核弹工作原理

你或许从历史书中知道第二次世界大战中使用了原子弹。你也可能在科幻电影中看到过核弹发射或者被引爆（例如《核子战争》（Fail Safe）、《奇爱博士》（Dr. Strangelove）、《浩劫之后》（The Day After）、《证言》（Testament）、《“胖子”与“小男孩”》（Fat Man and Little Boy）、《和平制造者》（The Peacemaker）等等）。在新闻报道中，许多国家都在谈判以裁撤自己的核武库，而与此同时，另一些国家/地区则正在发展核武器研究计划。

美国国家档案与文件署供图 原子大炮试射，1953年

我们已经见识过这些装置所拥有的令人难以置信的破坏力，那么它们的原理是怎样的呢？在这篇文章中，你将了解使核弹威力如此巨大的物理学原理以及核弹的设计、核爆炸的后果等方面的知识。

核弹利用了强和弱的相互作用力，正是这些力将原子（特别是原子核不稳定的原子）的原子核束缚在一起（有关详细信息，请参见核辐射揭秘）。核能从原子中释放出来的基本方式有两种：

• 核裂变——你可以使用中子将一个原子的原子核分裂成两个小一点的碎片。这种方法通常涉及铀（铀-235、铀-233）或者钚-239的同位素。
• 核聚变——你可以将两个较小的原子，通常是氢或者氢的同位素（氘、氚），结合在一起形成更大的原子（氦或氦的同位素）。这正是太阳能量的来源。

不论裂变还是聚变，任一种过程中都有大量的热能和辐射被释放出来。

要制造一颗原子弹，你需要：

• 可裂变或可聚变的燃料
• 触发装置
• 使大部分燃料在爆炸前发生裂变或聚变（否则炸弹的爆炸将会失败）的途径

第一批核弹都是裂变装置，而之后出现的聚变炸弹需要用裂变炸弹来触发。我们下面将要讨论的装置有：

• 裂变弹（大体介绍）。
• 枪触发式裂变弹（“小男孩”），它于1945年在日本广岛上空被引爆。
• 内爆触发式裂变弹（“胖子”），它于1945年在日本长崎上空被引爆。
• 聚变弹（大体介绍）。
• 泰勒-乌拉姆型氢聚变弹，它于1952年在埃留吉拉布岛（Elugelap Island）上试爆。

裂变弹使用像铀-235这样的元素来制造核爆炸。如果你阅读过核辐射揭秘，那么你已经了解了放射性衰变和裂变背后的基本过程。铀-235有一种额外的特性，这种特性使它既可以用于核能发电也可以用于制造核弹——铀-235是少数能够发生诱发裂变的材料之一。如果一个自由中子撞击铀-235的原子核，它的原子核将会立即吸收这个中子而变得不稳定，并马上分解。

这幅图展示了一个中子从上部接近铀-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它马上分解为两个轻一些的原子，同时释放出两个或三个新的中子（发射出的中子的个数取决于铀-235原子分解的方式）。两个新的原子释放出伽马射线并稳定到新的状态（请查看核辐射揭秘）。有三件事情让诱发裂变过程变得有趣：

• 铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常之高。在正常爆炸的核弹中，每个裂变事件释放出的中子中都有一个以上导致了另一次裂变的发生。这种条件被称为超临界。
• 捕捉中子并发生分解的过程非常迅速，数量级为皮秒（即1*10E-12秒）。
• 当原子分解时，有令人难以置信的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。单个裂变反应能够释放出能量是因为裂变产物和中子加在一起的质量比原来的铀-235原子的质量要小。
• 质量的差异转化为能量的比率是由方程e = m * c²决定的。0.45公斤用在核弹中的高浓铀所产生的能量在量级上等于约379万升的汽油所产生的能量。如果考虑到一斤铀的尺寸比一个棒球还小，而379万升的汽油却能够装满边长为15米（约五层楼高）的立方体，你就能对那么一小点铀-235所蕴含的能量有个概念了。

为使铀-235的这些特性得到发挥，铀样品必须得到浓缩。武器级的铀至少含有90%的铀-235。

临界质量
在裂变弹中，燃料必须被分开保存为多个不会发生裂变的亚临界质量，以避免过早引爆。临界质量是可裂变物质维持核裂变反应所需的最小质量。这样分开保存给裂变弹设计带来了几个必须解决的问题：

• 两块或多块亚临界质量的材料必须结合在一起才能形成一块超临界质量，这样才能提供足够多的中子以在引爆时维持裂变反应。
• 自由中子必须被引入超临界质量中才能引发裂变。
• 炸弹爆炸前必须有尽可能多的材料发生裂变以避免核爆失败。

将亚临界质量组合在一起形成超临界质量，可以使用两种技术：

• 枪触发
• 内爆触发

中子通过中子发生器引入。这个发生器是位于可裂变燃料核内部的用箔片隔开的一小团钋和铍。在这个发生器中：

1. 当亚临界质量的燃料块结合时箔片被弄破，钋自发地释放出阿尔法粒子。
2. 这些阿尔法粒子撞击铍-9生成铍-8和自由中子。
3. 这些中子将诱发裂变。

最终，裂变反应被限制在叫做反射层的一厚层材料中，它通常由铀-238组成。反射层被裂变核加热和膨胀。反射层的膨胀向裂变核施加压力并减慢核的膨胀。反射层还将中子反射回裂变核，提高裂变反应的效率。