原子彈的原理簡單易懂（原子彈原理很簡單）

2023-05-16 11:01:56 1

最近在網上發現一個很有意思的事情，從評論中看到很多朋友覺得原子彈是個很「小兒科」的東西，原理也很簡單，肯定很多國家都能造只是不造而已。那麼我想問一下：汽車的原理和構造也是公開的，那麼你怎麼不在家自己造車呢？可口可樂的配方也印在包裝上，那麼你怎麼不在家自己做可樂呢？理論上給我一個支點我可以撬動地球，那麼我怎麼不去撬地球呢？原理≠實際工程，從原理轉換成工程需要的不僅僅是用來計算的紙和筆，中間需要大量的資源和技術的支持，所以即便是初代的原子彈也不是誰都能想造就造的，要知道不是任何一個國家都有中美俄這麼雄厚的科研和工業實力的。

即便只是作為第一代核武器的原子彈也是一種極為敏感的武器，考慮到核武器的巨大威力，任何國家對於其他國家發展核武器都是高度緊張。以目前的現狀，只有美俄英法中這5個常任理事國屬於「合法」擁核國，而印度以色列巴基斯坦朝鮮為「非法」擁核國（進行過制裁），而其他沒有核武器的國家則被大國限制擁有任何種類的核武器。為什麼普通國家被限制核武呢？

目前世界上擁核的9個國家

1.核大國想要形成和壟斷，不願再打破現有的核平衡。核武器的威脅能力想必大家都有所了解，一旦某個國家擁有核武器那麼勢必會形成對其他國家構成「核訛詐」。所以對大國來說，從自身利益考慮他們不願意讓更多的國家擁有核武器，一方面是自己受到威脅，另一方面他們手中的核武器威懾能力將下降。

2.小國自制能力差，容易利用核武器造成不可逆轉的後果。雖然世界上99%的核武器掌握在五大常任理事國手中，但是這5個國家擁有極高的自制能力並更傾向於以政治和外交手段解決相互的糾紛，這就使得他們手中的核武器雖然有極大的威懾能力但世界暫時是安全的。但是小國不同，他們考慮問題並不像大國那樣具有高度的克制能力，特別是一些「獨裁」政府往往比較極端的考慮問題並發動戰爭，這樣並不能保證他們不使用核武器。而且這些小國也不能保證核武器絕對安全，比如為了利益通過一些特殊渠道輸送給一些恐怖分子。

伊拉克「塔穆茲1號」核反應堆 1981年被以色列空軍摧毀

所以就目前國際政治環境而言，除了世界上已成既定事實的5個「合法」擁核國和4個「非法」擁核國之外，其他國家想要擁有核武器是不太可能。如果一旦被發現有研製核武器的跡象那麼必然會遭到大國的各種各樣的制裁和阻撓，這次伊朗就是一個很好的例子。可能有朋友說偷偷研製核武器，但是以當今的情報和偵查技術是不可能100%隱藏，總能找到蛛絲馬跡。比如下圖為美國WC-135W核偵察機，他的作用就是通過收集大氣中的放射性粒子來判斷該地區是否有核活動，甚至可以根據放射性粒子種類判斷是原子彈還是氫彈。比如2004年，WC-135W在東北亞地區上空監測到了空氣中存在「氪85」，所以判定朝鮮當時使用廢燃料棒提純鈽。

WC-135W核偵察機

另外，其實從貿易和發電量上也能判斷出該國的核活動是否異常，因為核燃料提純所使用的最基本的「鈾礦石」是受到國際管制的。也就是說除非是鈾儲量極為豐富的國家，否則都避免不了從國外進口鈾礦石，這種異常的鈾礦石交易波動也難逃貿易和軍事情報網絡。還有空中的偵察機和偵察衛星全時段的對地表進行不間斷的掃描偵查，考慮到提純核燃料需要大量的巨大的陸上核設施也難逃他們的「法眼」。總之，想要偷偷進行核武器研究並製造在當今世界幾乎是不可能的事情，所以幾乎所有的國家都選擇還不要「惹禍上身」，核研究也基本停留在和平利用核能的層次上，有核武器需求的國家也基本是依託美俄的「核保護傘」。

1966年年末美國的KH-7「鎖眼」偵查衛星對我國大西北進行的空中拍照偵查。

即便製造出核武器那麼也需要合適的場地去驗證核技術，很多朋友提到現在的計算機模擬核試驗，但是計算機模擬的前提是有實爆數據作為模擬基礎。而實爆數據又是一個國家的最頂級機密性資料，是不可能主動透露給其他國家。所以研製核武器必須要經過實爆這個環節，然而只要進行實爆就不可避免的被地震波、放射性粒子的出現，也不可能做到百分之百保密。

90年代幾次實驗監測到的地震波， 一般天然地震P波振幅<S波振幅<面波振幅，但人造地震的P波振幅＞S

很多朋友覺得原子彈是第一代核武器所以就是「很簡單」的玩意，然而僅從最基本的原理上看原子彈本身確實不難，難就難在如果把原理變成實際工程。

其實原子彈的原理高中物理選修應該就有涉及：核裂變

核裂變是指由重原子（原子序數較大的）核分裂成兩個或多個質量較小的原子（原子序數較小的）的一種核反應或放射性衰變形式。當核燃料達到臨界質量時發生自發性的鏈式反應。

基本原理就是這樣，但是僅靠這兩句話就能變出實實在在的原子彈嗎？顯然不是，如何將基本原理發展到實用理論，再將實用理論轉換成工程圖紙，再將工程圖紙轉換為原子彈實物。

雖然目前世界上大部分國家的高校都開設核物理學專業，但都是僅僅停留在純理論化，將核物理真正用於實驗化甚至是實用化的國家最多佔20%，能培養出全套核工程人才的國家更是鳳毛麟角。可能有朋友認為搞原子彈、核電站不就是培養物理學人才嗎？其實並不是，工程化除了基本的核物理學專家之外還涉及數學、電子、機械、化學、地質等等領域，比如核武器起爆涉及控制、鈾礦石涉及地質、原子彈結構製造涉及機械加工等等，而世界上絕大部分國家不具備這種人才積累和教育水平。美國上世紀40年代的「曼哈頓」工程，當時按照奧本海默的預計整個工程需要6名科學家到100名文職人員，但最後規模竟然達到僅科學家就超過1500人，其中包括愛因斯坦、費米、波爾、費曼、馮諾依曼、吳健雄、奧本海默、拉比、勞倫斯、尤裡,西伯格等等，所以曼哈頓計劃中洛斯阿拉莫斯實驗室也被稱為「諾貝爾獎集中營」。

參與曼哈頓計劃的部分科學家合照 站在最中間戴帽子的就是奧本海默

其實世界上現有的9個擁核國家當中大部分都依賴過外部技術幫助，包括巴基斯坦的核計劃是在法國的幫助下開頭，而印度的核計劃則是由英國幫助其建立核反應堆，這兩個國家的核技術和核材料都有歐洲國家的影子。而朝鮮的核武器以及彈道飛彈技術普遍認為是來自蘇聯。其實中國的核計劃中，核心科學家很多也都是有留外的經歷並跟隨「大師」級科學家進行過技術研究，他們在參與中國的核計劃之前都有過相當的技術成就。「兩彈元勳」中的鄧稼先畢業於美國普渡大學，物理學博士；程開甲畢業於英國愛丁堡大學，哲學博士，師從波恩；錢三強畢業於巴黎大學鐳學研究所，物理學博士，師從伊雷娜·約裡奧-居裡；王淦昌畢業於德國柏林大學，哲學博士，師從邁特納……不難看出，任何核工程所涉及的理論研究和人才水平都絕非一般國家所能承受，更何況這其中涉及到的經濟和其他的工業能力上的困難

回到原子彈製造上，上面所提到的一些都是比較寬泛的例子，我們舉一個比較實際的問題：核裝藥提純。原子彈目前大致包括以鈾-235為裝藥的「鈾彈」（小男孩）和以鈽-239為裝藥的「鈽彈」（胖子），無論什麼裝藥其豐都要求都在93%以上，而自然界中天然鈾礦石的鈾235豐都僅在0.72%左右。所以關鍵就在於如何如何將0.72%提升到93%以上，這與核電站用3%-20%左右的豐都的核燃料有巨大的差別。

粒磷鉛鈾礦

碲鈾礦

矽鉛鈾礦

但是我們要注意一個問題：所謂提純不是將鈾礦石直接扔到離心機裡面去轉就行，在提純前需要對鈾礦石進行篩選和破碎，破碎後的鈾礦石需要進行以下的步驟

鈾礦→重鈾酸銨→純淨鈾氧化物→硝酸鈾→三氧化鈾→二氧化鈾→四氟化鈾→六氟化鈾

平時我們所說的「黃餅」其實就是指上述過程中的純淨鈾氧化物。上述所有步驟中所有的鈾的化合物中鈾-235和鈾-238及其他雜質是並存的，也就是說上面那個硝酸鈾中既有「硝酸鈾-235」也有「硝酸鈾-238」；四氟化鈾中既有「四氟化鈾-235」也有「四氟化鈾-238」……我們所謂的提純就是把鈾化合物中的含鈾-235的化合物部分從其他雜質中分離出來。

「黃餅」八氧化三鈾，鈾氧化物的含量達到80%以上，是製備濃縮鈾的一種中間產物

為什麼要一步步把鈾礦變成六氟化鈾呢？因為鈾235的提純需要在氣態下進行，而六氟化鈾在常溫下為固態，只需要加熱到54.7度就可以直接升華為氣態。這樣運輸時可以轉換成固態，提純時加熱到54.7度就可以轉換為氣態，同時兼顧了方便運輸和方便提純的特點。

六氟化鈾

然而成功製備六氟化鈾僅僅是提純過程中開始階段，接下來就是要把六氟化鈾-235含量僅為0.7%濃縮的90%。以目前國際上比較成熟的提純方式，氣體離心法和氣體擴散法是主流提純手段。

氣體擴散法

所謂氣體擴散法應用了一個比較簡單的物理原理：

同溫度下質量越大的氣體分子跑的越慢

因為由於鈾-238原子比鈾-235原子多3個中子的質量，所以質量較小的六氟化鈾-235可以更快的通過擴散膜，這樣就可以將更多地收集含鈾-235的六氟化鈾，就等於把鈾-235的豐都提高。得到足夠豐都的六氟化鈾-235後進行脫氟處理，這樣就得到高豐都的鈾-235了。70年代前，氣體擴散法是世界上主流的核燃料提純辦法。

但是氣體擴散法效率相對較低，將豐都由0.7%提升至5%左右就需要大概1200次左右的擴散，可以想像如果要提純到90%那麼需要的時間是非常漫長的。而且氣體擴散法消耗的電力非常可觀，通常來說氣體擴散法的電力需求量是氣體離心法的將近10倍，甚至需要在核擴散工廠附近建立專門的核電站。美國在冷戰期間消耗在核燃料提純上的電力就佔到美國總發電量的7%，毫不客氣的說一座核擴散工廠的耗電量不亞於一座中等城市的電力需求。有些國家搞核武器，國內的發電量根本不支持，所以經常出現停電或者限電的情況，比如我們的鄰居朝鮮。

橡樹嶺氣體擴散工廠 整個橡樹嶺國家實驗室總佔地達到40平方公裡

氣體離心法

氣體離心法是大家比較熟悉的一種提純方法，就是用和洗衣機一樣不斷地「甩」（對朝鮮核制裁時連洗衣機都作為禁運品）。由於鈾-238原子比鈾-235原子多3個中子的質量，所以在「甩」的過程中將質量較大的六氟化鈾-238「甩」到相對較遠的位置，而質量相對較小的六氟化鈾-235留在靠近中心的位置，二者富集區不同，這樣就可以分離出含「鈾-235」的六氟化鈾。之後再進行脫氟處理，就到高豐都的鈾-235了。氣體離心法對電能的消耗沒有氣體擴散法那麼大，整體效率也相對較高，是目前世界上應用最為廣泛的一種核燃料提純方式。

但是離心機技術直接決定了提純豐都，如果僅僅是提純到3%-5％的核電站用核燃料那麼大多數有核技術的國家都可以做到。但是如果想要提純93%以上的武器級核燃料，那麼就是鳳毛麟角了，當離心機技術上升不到一定高度時，那麼無論怎麼「甩」都不會將鈾-238甩乾淨。在整個提純過程中並不是簡單用一臺離心機就可以完成全過程，他們是需要多級串聯逐級分離，如果單機功率不夠那麼即便串聯後也無法分理出足夠豐都的鈾-235。以目前來看，想要提純出分離出1枚鈾彈所需要的35-40公斤濃縮鈾，那麼需要上萬臺高性能離心機24小時連軸轉一個月才可能夠數。下圖就是大型氣體離心工廠，這些圓柱狀物體就是氣體離心機

離心機的技術瓶頸限制了大部分擁有核技術國家的高豐都核燃料提純，目前世界上擁有「武器級」離心機研發製造能力的國家只有個位數，這就能解釋為什麼世界上的擁核國家一共不超過10個。最近伊朗的核問題一直充斥著大小媒體的頭條，伊朗目前的離心機技術可能是趁蘇聯解體時的加盟共和國手中拿到的，自己之後也發展了幾個型號的離心機，但是推測也只能達到提純20%水平，距離核武器90%級別的相差非常巨大。

伊朗媒體曝光的國產IR4和IR6離心機

所以原子彈從表面上看原理很簡單，但是原理不代表實際工程，在實際製造原子彈的過程中遇到困難是非常多的，包括一些列的政治因素、經濟因素、技術因素等等，如果一意孤行一定要發展核武器那麼稍有不慎就會遭到全世界的制裁。不要看到「原子彈」三個字就覺得是小兒科，對五大常任理事國來說確實是不放在眼裡，但是要知道全世界200個國家不都是五常這麼雄厚的實力，有的國家一年的GDP連中國一個地級市都不到。

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