氘水即重水，为什么这种常见化工原料，会成为制造核弹战略物资？

关于二战德国原子弹研究的失败，有两个著名的谜团。一个是“海森堡之谜”，就是当时德国原子弹研制的负责人，量子力学的伟大奠基人之一。到底海森堡是故意算错了铀的比例还是真的算错了，这未必能明白真相！除此之外，还有一个谜团。1940年，德国在挪威的重水厂被英国“红魔”特种部队炸毁！

诡异的是，德国在1943年修好挪威的重水厂后，又被美国第八航空联队的轰炸机炸毁。定时炸弹被炸毁，德国的原子弹梦一次次破灭。结果德国战败也没能制造出原子弹！重水为何如此重要？

重水在原子弹制造过程中起到了什么作用？

氢有三种同位素，即氕氘氚，氢原子核只有一个质子，氘原子核有一个质子和一个中子，氚原子核有一个质子和两个中子！氢是唯一同位素名称不同的元素！

这三种同位素的化学性质几乎相同。与氧结合对应的水是H2O（普通水）、D2O（重水）和T2O（超重水）。这是一种由氢同位素和氧结合形成的化合物。重水在自然界中的含量很低，只有0.02%左右，而氚的比例更是极低，因为它有半衰期，所以即使存在也不能长期储存。

• 哪颗原子弹更容易制造？

原子弹的原理是利用可裂变物质在受到中子撞击时分裂成两个原子核，在失去质量的同时释放出2-3个中子并释放出巨大的能量，而这些释放出的中子会撞击其他的原子核，依此类推，直到中子能撞击的原子核全部裂变！

铀235的链式反应形成

说说原子弹有哪几种？在核材料方面，原子弹有两种，一种是以铀235为裂变材料的铀弹，一种是以钚239为裂变材料的钚弹。同样是相似，只是两种核材料的获取方式不同！

铀矿在自然界其实是比较容易找到的，但是里面的铀元素主要是铀238，很难引起裂变！易裂变的铀235仅占提取铀的0.7%左右，因此需要将两者分开，但同位素的化学性质相似，仅原子量略有不同两个，所以用的最多。一级气体离心提纯铀235！这种方法费时费力，成本极高。还有别的办法吗？

原子弹储存时，铀装料必须小于零边界质量，所以当然会有奇怪的结构，所以用钚239作为裂变材料，装料做a钚弹大约几公斤（铀235的临界质量比较高（铀235裸球的临界质量是52公斤），钚239的临界质量比较低（α相的临界质量plutonium-239裸球重约10公斤），一个即使原子弹的核装药有中子反射层，也应该尽可能接近临界质量），但问题是钚元素很自然界稀有，这对工程师来说用铀裂变反应堆生产钚元素并不难！上面毫无价值的铀238吸收一个中子变成铀239，然后衰变成钚239！

快中子增值过程

这就是快中子增殖反应堆的原理，理论上是完美的，因为核材料裂变时，会产生多余的中子，不裂变就会浪费掉用过的！

• 为什么要用版主，哪个版主最好？

但是这些热中子能量很高，需要减速才能被铀238吸收。这种缓和剂常见的有两种，一种是轻水，也就是我们常见的H2O（当然是经过处理的，不是自来水），另一种是重水，也就是D2O！两种reducer都可以用，只是优缺点不一样！

轻水很容易获得，也可以使中子减速，但是有两个问题，因为轻水的减速效率比较差，所以只有足够浓度的铀235才能让为数不多的中子命中下一个铀235原子核保持裂变产生中子后减速，然后撞击下一个原子核进行裂变，维持裂变反应。

轻水堆中过剩的中子也可以将铀增值成钚，但是增值产生的钚中同位素钚240的比例比较高，而钚240有个问题，就是也就是说，自发裂变率非常高。如果钚中钚240的比例高，还没有装进原子弹就爆炸了！所以钚240的比例必须控制在7%以内，才能达到武器级钚的水平！

控制棒的作用是吸收多余的中子，避免过度反应和功率超标核燃料浓度可以很低（甚至可以使用铀矿石）。而且生产的钚中钚240的比例很低。重水用来提炼矿石级（当然不可能用核反应堆里的矿石）铀来生产钚239。因此，重水是一种极好的慢化剂。成为制造原子弹的战略物资！

离心机原理示意图

如果直接用来制造铀装药的原子弹，就和重水没关系了。需要的是无数提纯分离铀的方法，而离心机是大规模分离使用最多的设备，当然还有其他方法，但工业生产还是以离心机居多。

重水的另一个重要作用

刚才已经说明了重水的重要作用是作为中子的慢化剂，但同时重水也是核裂变反应堆中重要的传热介质，裂变热通过管道将水加热，产生的蒸汽驱动汽轮机，蒸汽冷凝后送回锅炉，完成蒸汽循环！重水一直封闭在管道中，循环流动，源源不断地将裂变反应堆的热量带出核反应堆。

LWR使用普通纯净水。有两种类型的PWR和BWR。要驱动汽轮机，很明显BWR无法将放射性污染物保留在反应堆内。如何准备重水？

自然界中的水含有0.02%的重水，问题是如何分离。利用重水的特性可以将两者分开。重水的沸点比水高2.5°C。所以，通过不断的精馏，最终浓缩的大部分会是重水（当然也有杂质，但杂质可以通过其他方式过滤掉）！

另一种是利用D-O键的键能略高于H-O键的键能。D2O的化学反应速度比H2O慢（即同位素效应）。通过化学反应除去水分，最终得到重水。比如电解法是的，在得到氢气和氧气的同时，副产物是重水！

另一种方法是利用两者之间很小的密度差，重水的密度为1.105g/mL（水的密度为1），通过离心分离得到，但是这种成本太高了高，几乎没有人选择它。挪威被炸毁的重水厂建在水电站附近。显然，他们使用的是电解水。大量的氢和氧消耗后，剩下的就是富集重水。

超重水能做什么？

其实真正有用的不是超重水，而是构成元素中的氚。氚是氢弹和核聚变反应堆不可或缺的原料！用于聚变的轻核聚集成重核，利用结合质量差转化的巨大能量。如果它是可控的，它就是一个核聚变反应堆。如果无法控制，它就变成了氢弹！

• 什么样的元素可以融合？

相信大家都知道太阳之所以燃烧是氢聚变，但是氢有氕、氘、氚三种同位素，哪一种被太阳能燃烧呢？事实上，根据质子-质子反应链，太阳上释放大量能量的反应不是氕-氘反应，而是氕-氘反应，因为氕的质子聚集成一个质子+中子氘其实是一种吸能反应，需要极低概率的量子隧穿效应才能聚合成氘，但好在太阳核心的氕数量多得难以想象，所以产生的氘还是可以满足需要太阳来燃烧！

根据元素结合能的比例，氕-氘聚变反应所需的条件对人类技术来说过于苛刻，所以我们退而求其次，选择了氚-氘反应来降低条件，但是有一个问题，氚的半衰期为12.5年，这种物质在自然界中几乎不存在，必须通过其他方式制造。

一般的氚可以通过锂6的中子轰击产生。氢弹的核电荷是氘化锂。氚和氘聚变，所以氢弹中的氘和氚是暂时产生的，不是气态或液态的氘和氚（美国第一颗氢弹装置是液态的氘和氚，体积巨大，可达65吨)

6-Li在热中子辐照下发生6-Li(n,α)3-H(T)反应，反应截面高达942b。

聚变反应产生的氘和氚反应：

D+T→4He+n+17.62MeV反应点火温度为4×10^7K，这是聚变中的点火温度各种元素的反应（同位素）最低。1公斤6-LiD的爆炸威力相当于5万吨TNT！

氚的成本大约是3000万美元/公斤，所以在商用核聚变反应堆中，还可以用氚-氘反应产生的多余中子轰击锂六，产生氚来进行自我维持！但迄今为止，ITER仍在为商用聚变堆发力。至于自持，现在看来也不是特别重要。如果以后能商业化，那么自给自足产生氚的反应肯定会提上日程，不然氚太多了。昂贵的。

这就是重水和超重水在人类核能利用方式中的重要作用！