今天以时间为主线,先来梳理一下原子弹的诞生过程是什么样的?
1905年爱因斯坦发表了著名的狭义相对论,里面提出了两个重要观点:
一个是任何惯性参考系中,光速总是不变的,也就是说在地面上光速是c,在高速巡航的飞机上测量光速还是c。
另一个就是爱因斯坦提出了一个著名的方程:质能方程,在质能方程“=”的左右两边分别是能量E和质量m,将物体两个不同的物理量之间确立了数量关系。
质能方程
但是这还不足以制造出原子弹,质量并不等于能量,也没法直接转化为能量,怎么能让质量无缘无故的消失,“转变”为能量,这是个问题。
转眼30多年过去了,直到1938年,德国放射物理学家哈恩和同事迈特纳在做核物理实验时,无意中发现了铀原子在中子的射击下竟然分裂开来,变成了更小的原子,同是还释放出巨大能量,这时有核物理学家意识到释放出的能量就是质能方程等式左边的能量,来自于核裂变过程中的质量亏损。
从此以后才有了各国发展核武器的计划,最终,美国于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸,并按计划制造出两颗实用的原子弹,随着一些资料的解密,尤其是计算机的发展,原子弹的部分资料也被解密。
在当下,核武器经过几次更新换代以后,当量变得更大,威慑力排行榜仍居首位,那么随着资料的解密,在家庭作坊级的工厂中能否制造出核武器了?
1、铀矿石获取不易
易裂变材料如铀235、钚239是制造原子弹的常用材料,钚239在自然界中几乎不存在,仅仅在铀矿石中极少量的含有,钚239的获取主要依靠增殖堆生产,我国的生产堆只有有限的几个,日常有军队进行核安保,从那里带出来铀239绝对不比抢银行难度低。日本一直以来从本国乏燃料中不断提取钚,截止到2014年福岛事故调查时,日本已经提取了45吨钚,这些钚理论上可以制造5500枚核弹头。福岛核电站3号堆就是采用铀钚混合氧化物,这种燃料较普通核燃料更容易提取钚。
铀矿石的分布如下图,在很多省份都有铀矿,铀矿石的开采目前由中核集团下属企业取得行政许可后开采,个人偷偷搬一块、拉一车是是根本不够用的,铀矿石的开采需要依托一国的自然资源和基础工业。
我国有矿资源分布
2、铀浓缩不易
经过探矿、选矿、开采、分拣、萃取、沉淀等多个程序后,就提取到了下图的这种物质,这是铀的氧化物,即电影《红海行动》中所提到的黄饼,这种物质,铀含量一般为40%~70%,其中,铀中99.27%是铀238,其余0.73%才是铀235,也就说黄饼中的铀235还是少的可怜。
从黄饼到制造原子弹的核材料还需要进一步分离、浓缩,这才是考验一国工业水平的环节,铀235与铀238化学性质完全相同,物理方面在重量上相差了3个中子的质量,不管是离心分离、还是气体扩散分离,其原理就是基于这3个中子重量的差别进行分离的,为了生产出足够数量的铀235,需要上万台离心机同时工作,这根本不是家庭作坊规模可以做到的,而是实力雄厚的大型企业才能完成。
利比亚交给美国的离心机部件
3、原子弹的快速装配技术也是难点
原子弹可不同于电影中那样把一块球形核燃料随便向一个装置里一组合就完成,不同于普通的炸药,原子弹其实是一个爆炸装置。核材料的获取体现了一个国家工业的整体水平,而原子弹的装配技术其实更考验的是一国的科研实力。
原子弹威力巨大,一旦链式反应开始,来不及反应,会瞬间爆炸,因此要求原子弹处于安全状态,这时必须将原子弹中的核材料控制在次临界状态。
原子弹中次临界向超临界的转化是通过体积来控制的,简单说来就是将核燃料分成两块或者多块分布,引爆时依靠雷管引燃高爆炸药,由高爆炸药再将各块核燃料推到一起。
推到一起这个过程就是个难点,首先保证核材料不能被高爆炸药炸飞,爆炸力需要具有向心作用,在极短的时间内需将核材料压在中心,达到超临界状态,等待“点火”,同时原子弹中心的铍丸释放出中子,射向超临界的核材料,开始链式裂变反应。
有以下几个要求:
(1)速度快,万分之一秒内完成,因此选用特殊高爆炸药
(2)精度高,聚在中心的误差在百万分子一秒内,否则无法达到超临界状态。
(3)聚焦性好,要将大部分的核燃料推向中心,而不能是少量或者部分推向中心,否则影响爆炸效果。
基于以上几个方面,制造原子弹其实是一国自然资源、工业实力、科研水平的综合体现,家庭式的作坊中根本无法制造。
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