核弹是如何运作的?


1945年8月6日,第一枚为了杀人而投放的核弹在日本广岛上空爆炸。3天后,第二枚核弹在长崎上空爆炸。这两枚核弹造成的死亡和破坏是空前的,在生活着另一种生物的另外一个世界里,这两次爆炸或许会立即终结核威胁。,可惜这两次爆炸只为二战画上了句号,又拉开了美国和苏联之间冷战的序幕。1945年至80年代末,两国都在核武器研发上投入了巨量资金,核武器储备量急剧上升,不过主要是一种阻止冲突的手段。核弹那毁天灭地破坏力的恐惧阴影笼罩在所有人身上。学校会进行核弹空袭演习。政府建造了一大堆防核避难所。老百姓们也开始在自家后院里挖地堡。,70年代至80年代间,紧张气氛开始有了些许缓和。然后柏林墙在1989年倒了,两年之后苏联又解体了。冷战正式结束。随着两国之间的关系改善,限制核武器的承诺浮现了出来。后来签署了一系列的条约,最近一项是在2011年2月份生效的。和前辈们一样,新的《削减战略武器条约(START)》旨在进一步减少和限制核武器。除了其他各项措施之外,该条约还呼吁核弹头的总量不能超过1550枚。,可惜即便俄罗斯与美国之间的剑拔弩张暂时消除了,核战的威胁依旧存在。全球有9个国家可以使用弹道导弹发射核弹头。其中至少有三个国家——美、俄、中——的攻击范围可以覆盖全球的任一角落。如今核武器的威力也可以轻松超越当年在日本扔下的那两枚。2009年时,朝鲜成功试验了和广岛原子弹威力相同的核武器。地下爆炸的威力太过巨大,以至于引发了一场里氏4.5级的地震。,这么多年以来,虽然核战的政治局势改变了,但这种武器本身的科学——释放全部威力的原子过程——打爱因斯塔开始就没变过。这篇文章将会回顾一下核弹的原理,包括如何制造以及如何引爆。首先我们要来快速复习一下原子的结构和放射性。,一、原子结构及放射性,在说核弹之前,我们要先从小处说起,原子那么小的小处。一个原子是由三种亚原子组成的,分别是质子、中子和电子。原子的中心是原子核,由质子和中子构成。质子带正电,中子完全不带电,而电子带负电。质子和电子的比例永远是1比1,所以整个原子才会带中性电荷。举个例子,一个碳原子有6个质子和6个电子。,但事情没那么简单。一个原子的特性会根据其中各个粒子的数量而发生改变。如果你改变质子的数量,你就会得到一个完全不同的元素。如果你改变原子中中子的数量,你就会得到一个同位素。比如说碳有三个同位素:A.碳12(6质子+6中子);B.碳13(6质子+7中子),虽然稳定但稀有;C. 碳14(6质子+8中子),即稀有又不稳定。,正如碳元素一样,大多数的原子核都是稳定的,但有少数的原子核完全不稳定。这些原子核会不由自主的释放粒子,科学家将其称作辐射。当然,会散发辐射的原子核就是有放射性的,散发粒子的这一行为就叫放射性衰变。我们首先讲一下放射性衰变的三个种类:,1. α衰变:一个原子核发射出绑定在一起的2个质子和2个中子,也被称作α粒子。,2. β衰变:一个中子变成一个质子、一个电子以及一个反中微子(antineutrino)。被发射出的电子就是一个β粒子。,3. 自发裂变:一个原子核分裂成两部分。在这个过程中,它会发射中子,而这些中子会成为中子射线。原子核还能发出一股电磁能量——伽马射线。伽玛射线是核辐射中唯一一种源自于能量而非快速移动粒子的。,重点要记住裂变这部分。在后续我们讨论核弹内部原理时,它会不断出现。,二、核裂变,核弹涉及将一个原子的原子核聚集在一起的大小不一的力量,特别是有着不稳定原子核的那些原子。原子释放核能有两个基本方式。一是核裂变,科学家将一个原子的原子核分裂成两个较小的部分,其中各有一个中子。二是核聚变——太阳就是通过这种方式释放能量的——涉及到将两个较小的原子合成为一个较大的原子。无论是裂变还是聚变,都会释放出大量的热能和辐射。,核裂变的发现要归功于意大利物理学家恩利克·费米。20世纪30年代时,费米展示了受到中子轰击的元素可以转换为一种新元素。这项工作引导出慢中子的发现,以及那些没有出现在元素周期表上的新元素。很快在费米的发现之后,德国科学家Otto Hahn和 Fritz Strassman用中子轰击铀,制造出了一种钡的放射性同位素。他们总结说慢速中子造成了铀的原子核裂变成为两个较小的部分。,他们的成果点燃了全球实验室的热情。在普林斯顿大学,Niels Bohr和John Wheeler合作开发出了一款裂变过程的假设模型。他们推测,裂变的是铀的同位素铀-235,而不是铀-238。几乎是在同一时间,其他科学家发现了裂变过程会制造出更多的中子。这使得Bohr和Wheeler思考了一个重要的问题:裂变过程中产生的自由中子能否启动一个链式反应,继而释放出巨大的能量?如果可以,那或许可以制造出一个威力超乎想象的武器。,他们是对的。,三、核燃料,1940年3月,哥伦比亚大学中的一支科学家团队证实了Bohr和Wheeler提出的这项假设——发生核裂变的是同位素铀-235。这支哥大团队在1941年秋天时尝试用铀-235引发一个连锁反应,但是没能成功。后来所有工作移交到了芝加哥大学。在芝加哥大学足球场下方的一处壁球室里,费米终于实现了世界首个受控的核链式反应。使用铀-235作为燃料的核弹研发工作进展迅速。,由于铀-235在核弹设计中的重要性,我们先细聊一下这个元素。铀-235是能进行诱发裂变(induced fission)的少数材料。不用花费7亿年的时间等着铀自然衰变,只要有一枚中子进入到它的原子核中,这种元素就会衰变的更加迅速。原子核会毫不犹豫的吸收掉中子,变得不稳定起来,然后瞬间分裂开。,一旦原子核捕捉到了中子,它就会分裂成为两个较轻的原子,并释放出两到三个中子(发射出的中子数量取决于U-235是如何分裂的)。当这两个较轻的原子稳定于新状态时,会释放出伽马辐射。诱发裂变的过程中有几样东西让它变得很有意思:,1941年时,加州大学的科学家发现了另一个元素——94号元素——或许也能成为另一种核燃料。它们将这种元素命名为“钚”,之后在接下来的几年中,他们做出了足以进行试验的量。最终,他们证实了钚的裂变特性,并确定了核武器的第二种可能燃料。,四、裂变式核弹的设计,在裂变式核弹中,燃料必须被保存在亚临界质量下,从而不会引发裂变,防止过早引爆。临界质量是可裂变材料需要维持核裂变反应的最小质量。再想想那个弹球的比喻。如果那堆弹球间隔的太过分散——即亚临界质量——当“中子弹球”击打中心的时候只能引发一场较小的链式反应。而如果那堆弹球密集的放在一起——即临界质量——那发生大型链式反应的可能性就大了许多。,将燃料保存在亚临界质量下为设计制造出了几项挑战,只有一一化解,裂变式核弹才能正常运作。第一个挑战,是将亚临界质量集合在一起形成超临界质量,这在引爆时能提供超多的中子来维持裂变反应。对此核弹设计者想出了两种解决方案,我们在下一部分会细说。,第二个挑战,必须要在超临界质量中引入中子才能诱发裂变反应。而中子的引入则要制作一个中子发生器。这个发生器是一个钚和铍的小珠子,在可裂变的燃料核心处由一个箔隔开。在这个发生器中:,1. 当亚临界质量聚合时,这层箔就会破开,钚会自主的发射出阿尔法粒子。,2. 这些阿尔法粒子会撞击铍-9,制造出铍-8和自由中子。,3. 然后这些中子会引发裂变。,最后一个挑战,这个设计必须得让核弹爆炸前有尽量多的物质发生裂变。这就需要将裂变反应限制在一个名为“阻挡层(tamper)”的高密材料中,阻挡层通常是用铀-238制成。阻挡层会受到裂变核加热并膨胀。阻挡层的膨胀又会向裂变核施加压力,并且减缓核心的扩张。这层阻挡层还能将中子反射回裂变核心,提高核裂变的效率。,五、裂变式核弹的触发,将亚临界质量聚合起来的最简单的方式是造一把枪,将一个质量射进另外一个里。先围绕着中子发生器建造一个U-235球体,再取出其中一个U-235做成小型子弹。这枚子弹被放置在一个长管的一端,底部有爆炸物,而球体则处于长管的另一端。有一个气压传感器会判定出引爆的合适海拔高度,然后触发一系列连锁反应:,1. 爆炸物引爆,推动子弹至长管的另外一端。,2. 子弹轰击球体和发生器,触发裂变反应。,3. 开始裂变反应。,4. 炸弹爆炸。,落在广岛的小男孩就是这种核弹,它有着14.5千吨的当量,效率大约有1.5%。也就是说,在爆炸前,有1.5%的物质发生了裂变。,制造出一个超临界质量的第二种方式需要通过向内爆炸将亚临界质量压缩进一个球体中。日本长崎的核弹“胖子”就是一枚所谓的内爆触发核弹。它的建造没那么容易。早期的核弹设计者遭遇了很多问题,尤其是如何控制并引导冲击波传均匀的掠过球体。最终他们的解决方案是制造出一个内爆装置,其中有一个U-235球体(作为一个阻挡层)和一个由高爆物质包裹的钚-239核。当核弹被引爆后,有着23千吨的当量和17%的效率。引爆的过程是这样的:,1. 爆炸物爆炸,制造出一个冲击波,2. 冲击波压缩核心,3. 裂变反应启动,4. 核弹爆炸,设计者对最初的内爆式设计进行了改进。1943年,美国物理学家Edward Teller发明了“助爆”的概念。助爆是指用于先利用聚变制造中子,再用这些中子更高效的诱发裂变的过程。又过了8年才首次试验证实了助爆的有效性,一经证明可行,它就成为了广受欢迎的设计。后来美国制造出的核弹中几乎有90%都是使用的这种助爆设计。,当然,聚变反应也能成为核武器中的主要能量来源。,六、聚变式核弹,裂变式核弹实现了,但是它们的效率不太高。没过多久科学家就开始思考核聚变是不是更有效。聚变是指两个原子的原子核聚合成为一个更重的原子的过程。在极高温下,氢的同位素氘和氚的原子核可以稳定融合,这一过程会释放出巨大的能量。利用这一过程中产生的能量制作的武器就称作:聚变式核弹、热核炸弹或是氢弹。聚变式核弹的当量和效率都高于裂变式核弹,但是其中也存在一些必须解决的难题:,1. 氘和氚都是气体,很难储存,2. 氚短缺,而且半衰期很短,3. 核弹中的燃料必须要不断地重新装满,4. 氘或是氚必须要在高温下经过高度压缩才能触发聚变反应。,科学家使用氘化锂来作为热核的主要材料,解决了第一个难题。氘化锂是一种固体化合物,在常温下不会进行放射性衰减。为了克服和氚相关的问题,核弹设计者依靠裂变反应,用锂来制造氚。该裂变反应也解决了最终的难题。裂变过程中释放出最多的辐射是X-射线,而这些X-射线正好可以提供触发聚变所需的高温和高压。所以,一枚聚变式核弹有着两阶段设计——首先是裂变或是助爆裂变的构件,其次是聚变构件。,想要理解这种核弹的设计,可以想象是一个核弹壳体中包裹着一个内爆裂变核弹和一个铀-238制成的圆筒(阻挡层)。在阻挡层内是氘化锂(燃料),而中心位置放的是一根钚-239空心杆。还有一层由铀-238和泡沫填充物制成的保护层将圆筒和内爆炸弹分隔开。核弹的引爆会导致以下一系列事件:,1. 裂变核弹爆炸,释放出X-射线,2. 这些X射线会加热核弹的内部以及阻挡层;这层阻挡层会防止燃料的过早引爆,3. 热量会导致阻挡层膨胀并溶解,向内部的氘化锂施加压力。,4. 氘化锂被挤压至30分之1,5. 压力冲击波引发钚杆中的裂变,6. 裂变的钚杆释放出辐射、热量以及中子,7. 中子进入氘化锂,与锂混合生成氚,8. 高温加高压的组合足以引发氚-氘和氘-氘聚变反应,制造出更多的热量、辐射和中子,9. 聚变反应产生的中子又引发了阻挡层和保护层中铀-238部分的裂变,10. 阻挡层和保护层中的裂变又制造出更多的辐射和热量,11. 核弹爆炸,以上这一切都发生在6000亿分之1秒内。结果会带来一场有着10000千吨当量的超级爆炸——是小男孩核弹威力的700多倍。,七、核弹的运输,建造核弹是一回事,而将它运至预设目标成功引爆又是另外一回事儿。二战末科学家打造的首枚核弹尤其是这样。“曼哈顿计划”的成员之一Philip Morrison在一篇文章中指出:“1945年的全部三颗核弹——一颗实验用核弹和两个扔到日本的核弹——更像是即兴发挥出来的实验室复杂设备,而不是可靠的武器。”,将这些核弹运至最终目的地也几乎和设计与建造一样靠的是即兴发挥。USS印第安纳波利斯号在1945年7月28日将“小男孩”的部件和浓缩铀燃料运送到了太平洋上的天宁岛。“胖子”的部件则是由三架改装后的B-29于8月2日运达的。60名科学家从新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯飞到了天宁岛来协助组装。“小男孩”被首先组装好,核弹重达4400千克,长3米。8月6日,地勤人员将核弹装载到了“艾诺拉·盖”号B-29轰炸机上,机长是Paul Tibbets上校。这架轰炸机飞行了1200公里,到达了广岛上空投下了“小男孩”,核弹在上午8点12分爆炸。8月9日,Charles Sweeney少校驾驶着第二架B-29轰炸机“ 博克斯卡”号运载着5000公斤重的“胖子”完成了对长崎的轰炸。,现如今,这种运送核武器的方式仍是可行的。但是这么多年过去了,随着核弹头体积的缩小,运送方式的选择面也就宽了。很多国家都储存有若干装有核设备的弹道导弹和巡航导弹。大多数弹道导弹都是从地面基地的竖井或者潜艇中发射的。它们会飞出地球的大气层,飞行数千英里至目标,然后再重新进入大气层来部署核武器。比起弹道导弹,虽然巡航导弹的射程更短,核弹头的体积也更小,但是它们更难被侦测和拦截。它们可以在空中发射,可以从地面上的移动发射器中发射,也可以从海上的舰艇中发射。,在冷战期间,战术核武器(TNW)也变得很流行。TNW目的是攻击较小的区域,TNW包括短程导弹、炮弹、地雷和深水炸弹。类似于Davy Crockett核步枪这类便携式TNW使得单人小队或者两人小队实施核攻击成为了可能。,八、核弹的影响和健康风险,核武器的爆炸会释放出巨大的破坏力,而废墟中还会含有核弹材料来源的微观证据。在有人居住的城市上空引爆一颗核弹所造成的破坏是无与伦比的。破坏的程度取决于与爆炸中心之间的距离,也就是与原爆点之间的距离。离得越近,破坏越大。破坏是由以下几方面造成的:,1. 爆炸产生的超高温,2. 爆炸产生的冲击波,3. 辐射,4. 辐射尘,在原爆点,所有东西都会被3000万摄氏度的超高温瞬间蒸发掉。原爆点以外的区域,大多数伤亡是因为高温、冲击波吹飞的建筑物残骸以及急性暴露在高辐射下而造成的。在紧邻爆炸区域之外的地方,伤亡主要是由于高温、辐射以及热浪引发的火灾造成的。从长期来看,由于盛行风的原因,辐射尘出现的区域会更广。辐射尘颗粒会进入供水系统,或者通过呼吸道和消化道进入距离爆炸点很远的人体内。,科学家对广岛和长崎核爆后的生还者进行研究,以理解核辐射对人类健康的短期及长期影响。辐射和辐射尘会影响人体中快速分裂的细胞(头发、肠道、骨髓以及生殖器官)。其中的一些健康影响包括:,· 恶心、呕吐和腹泻,·白内障,·脱发,·血细胞减少,这些症状通常会增加白血病、癌症、不育以及婴儿先天畸形的风险。,科学家和物理学家仍在研究日本核弹幸存者,希望随着时间的推移,能够得到更多的研究成果。,20世纪80年代时,科学家评估了核战争可能的影响并且提出了“核冬天”的理论。在“核冬天”的情形中,多枚核弹的爆炸会导致大量的尘埃和放射性物质进入地球大气层。这些尘云会阻挡阳光。光照的减少会降低地表温度,植物和细菌赖以为生的光合作用也会随之减少。而光合作用的下降会破坏食物链,导致大量生命体灭绝(包括人类)。这个场景和导致恐龙灭绝的小行星撞击假说类似。“核冬天”的支持者指出,美国的圣海伦火山以及菲律宾的皮纳图博火山喷发后,由火山灰和碎岩组成的云也飘到了很远的地方。,核武器有着极其长远的破坏力,影响范围会远超原目标之外的地方。这就是为什么世界各国都在试着控制核武器制造技术和材料的扩散,并削减冷战期间部署的核武器数量。这也是为什么朝鲜和其他国家进行核试验会引发国际社会的强烈反响。广岛和长崎的核爆炸可能已经过去了好几十年,但是那个8月早上的恐怖景象仍深深的烙印在人类的脑海中。,本文译自 HowStuffWorks,由译者 Diehard 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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