米粒大的原子彈威力有多大,造出來了嗎?


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米粒大的原子彈威力有多大,造出來了嗎?

看到不少網友問這個問題,就來說一下。

首先,讓我們了解一下原子彈是個啥玩意。

所謂原子彈是核武器的一種,是指通過核裂變釋放出的巨大能量,發生劇烈爆炸,利用光熱輻射、衝擊波、放射性等效應造成殺傷和破壞作用,使用後還會導致大面積放射性污染,是一種大規模殺傷性武器。核武器還包括氫彈,這裡不展開來說。

原子彈的結構主要有引爆控制系統、高能炸藥、中子源、中子反射層、核裝料、彈殼等部分組成,核裂變裝藥主要為鈾-235或钚-239。其爆炸原理是利用這些裝藥的質量臨界點,將每一塊裝藥設置在臨界點之下,然後通過常規炸藥,將這些核裝藥塊迅速擠壓到一起,從而形成連鎖反應,爆發出巨大能量。

何謂質量臨界點?就是放射性裂變材料維持鍊式反應的最小質量,達到了這個質量,裂變材料就會自己發生自持式連鎖反應,導致爆炸。臨界質量的大小取決於材料的種類、結構密度、幾何形狀、有無中子反射層等。有中子反射層的球形鈾-235臨界點為15kg左右,钚為10kg左右。

原子彈的威力有多大?

原子彈爆炸的原理是當一個中子打到鈾-235原子核,就可以使這個鈾核發生裂變,放出2到3個中子,這個過程是隨機的,因此平均約2.5個中子。在這個過程,會有一點點質量虧損,這些失去的質量就變成能量釋放了。

這個過程的反應式為:U235+1n→Ba142+Kr91+3n。

從反應式我們可以看到鈾-235核子質量為235.0439,加上1個中子質量為為1.0087,總質量為236.0526;裂變後產生一個鋇-141,質量為140.9139,和一個氪-92,質量為91.8973,再加上3個中子,質量共為235.8373。質量虧損為0.2153,虧損比為0.0912%。

也就是說,1kg的鈾-235,在裂變中轉化為其他物質質量為0.999088kg,其中有0.000912kg的物質轉化為能量了。這個能量轉化出來有多大呢?這裡需要用到愛因斯坦質能方程,其表達式為E=MC^2,這裡的E為能量,M為質量,C為光速。根據這個公式計算:E=0.00912*300000000^2=8.2^14J

答案是1kg鈾-235完全發生裂變反應的話,可以得到8.2萬億焦耳能量。 1噸炸藥能量相當於4184000000焦耳,1kg鈾-235完全連鎖反應爆發出來的能量相當1.96萬噸炸藥的爆炸威力。

實際上,原子彈爆炸威力遠遠達不到這個水平。

原子彈爆炸威力達不到上述計算水平,並不是愛因斯坦的質能方程有問題,而是存在兩個無法解決的問題:一是核燃料做不到100%純度,1kg核裝藥就沒有1kg鈾核質量;二是這些裝藥的核裂變反應並不能全部完成,很多核裝藥還沒來得及反應就被炸飛了。

美國上世紀投放到日本廣島的首個原子彈外號叫”小男孩“,裝了鈾-235藥料64公斤,採用的引爆方式是槍式結構,也就是像用槍射擊一樣的把幾塊分開的鈾-235塊迅速擠壓在一起,使之達到質量臨界點,發生連鎖反應。具體是將這些鈾塊分成4塊,讓每一塊都沒有達到臨界質量,起爆時用常規炸藥爆炸力量將其中一塊射向其他三塊,形成整塊超臨界質量的鈾-235,引發裂變連鎖反應。

理論上這個爆炸威力有多大呢?按質能方程計算得:64*0.000912*300000000^2≈5.25*10^15J/4184000000≈1255525噸炸藥。也就是這顆原子彈如果完美的發揮出核裂變威力,就相當約125.5萬噸TNT烈性炸藥爆炸當量。

但實際上,據後來評估,這次爆炸威力只相當於1.3萬噸TNT當量,只達到理論能量的1%多點,也就是還沒有達到1kg純鈾-235全部裂變釋放的能量。

人類有能力製造米粒大的原子彈嗎?

從上述原子彈爆炸的原理,我們可以看出目前製造的的原子彈,是依靠核裂變連鎖反應的質量臨界點來實現爆發的,小於質量臨界點的原子彈無法實現爆發。

從目前的用於原子彈裝藥的兩種主要藥料來看,鈾-235的質量臨界點在15kg左右,钚-239的質量臨界點在10kg左右,小於這個質量就無法形成連鎖反應。因為鈾核裂變放出的中子必須要打到另一個鈾核,如果沒有達到臨界質量,中子碰到鈾核的概率就小於1,鍊式反應就難以為繼。因此從目前的人類技術水平來看,還無法製造出很微小的原子彈。

當然,這個臨界點並不是絕對的,在創造某些條件的情況下,可以發生改變。比如在鈾-235球外麵包裹一層中子反射層,臨界質量就可以降低。但這種降低也是有限度的,比如中子反射層效率很高狀態下,把裝料臨界下降到3公斤。但要下降到以克計算,甚至一個米粒大小,目前技術還無法達到。

但這裡可以測算一下這個米粒大小的核藥有多大威力。

這裡說的米粒只是裡面的裝藥為一個米粒大小,如果要包括整個結構和外殼,米粒大小的核彈就更無法做到了。

有人測量過一粒米的重量,有大有小,一般的米約為20mg。米的密度約1.6g/cm^3,鈾-235的密度為約19g/cm^3,約為米的12倍,因此如果1個米粒大的鈾-235質量約為240mg。按照核聚變質量轉化率0.0912%計算,240mg將有0.21888mg的質量轉化為能量,根據質能方程(略去計算過程),可得到約4.7噸TNT烈性炸藥的爆炸威力。

但實際上,原子彈核裝藥利用率只有約1%,這樣這個只有米粒大小核裝藥的微型原子彈,爆炸威力為47kg炸藥的當量,因此其破壞力也是不可小覷的。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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