剂，其实这就是用来减速中子的，比如早期的石墨堆，减速中子的就是石墨（切尔诺贝利核事故的反应堆就是石墨堆），还有重水堆，用的是重水作为减速剂，还有则是轻水堆，直接使用处理过的水作为减速剂。

减速后的中子效率更高，因此可以用比较低浓度的核燃料，比如轻水堆可以低至20%浓度，而重水堆甚至可以直接烧铀矿石。所以能造核反应堆并不表示就能造出原子弹，不过有几种情况倒是可能制造原子弹的核材料，下文会做个简单讲解。

核武器的难点究竟在哪里？造原子弹的国家那么多，为何氢弹就那么几个？

上文的快中子裂变体系要用高浓度铀-235，也就是所谓的武器级，至少也需要90%以上，但自然界提取的铀中只含有0.72%左右的铀-235，其他的都是同位素铀-238，所以遭遇的第一个难题就是浓缩。

在曼哈顿计划中用了三种方法，电磁（“电磁型同位素分离器”）、气体（“气体扩散法”）与热（“索瑞特效应”），不过现在用的都是离心法，它是利用235和238之间原子核质量微小差别通过离心法分离，将铀处理称六氟化铀气体，然后离心机逐级提纯，最终得到武器级铀。

但这个一来成本太高，二来离心机这种设备制造难度也比较大，而且被国际原子能机构严密监控，哪国要是敢弄出武器级铀，必定会招致全方位的制裁。

另一个问题则是快中子裂变体系，因为铀装药是具有临界质量的，因此存放时不能达到临界质量，但起爆时需要，因此原子弹分成了枪机式和内爆式，从理论上来看，内爆式威力显然更大，因为枪机式的两块铀装药质量是有限制的。

因此原子弹引爆需要在起爆后核装药闭合瞬间发出快中子，然后引爆，此时还需要外部中子反射材料将逃出去的中子再挡回来，这些结构配合天衣无缝才可以引爆一枚原子弹，否则要么就是裂变材料浪费，变成一颗脏弹，要么啥都不会发生，所以需要大量的测试才可以。

但现在天上有卫星盯着、地上有地震检测仪盯着，哪位还想核试验一下？是不是不想混了啊？

不过更准确地说，原子弹的门槛还真不高，只要豁得出去基本就能造出来，各位看XX、XX都是不要命了造原子弹，但各位却不必担心，由于原子弹由于其引爆结构与核材料成本实在太高，所以当量很少会超过50万吨，大家也不是特别害怕，毕竟再有钱也无法毁灭世界。

但氢弹就不一样了，由T-U构型的氢弹延伸出来的三相弹乃至N相弹其威力无限，那么问题来了，原子弹可以引爆氢弹，怎么氢弹能造出来的国家还更少了呢？

原因也很简单，因为无论是于敏构型还是T-U构型，其最大的难点就是如何压缩核聚变材料，并且各位熟悉的氢弹原理“原子弹高温高压引爆氢弹”只对了一半，因为这个高温高压来之复杂，堪称世间难题。

氢弹中的核装药并不是氘和氚，氘很便宜，但氚却极贵，而且两种都是气体，要装到氢弹里还得低温液化，得一些列外围结构，所以美国第一个“氢弹装置”重达60多吨。

现代小型化的氢弹用的都是氘化锂-6，因为氘化锂在高温下就能分解出氘，而锂-6在中子照射下会变成氚，那么引爆过程中就有几个问题需要解决了：

首先得产生氘和氚，而这两个是由不同过程引发的，原子弹爆炸时会有大量的中子通量，会以极高的速度穿透大部分材料直接到达氘化锂-6，产生氚。

而原子弹的高温传递则需要更多的时间，当那个玩意儿抵达时黄花菜都凉了，时间太慢，那么必须要一种更快的加热方式，科学家想到了光速抵达的X和伽马射线，因此在原子弹和聚变装药外围包裹了一层X射线和伽马射线的反射材料，将其能量聚焦到氘化锂-6上。

其压缩致热效应分解氘，中子产生氚，两者时间差不多，然后原子弹爆炸过程中的持续照射会继续压缩氘和氚，然后......就开始聚变啦，

所以在这个结构中，各种时机的配合以及高效反射材料，以及聚变装药的位置形状等等，都同样需要无数次实验，当然也可以用超级计算机模拟，不过问题是第一次模拟的数据也得从多次实际实验中取得后建模，否则就是纸上谈兵，这个数据向谁要？谁又会给？

而且这N相串联的氢弹威力实在太大，而且氘化锂-6成本还低，造个氢弹比原子弹还便宜，这要是扩散了可就罪过了，所以氢弹的构型那是绝密中的绝密。

延伸阅读：为什么要管制重水反应堆？

各位应该听说过伊朗的阿拉克重水反应堆，国际原子能机构那是盯着不放，但布什尔核反应堆却没人管，这是什么原因？

很简单，因为布什尔核反应堆是轻水反应堆，而阿拉克则是重水反应堆，因为重水反应堆可以制造钚，其过程如下：

那么问题来了，轻水反应堆中不是也有中子么，为什么不能生产钚？原因则是水减速中子效果不好，因此只能浓度比较高的铀-235才能使用，而重水减速效率很高，可以使用低浓缩浓度的铀-235，甚至铀矿石。

但同时铀-238吸收中子变成铀-239，继而变成钚-239，各位应该是发现了一个问题，也就是说重水堆运行一段时间后，里面的废物铀-238就变成了原子弹重要核材料的钚-239，它的临界质量只有10千克，而铀-235则为52公斤，造原子弹的门槛瞬间被拉低5倍。

所以国际原子能机构就盯着重水堆看，毕竟这多运行一天就多找出很多钚-239，要是哪天有人发疯了到处轰钚原子弹也是非常可怕的（长崎的胖子原子弹用的是钚-239）。（完）