关于核武器的一些事情（动荡中维系和平的另一种手段）

高小山说

核能是二十世纪人类打开的一扇门，开启了无限的可能，也曾带来了教训。

1945年8月，原子弹“小男孩”“胖子”被投放于广岛、长崎上空。事后，参与过原子弹研制的很多科学家如爱因斯坦、奥本海默、哈恩都曾在不同场合表达过内心的忏悔和自责。

但我们都明白：核能的本质只是一个工具；点石成金或涂炭生灵，取决于人类社会的意志。也没有人能够回到过去，将这个工具扼杀在摇篮之中。

二战以后，核武器仍在持续发展。但在当前的世界，核武器的存在不再是为了兵戎相见，而是为了制约战争杀戮的发生——就像吴王锁教授所说的，“如果说‘铸剑强国’是我们的初心，‘核以道和’就是我们的使命。”

授课老师：吴王锁，兰州大学博士生导师，核科学与技术学院院长，长期从事核化学与放射化学，核技术应用研究。

---

*以下根据吴王锁于2021年4月15日高山书院重庆站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。

全文字数丨4009字

阅读时间丨8分钟（高效速读，可选1分钟精华版）

■ 精华版

---

所谓核能，顾名思义就是通过反应从原子核释放的能量。这能量怎么释放出来，说简单了就两个途径，一种是把“大”的原子核劈开（核裂变），一种是把“小”的原子核们聚到一起（核聚变）。

现今常用的核裂变材料是铀-235，自然界中最重的不稳定原子核；核聚变原料则是氢的同位素（氘、氚），自然界中正电荷最小的原子核。

核能的能量密度极高。举例来说，1kg铀-235裂变所释放能量是1kg 标准煤燃烧释放能量的270万倍，而1kg氘氚聚变的能量密度则更高了，据估算，接近铀裂变的4倍。

目前的核武器可分为3代，分别是：原子弹、氢弹和特殊性能核武器。

其中，原子弹利用的是核裂变反应；氢弹利用的是核聚变反应；特殊性能武器原理则是将核能的不同杀伤力选择性强化或弱化，可以看作人类DIY核能的结果。

值得注意的一点是，氢弹是在原子弹的基础上发展研究得来的。没有原子弹技术，是没办法造出氢弹的。

“核”的本质，实际上更在于“和”。核技术的存在，是国家安全、世界和平的重要组成部分， 技术要有，但不代表一定要亮出来。

---

■ 完整版

这次重庆站的课程中，高原宁院士给咱们讲过原子的结构。

当原子核的中子、质子重新排列组合，结构发生变化，质量就会发生亏损——或者用我们更熟悉的语言来说，能量（核能）就会释放。

核能释放，具体能通过两个过程实现：一个是核裂变，即重原子核裂变成两个或多个轻原子核；另一个是核聚变，即两个或多个轻原子核聚变成重原子核。

两个过程看似截然相反，但其实它们都有着一个共同的规律：从低比结合能的核素→高比结合能的核素。一旦处于比结合能的顶峰，原子核无论是裂变和聚变都无法再释放能量，而是需要吸收能量。

核裂变 & 核聚变

我们最常利用的核裂变反应，是铀-235的裂变，因为铀是自然界中天然存在的最重元素，更倾向于裂变。一般课本上的铀-235裂变是这样的：

一个中子高速撞击一个铀-235原子核，并发生裂变

但事实上，铀-235的核裂变有着各种各样的反应以及裂变产物，这只是其中一种。

这就像我们在一定的距离外开枪射击一个物体，射击以后物体裂成两半；即便打上100发子弹，估计也得不到同样的两半来。不过铀-235裂变产物的分布也有一些规律，我们管它叫驼峰曲线。

热中子引起铀235裂变的产额-质量曲线

另一方面，核聚变反应较常用到的原料是氢的同位素：氘（²H，音dāo）与氚（³H，音chuān），因为氢元素相较于其他元素正电荷最小，原子核相互靠近所需要克服的斥力也最小。其中，属氘氚的聚变更容易一些（因截面等因素）。

氘和氚原子核高速相撞，并发生聚变

相比于化学反应，核反应释放的能量要大得多。

举例来说，1kg TNT炸药爆炸所释放的能量大致在4.2×10⁶ 焦耳；1kg铀-235裂变所释放能量则在 8.0×10¹³ 焦耳的量级，是前者的约2000万倍；而1kg氘氚聚变的能量密度则更高了，据估算，接近铀裂变的4倍。

这些核反应我们如果不加控制，让它以发散的链式反应释放能量，基本上就是军事应用，也就是核武；但倘若我们希望将核反应妥善应用到更多生活场景，我们就必须让核反应像烧火做饭一样，可以根据需求可控地释放能量。

现阶段，核裂变已经实现了可控，而可控核聚变还在路上。

比太阳更亮的火球

我们先讲核武器。大家肯定都知道，核武器是目前当仁不让的武库霸主，威力无比。

1945年8月6号及9号，曼哈顿计划建造的原子弹——“小男孩”及“胖子”，分别投到了日本广岛和长崎的上空。顷刻间，两座大城市化为废墟，除了些许钢筋混凝土，只留下残垣断壁，近20万人伤亡。

广岛在8月5日（原子弹投放前，左）与8月6日（原子弹投放后，右）的示意模型

广岛、长崎核灾难的恐怖阴云，至今依然笼罩着人们的心灵，原子弹也成为骇人听闻的神秘妖魔。但剥开它的外衣，原子弹其实并不神秘。

· 原子弹

原子弹的原理主要是基于核裂变反应，一般使用铀-235或钚-239；用铀做核装料的叫铀弹，用钚做核装料的叫钚弹。

要引起核爆炸，关键在于一点：让中子增加快于中子减少，从而触发链式反应，让核裂变持续进行、不熄灭，而这要求：裂变材料达到一定的临界质量和密度。

一般来说，16公斤的武器级铀或6公斤的武器级钚，就可以造一枚原子弹。所谓武器级，指的是铀-235或钚-239的纯度必须达到特定的指标。

以铀为例，自然界里的铀有三种同位素：铀-238（99.3%）、铀-235（0.7%）和铀-234（极微量）；而武器级的铀要求铀-235的丰度（类似于纯度）达到90%以上。重庆816工程的主要任务实际上就是搞铀浓缩，要把铀的丰度从0.71%提到90%以上。

不同丰度的铀的用途

钚也类似，如果拿来制造武器，钚-239的丰度需要达到93%以上。

有了足够高丰度的核装料以后，原子弹实现核爆炸的方式，基本上就是通过引爆高能烈性炸药，利用其冲击力或压力使核材料迅速达到临界状态，再借助中子源提供的中子，触发核裂变以及一连串的链式反应。

· 氢弹

前面提到：氘氚聚变所释放的能量比铀-235裂变更高。于是，科学家们后来再提出了一种建立在核聚裂变之上的更强核弹。

图自网络

但是要使氘氚原子核（带正电）发生聚变，必须让它们克服斥力、相互聚拢到极近的距离。最合适方法是加热，让原子达到足够高的速度及能量，而这需要至少1千万度的温度和上亿倍大气压的压力。

那么，我们要怎么得到这样的高温和高压呢？有人想到：原子弹爆炸可以产生这样的高温高压，于是就在原子弹中加入氘和氚，通过引爆原子弹诱发氘氚的聚合，并称之为氢弹。

换言之，氢弹是建立在原子弹的基础上的，造不出原子弹的国家不可能造得出氢弹。

早期的氢弹特别笨重，因为氘和氚在常温常压下是气体，即便经过压缩，体积也不小。后来，科学家发现中子轰击锂-6能生成氚（及氦），而锂-6是固体，便善用了这个反应成功对氢弹完成小型化。

在那之后，我们又制造出了另一种氢弹，叫三相弹——在氢弹的弹壳中加入铀-238。

铀-238本来不易裂变，但在氢弹的裂变与聚变发生后的高温高压下也会开始裂变。所以和氢弹相比，三相弹相当于最后再多加一个核裂变的过程。现在的氢弹大多数是三相弹。

· 特殊性能核武器

相比常规炸药，核弹释放的能量高出百万倍，杀伤范围也大得多；普通炸弹一般几十米，而核武器可达几十公里，“一颗核弹能摧毁一座城”不是传说。

整体来说，核武器的摧毁作用分为五种：

1.冲击波

核爆炸时，大量能量通过挤压空气形成高压及高速气浪，对工程建筑设施、武器装备和人员造成破坏。这也是一般炸药的主要杀伤力所在。

2.光辐射

核爆炸时产生的极高温及巨大火球会辐射出强光和高热，使受照射物体融化、焦化或者燃烧。广岛的残垣断壁上，大部分钢筋混凝土都融化了，砖木结构也烧光了。

3.贯穿辐射

核爆炸最初几秒会放射出γ射线和中子流等穿透力强的射线，对受照者造成急性及慢性危害。中子流还可感生放射性物质，也就是导致原本稳定的物质出现放射性。

4.放射性辐射

裂变所产生的放射性产物、未爆炸的核装料及感生放射性物质散布在大气、大地与水面，带来短期或长期的内照射及外照射危害。

5.电磁脉冲

核爆炸瞬间形成的强烈脉冲辐射，对电子设备， 电气设备，通信系统产生强大的干扰和破坏作用。

基于战术需要，科学家研发核武的时候会选择性增强或削弱这些摧毁作用当中的其中一/几种，由此也诞生了一些特殊性能的核弹，譬如中子弹。

中子的杀伤力主要体现在贯穿辐射，而中子弹就是把中子束流做大、做强，同时减弱冲击波，又称“增强辐射弹”。在战争中，中子弹可以起到很好的作用，比如在保持建筑物及设备完好的同时，消灭堡垒内的敌人。

除了中子弹，类似的特殊性能核武器还包括：增强冲击波作用的冲击波弹，增强X射线作用的X射线弹，及减少放射性沉降物的弱剩余放射性武器等等。

核武器家族现在可以说是三代同堂（虽然具体家谱存在争议）——原子弹、氢弹、特殊性能核武器，第四代核武器正在孕育中。

值得一提的是，贫铀弹其实称不上核武器，因为贫铀弹以贫化铀为主要原料。贫化铀是铀-235浓缩过程中所产生的废料，其铀-235含量从天然铀中的0.71%进一步降到了0.2%～0.3%（远不及武器级要求的90%）。所以贫铀弹不会发生链式核反应，不属于核武器。

核以道和

如今，世界上共有5个国家具备核武器——美国、苏联、英国、法国、中国。中国是第5个拥有原子弹、第4个拥有氢弹（比法国早）的国家。这5个国家拥有一套完整的核燃料循环体系，是世界的核大国，同时也是联合国的5个常任理事国。

但“核”的本质，实际上更在于“和”。核技术的存在，是国家安全、世界和平的重要组成部分，关系到国家安危、人民健康、 社会稳定、经济发展及大国地位等。

核与和，图自网络

这节课我们说了核武器，下次的课程咱们再接着说核电站。

整理丨邱施运

编辑丨朱珍

热爱科学的人都在这里

,