从原子弹说起 2019-11-22

自上而下的学习方式,学习核能的相关知识

找到一个具体的媒介,假设是原子弹。

那么对于原子弹,我们有一下几个问题。

1、原子弹他的威力为什么这么大?

2、原子弹是怎么制造出来的。

原子弹他的威力为什么这么大?

爱因斯坦在1905年提出了一个著名的方程——质能方程。也就是这里的:

E=mc²,

E表示能量,m代表质量,而c则表示光速(常量,c=299792.458km/s)。

也就是说一个50KG的人,它含有的能量是:

E=mc²=50*9*10**16=4.5*10**18J

这个能量相当于什么呢,相当于2亿吨煤完全燃烧所释放的能量,说到这里,有的人可能就会问,我有这么大能量我怎么不知道呢?这里就要提到智能方程的定义了,这里的质量M指的是原子核级别的质量变化,也就是说只有物质的原子核的质量发生了变化,才能有如此大的能量释放出来。

但是一般的化学变化,都是在分子层面进行,所以,都无法释放如此巨大的能量。

下面,来讲一讲,如何让物质的原子核发生质量变化。科学家发现,U235在被中子轰击后,会发生分裂,变成2-3块小的U235和2-3个中子,新产生的中子会继续轰击U235块,如此循环下去。


链式反应

但是,U235十分难提纯,在天然矿石中铀的3种同位素共生,其中铀-235的含量非常低,只有约0.7%。只有把其他同位素分离出去,不断提高铀235的浓度,它才能用于制造核武器。(浓度高于90%)。由于化学反应只在分子层面进行,所以提纯铀-235必须使用物理方法。


铀浓缩离心机

气体离心法——它是一个庞大的系统,通过每秒2万转以上的高速离心机,铀-238同位素重分子气体比铀-235轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出,并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机,其铀-235同位素分子被逐渐富集。

当U235被提纯到90%以后,就可以用来制造核武器了,根据质能方程,一公斤U235释放能量相当于2700吨煤完全燃烧释放的能量。引爆原子弹有两种方法——子弹法和内爆法。子弹法是把两块亚临界体积的浓缩核裂变材料,引爆时让其中一块撞击另一块,使两块亚临界体积的核裂变材料合在一起,变成一块超临界体积,使之引爆。内爆法是内聚引爆法的简称,也叫做向心引爆法,就是把核裂变材料均匀地散布在一个球面上,引爆时让它们向中心内聚成一块超临界体积的核裂变材料,使之引爆。以铀235为主要装药,其中铀235做成圆环状,分别放置在一个中子源的四周,起爆时先引爆烈性炸药把数个部分同时推进到中子源处,核装药达到临界质量,临界温度,加上中子源照射,就起爆。这种原子弹技术比较复杂,要解决同时起爆的问题,一般要在先拥有枪式原子弹后才能制造,但是其对装药的利用效率比枪式高很多,可达1%左右,对核弹的小型化有很大的促进。


原子弹内部结构



从上面的情况介绍,我们看到有几个概念和知识需要学习:

1、中子;

2、链式反应;

3、离心机;

4、同位素;

5、质能方程;

6、

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