核裂变与原子弹

老愚

放射性元素铀在自然界有三种同位素，铀234、铀235和铀238。其中铀235是自然界唯一天然存在的核裂变材料，在天然存在的铀矿里，她只有0.72%，多数是并没有什么大用的铀238。

1938年，德国人哈恩在研究中发现，铀235受到中子轰击时，原子核极易发生裂变，裂变为钡和氪两种元素，并有两三个具有较高能量的中子释放出来，期间有质量损失，所以放出大量能量。这个能量有多少呢？一克铀235核裂变的能量大概相当于20吨TNT炸药。释放出来的中子可以继续攻击铀235原子核，这样就引发了核裂变的链式反应，核爆炸就发生了。

不过事情又不是这么简单。

一是铀235在铀中含量过低，不提纯直接用中子轰击，没有什么用，很难被轰击到，即使侥幸轰到了，裂变出的中子也极难再轰击到别的铀235原子。因为系统里超过99%的是铀238，这家伙不光被中子轰击到不裂变，还吸纳铀235裂变出的中子。

二是即使都是铀235，因为原子核在原子中占比极小，类似太阳在太阳系中的存在一样，被轰击的铀235裂变出的中子也极难再次轰击到隔壁邻居的原子核，极大可能是掠过邻居原子核飞跃而去。但是，如果铀235足够多，体积足够大，四处飞跃的高能中子就很容易瞎猫撞到死耗子一样轰击到哪个运气不好的铀235，事情就这样延续，核裂变的链式反应就发生了。

那么，这个可以维持最低链式反应的铀235的量究竟是多少呢？这个量叫临界量。如果是94%纯度的铀235，需要52公斤。

这就牵扯到铀235的提纯，目前国际上通用的铀浓缩方法有离心法、气体扩散法和激光法，而气体离心分离机则是提炼浓缩铀通常采用的气体离心法的关键设备。它是一个庞大的系统，通过每秒2万转以上的高速离心机，其他同位素可从天然铀矿石中分离出去，剩余的铀235的浓度可达到95％以上。这就是国际原子能机构检查某些国家高速离心机运转情况的主要原因。

为了让核裂变可控，裂变中产生的中子尽可能撞击到铀235的原子核，还要用到中子减速剂，“重水”，使用重水来减慢中子的速度，让它们有更多机会与铀反应。二战时盟军把德国在挪威的重水厂炸掉，也间接延缓了德国制造原子弹的速度。

这就是原子弹的基本原理，就是要有足够纯、质量足够多的铀235，这种原子弹其实是核裂变弹。至于氢弹，是核聚变弹，通过在氢弹里面引爆一个小的核裂变弹产生的超高温，诱发核聚变，释放巨大能量。这个另文细说。