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一粒米大小的原子弹威力有多大,能造出来吗?

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  首先,让我们了解一下原子弹是个啥玩意。

  所谓原子弹是核武器的一种,是指通过核裂变释放出的巨大能量,发生剧烈爆炸,利用光热辐射、冲击波、放射性等效应造成杀伤和破坏作用,使用后还会导致大面积放射性污染,是一种大规模杀伤性武器。核武器还包括氢弹,这里不展开来说。

  原子弹的结构主要由引爆控制系统、高能炸药、中子源、中子反射层、核装料、弹壳等部分组成,核裂变装药主要为铀-235或钚-239。其爆炸原理是利用这些装药的质量临界点,将每一块装药设置在临界点之下,然后通过常规炸药,将这些核装药块迅速挤压到一起,从而形成连锁反应,爆发出巨大能量。

  何谓质量临界点?

  就是放射性裂变材料维持链式反应的最小质量,达到了这个质量,裂变材料就会自己发生自持式连锁反应,导致爆炸。临界质量的大小取决于材料的种类、结构密度、几何形状、有无中子反射层等。有中子反射层的球形铀-235临界点为15kg左右,钚为10kg左右。


  原子弹的威力有多大?

  原子弹爆炸的原理是当一个中子打到铀-235原子核,就可以使这个铀核发生裂变,放出2到3个中子,这个过程是随机的,因此平均约2.5个中子。在这个过程中,会有一点点质量亏损,这些失去的质量就变成能量释放了。

  这个过程的反应式为:U235+1n→Ba142+Kr91+3n。

  从反应式我们可以看到铀-235核子质量为235.0439,加上1个中子质量为为1.0087,总质量为236.0526;裂变后产生一个钡-141,质量为140.9139,和一个氪-92,质量为91.8973,再加上3个中子,质量共为235.8373。质量亏损为0.2153,亏损比为0.0912%。


  也就是说,1kg的铀-235,在裂变中转化为其他物质质量为0.999088kg,其中有0.000912kg的物质转化为能量了。这个能量转化出来有多大呢?这里需要用到爱因斯坦质能方程,其表达式为E=MC^2,这里的E为能量,M为质量,C为光速。根据这个公式计算:E=0.00912*300000000^2=8.2^14J

  答案是1kg铀-235完全发生裂变反应的话,可以得到8.2万亿焦耳能量。1吨炸药能量相当于4184000000焦耳,1kg铀-235完全连锁反应爆发出来的能量相当于1.96万吨炸药的爆炸威力。


  实际上,原子弹爆炸威力远远达不到这个水平。

  原子弹爆炸威力达不到上述计算水平,并不是爱因斯坦的质能方程有问题,而是存在两个无法解决的问题:一是核燃料做不到100%纯度,1kg核装药就没有1kg铀核质量;二是这些装药的核裂变反应并不能全部完成,很多核装药还没来得及反应就被炸飞了。

  美国上世纪投放到日本广岛的首个原子弹外号叫”小男孩“,装了铀-235药料64公斤,采用的引爆方式是枪式结构,也就是像用枪射击一样的把几块分开的铀-235块迅速挤压在一起,使之达到质量临界点,发生连锁反应。具体是将这些铀块分成4块,让每一块都没有达到临界质量,起爆时用常规炸药爆炸力量将其中一块射向其他三块,形成整块超临界质量的铀-235,引发裂变连锁反应。


  理论上这个爆炸威力有多大呢?按质能方程计算得:64*0.000912*300000000^2≈5.25*10^15J/4184000000≈1255525吨炸药。也就是这颗原子弹如果完美的发挥出核裂变威力,就相当约125.5万吨TNT烈性炸药爆炸当量。

  但实际上,据后来评估,这次爆炸威力只相当于1.3万吨TNT当量,只达到理论能量的1%多点,也就是还没有达到1kg纯铀-235全部裂变释放的能量。


  人类有能力制造米粒大的原子弹吗?

  从上述原子弹爆炸的原理,我们可以看出目前制造的的原子弹,是依靠核裂变连锁反应的质量临界点来实现爆发的,小于质量临界点的原子弹无法实现爆发。

  从目前的用于原子弹装药的两种主要药料来看,铀-235的质量临界点在15kg左右,钚-239的质量临界点在10kg左右,小于这个质量就无法形成连锁反应。因为铀核裂变放出的中子必须要打到另一个铀核,如果没有达到临界质量,中子碰到铀核的概率就小于1,链式反应就难以为继。因此从目前的人类技术水平来看,还无法制造出很微小的原子弹。

  当然,这个临界点并不是绝对的,在创造某些条件的情况下,可以发生改变。比如在铀-235球外面包裹一层中子反射层,临界质量就可以降低。但这种降低也是有限度的,比如中子反射层效率很高状态下,把装料临界下降到3公斤。但要下降到以克计算,甚至一个米粒大小,目前技术还无法达到。


  但这里可以测算一下这个米粒大小的核药有多大威力。

  这里说的米粒只是里面的装药为一个米粒大小,如果要包括整个结构和外壳,米粒大小的核弹就更无法做到了。

  有人测量过一粒米的重量,有大有小,一般的米约为20mg。米的密度约1.6g/cm^3,铀-235的密度为约19g/cm^3,约为米的12倍,因此如果1个米粒大的铀-235质量约为240mg。按照核聚变质量转化率0.0912%计算,240mg将有0.21888mg的质量转化为能量,根据质能方程(略去计算过程),可得到约4.7吨TNT烈性炸药的爆炸威力。

  但实际上,原子弹核装药利用率只有约1%,这样这个只有米粒大小核装药的微型原子弹,爆炸威力为47kg炸药的当量,因此其破坏力也是不可小觑的。

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