原子弹的原理是怎么来的(手把手教大家了解原子弹的工艺)(1)

在富坚义博的漫画《全职猎人》中,会长用一颗蔷薇弹结果了奇美拉蚁王。现实中的蔷薇弹,自然就是指核武了,接下来我们就说说最简单的核武——原子弹的制法了。

1、原理篇

原子弹的原理在于其链式反应!重核原子裂变后释放2-4个中子,这些中子撞击其他的重核原子使之也发生裂变,就这样,中子越来越多 ,裂变的重核也越来越多,释放的能量也就越来越多。

中子的穿透能力很强,很多中子一经产生便逸散了出去,无法达成链式反应的条件,也就无法发生核爆。说到底,要制备一枚原子弹,我们所需的无非两样——足够的中子源和足够的重核原子。

最常见的核原料当然要数<铀235>了,相比于其同位素<铀238>而言,它的放射性更强。

铀235的典型裂变方程式如下:

235U n→236U→135Xe 95Sr 2n或235U n→236U→144Ba 89Kr 3n。

这个方程式学过高中化学的人都能懂,无非是铀235与中子反应裂解成另外两种原子和2-3个中子。知道了裂变方程,也就明晰了原理。接下来要解决的问题就是最初的中子从何而来!

我们知道,元素的放射性来自于它们原子核的自发衰变。常见的衰变有α、β、γ衰变,α衰变释放α射线(He原子核流),β衰变释放β射线(高速电子流),γ衰变释放γ射线(一种超高频电磁波)。这三种常见的自发衰变似乎都没有释放中子,那么我们该怎样得到中子呢?

东西还得从放射性元素中找!

先说第一种——锎。锎是一种自发性裂变中子源,但是它在地壳中的含量太少,提取太贵,1克锎便价值1亿美元,如果用它来做一枚小小的原子弹,那实在是太亏了,所以一般是不可取的。

再说第二种——(α,n)。所谓(α,n),就是用α粒子(He原子核)撞击靶核产生n(中子)。α粒子来自于重核原子的α衰变(这个过程是自发的,收集足够的重核原子便能得到足够的α粒子),常见的靶核就属元素Be(铍)了,当两者处于一个相对密闭的环境中时,便能产生大量的n(中子)。

最后第三种——(γ,n)。它常以铍或氘作为靶核。γ发射体则常用Sb(锑)。Sb发射的γ射线与靶核作用也会产生中子。

(注意:其他的中子产生途径比如加速器中子源和散裂中子源一般不能用来制作核武。)

2、制备篇

地壳中铀的平均含量约为百万分之2.5,即平均每吨地壳物质中约含2.5克铀,这比钨、汞、金、银等元素的含量还高。

这些铀当中,绝大部分都是铀238。铀238一般与其他金属混合成合金,用于制备贫铀弹(反正就是一种很脏的弹)。相较而言,铀235就高端大气上档次一些了,它是最主要的一种原子弹装料。

先前说了,有了足够的中子源和足够的重核原子,就能制造一枚原子弹。接下来我们先说说重核物质U235的提纯方法吧。

<2.1> 铀的提纯

尽管铀在地壳中分布广泛,但是它大多分布在沥青铀矿和钾钒铀矿两种常见的矿床中。因此,它的提纯成本要远高于金银等贵重金属,所以它也很贵。

它前面的分离步骤与高考化学中的工艺流程题差不多,一般是这三步:铀矿石的粉碎、铀矿石的浸取、矿浆的固液分离。

(1)铀矿石的粉碎:粉碎至一定粒度即可。

(2)铀矿石的浸取:用硫酸浸取磨细的铀矿石矿粉,可以得到可溶的铀酰离子UO22 和硫酸铀酰离子UO2(SO4)x-2x 2,这个过程中往往还会加入一些氧化剂(高锰酸钾、高氯酸都可以),使铀从 4价氧化成 6价,从而提高浸出率。

(3)矿浆的固液分离:采用过滤、沉降等常用方法就行。

后面的提纯步骤就相对复杂一些,也是分为三步:提纯浓缩、黄饼制作、同位素分离。

(1)提纯浓缩:一般先采用离子交换法进行吸附,然后用萃取法或沉淀法进行分离。

得到含铀的溶液后,我们便可以采用离子交换法进行进一步的提纯。比如强碱性离子交换树脂,它在水中离解出OH-,从而自身带正电,于是可以吸附阴离子,硫酸铀酰离子UO2(SO4)x-2x 2就这样被吸附在树脂中。

树脂中被吸附的含铀溶液可以用稀硫酸等淋洗剂淋洗下来。但这种工业铀浓缩物,仍含有硫酸根等杂质,须进一步精制,才能得到核纯产品。

最常见的精制方法就是TBP萃取工艺。TBP即磷酸三丁酯,对铀饱和容量大,一般达到饱和状态后,它会对杂质元素具有较高的净化能力。换句简单的话来说,就是水和硫酸根等物质难溶于它,而含铀元素的物质易溶于它,于是铀化合物便被萃取了出来。

(除了萃取以外,当然也可以通过沉淀的方法得到铀酸盐晶体!)

(2)黄饼制作:黄饼即是以重铀酸盐或铀酸盐形式存在的铀浓缩物的俗称。

通过萃取法或沉淀法得到的铀酸盐纯度已经相对较高,只要经过简单的蒸发结晶便可以得到“黄饼”。《红海行动》中就提到过黄饼这个东西,一般的核原料都是以这种化合物晶体的形式存储。

(3)同位素分离:黄饼中的铀,既有铀235,又有铀238,做原子弹需要铀235,所以需要进行同位素分离。

黄饼的主要成分是(NH)4U207(重铀酸铵),它加氢可还原成UO2(二氧化铀),UO2与HF(氟化氢)在500℃下反应可生成UF4(四氟化铀),而UF4与F2(氟气)反应可生成UF6(六氟化铀)。

UF6是一种稳定气体氟化物,由此可以通过气体扩散法来分离铀235和铀238。

在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下,气体混合物中质量不同的气体分子的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。

铀235的氟化气体比铀238的氟化气体要轻,运动的速率也更快。采用联级多孔镍膜可以透过六氟化铀气体。由于235UF6的运动速率快,经过多次膜分离后,所得到的气体就只有235UF6了。再将235U还原出来(先用氢气将其还原成四氟化铀,然后再用钙或镁还原成金属铀),便能得到高纯度的铀235,达到同位素分离的效果。

(事实上,在有其他中子源的情况下,铀238也能发生核爆,它也常用于核电站的反应堆当中。提取铀235的原因在于,高纯度的铀235达到临界质量后,其自发产生的中子便足以引发核爆,目前常用的枪式和内爆式原子弹都是让两个或多个铀块相互撞击,从而超出临界质量而引爆。)

<2.2> 中子反射层的制备

前面说到中子的穿透能力很强,常常会逸散走,可有了中子反射层之后,中子便被留在这相对狭窄的空间中,于是达成核爆条件的临界质量便会变得更小。

一般而言,高纯度的铀235,在有中子反射层封闭的情况下,可能只需要达到十几千克的质量便会引发核爆。因为铀235和锎一样,它也能自发核裂变产生中子,只不过它自发裂变的量要相对较小而已。十几千克这个数值便是一种临界质量值,因为它产生的中子数量足够引发链式反应。

(临界质量定义:在某一条件下,刚刚能产生足够引发链式反应的中子数时的重核物质质量。)

中子反射层通常由铍、石墨和铀238等材料制成。

<2.3>原子弹的具体结构

知道了核爆的原理后,结构就很好想象了。比如说内爆式,最里层是被各个中子反射层所包被的铀块,中层是普通炸药,这些炸药具有方向性,在爆炸时便把铀块们挤在在一起,使其超过临界质量而引爆。中层以外通常又是一个完整的中子反射层,最外面就是一些防水防震的外壳和点火装置之类的。

3、简单总结

由于时间仓促,我虽然把能想到的步骤都简单说明了一遍,但难免有些疏漏。大家制备的时候也可能会遇到各种困难,比如说硫酸的制备、氟气的获取、火药的制作等等,但这些都是一些细枝末节了。硫酸可以通过硫磺、水、氧气等制备,火药需要的硝酸盐等等也可以在化粪池旁边收集。一切的困难重重其实都可以自行找办法去克服,所以我就只提供一个方向和框架了,有志于此的朋友请勿见怪!

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