為什麼核聚變的氫彈比核裂變的原子彈威力大成百上千倍?

紂王在壞終是王


答:核武器的威力大小,也是與核反應材料的質量有關;由於氫彈與原子彈反應原理不一樣,使得原子彈的爆炸當量受到限制,而氫彈爆炸當量理論上沒有限制。


單純地說氫彈爆炸威力比原子彈大是不對的,因為一顆核彈的爆炸威力,也與自身的核材料填充量有關;比如中子彈本質上也是氫彈(第三代核武器),但是中子彈比最小原子彈的當量還小很多。

從核聚變與核裂變的原理上看,原子彈中核裂變質量虧損率為0.09%,氫彈中核聚變質量虧損率為0.7%,兩者相差了幾乎十倍,原因是氫元素的平均核子質量,要比鈾元素的平均核子質量大很多。

所以相同質量的聚變材料發生熱核反應,要比相同質量的裂變材料發生裂變釋放能量大近十倍,但是這並不是氫彈爆炸威力比原子彈大的原因。


對於原子彈中的核聚變,存在一個臨界質量,低於臨界質量的裂變材料,無法維持鏈式反應;原子彈的原理,就是把高純度的鈾-235分成兩塊,每塊都低於臨界質量,需要引爆時,把兩個鈾塊合在一起超過臨界質量就行。

原理很簡單,但是裡面涉及的技術肯定是很複雜的,正是由於臨界質量的存在,所以分開的鈾塊質量必須低於臨界質量,合在一起的鈾塊必要超過臨界質量,這就導致原子彈的爆炸當量存在最大值。


我們可以估算一下,鈾-235的臨界質量大約是50公斤,每個鈾塊我們設計為40公斤(留10公斤安全餘量),兩塊就是80公斤,原子彈的裂變材料利用率,最高的差不多是20%,於是根據質能方程:

E=△mc^2=80*(3*10^8)^2*0.09%*20%≈1.3*10^15焦耳;

相當於30萬噸TNT當量,這差不多就是鈾-235核彈的當量極限;比如二戰時期,美國在日本廣島投放的原子彈,當量就是1.5萬噸TNT,裂變材料利用率不到5%。


目前對原子彈的研究方向,都是如何提高裂變材料的利用率,叫做“加強型原子彈”;但是氫彈中進行的核聚變反應,就沒有臨界質量的限制,只要你的聚變材料填充得足夠多,理論上爆炸當量沒有上限。

所以氫彈的爆炸當量一般做得很大,比如我國第一顆氫彈的爆炸當量為300萬噸TNT;人類引爆過最大的氫彈,是蘇聯的沙皇炸彈,爆炸當量是5000萬噸TNT。


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艾伯史密斯


不管是氫彈還是原子彈,它們本質上都是利用原子核反應過程中損失的質量來轉化為巨大的能量,這個可以通過質能方程計算出來。氫彈的原理是核聚變,把較輕的原子核——氘和氚(兩者都是氫的同位素),聚變成較重的原子核——氦,由此損失的質量將會轉化為能量。另一方面,原子彈的原理是核裂變,利用中子轟擊重原子核——鈾或者鈈,導致它們裂變為較輕的原子核(比如銣、鍶、銀、鎘、鋅),由此損失的質量將會轉化為能量。那麼,為什麼這兩種核反應所能產生的能量存在很大的差異呢?

這主要與比結合能有關。為了分裂原子核,就要克服原子核的核力,從而需要一定的能量,這種能量即為原子核的結合能。再把結合能除以原子核中的核子數(質子和中子數之和),就得到了比結合能。如果原子核的比結合能越高,分裂它所需的能量也越高,‪這意味著它越穩定。下面是各種元素的比結合能示意圖:

可以看到,鐵的比結合能最高,所以比鐵輕的原子核發生核聚變以及比鐵重的原子核發生核裂變都會釋放出能量。由於氦的比結合能比氘和氚要高得多,所以氘和氚發生核聚變反應之後將會釋放出相對較高的能量。而鈾或者鈈的比結合能與核裂變產物的比結合能相差並不大,故相等質量的鈾或者鈈發生核裂變所能釋放出的能量要小於氘和氚的核聚變。正因為如此,氫彈的威力要比原子彈更強。

此外,氫彈爆炸還需原子彈進行引爆。這是因為原子核都帶正電,它們之間存在強大的斥力,為了使原子核結合在一起就必須要有相當高的能量。一旦原子核能夠發生核聚變之後,反應釋放出的能量就能進一步引發其他原子核發生核聚變反應。


火星一號


為什麼核聚變的氫彈比核裂變的原子彈威力大成百上千倍?

其實各位大神的回答已經很完美了,偶從另一個角度來補充下,讓這個問題更容易理解!

氚氘聚變示意圖

U235裂變示意圖

兩者過程相反,但一樣能釋放巨大的能量,不過最大的區別的是聚變質量損失約為0.7%,裂變材則:U235裂變損失的質量約為0.0946%;鈈239約為0.0961%!而質能轉換計算為:

簡單的從兩者質量丟失的比例來看,同樣質量的聚變材料是裂變的7-8倍以上!

同樣還有另一個問題不容忽視,由於核裂變有一個臨界質量,即在超過這個質量的話,自身即開始鏈式反應無法控制,因此在原子彈內部時是分開安裝的,引爆時才被高能炸藥的爆炸的能量貼合在一起引起裂變的鏈式反應!

而聚變在引爆前都是十分安全的,因此裝藥量也不受限制,另外需要注意的是裂變過程中並非100%裂變的,在原子彈中有很大一部分材料在裂變前就被炸散了,因此真正參與裂變的材料僅僅只佔了一部分......

幾個原因,導致裂變彈的威力遠遠小於聚變彈,比如原子彈一般都為幾萬噸,了不起幾十萬噸,但聚變彈就沒有威力限制了(至少幾十萬噸起),史上威力最大的聚變彈是在新地島爆炸的“大伊萬”,起初當量為1億噸,後來計算後威力超過無人區,因此減小當量到5000萬噸!

大伊萬(沙皇炸彈)投擲,5000萬噸當量

B41聚變彈爆炸,當量2500萬噸!


星辰大海路上的種花家


圖示:廣島原子彈爆炸航拍照片

  眾所周知,原子彈的爆炸機理是核裂變,氫彈的反應過程是核聚變,裂變與聚變,同為原子核釋放能量的兩種方式。但是,為什麼會產生如此之大的能量差異?對此,慕什塔戈認為,氫彈與原子彈在結構原理上的兩處區別,導致其威力的倍增。

  一是核裝料不同。原子彈內部的核裝料,通常選擇易裂變原子核的鈾-235或鈈-239等,利用鈾、鈈等原子核分裂所產生的巨大能量進行殺傷和破壞;氫彈是用氫的同位素氘和氚為核裝料 ,用特製的原子彈作為引起爆炸的裝置,用原子彈爆炸所產生的高溫使氘和氚發生聚合反應,形成氦核子而釋放巨大能量並引起更加猛烈的爆炸。可見,氫彈的核裝料中包括原子彈,原子彈充當了氫彈的起爆藥。

圖示:1961年10月30日,前蘇聯“大伊萬”氫彈爆炸航拍照片

  二是爆炸原理不同。根據下圖所示,原子彈的爆炸原理是,首先引爆傳統爆炸物(棕褐色部分),通過產生的高溫高壓氣體,擠壓可分裂的核原料,如鈽-239(藍綠色)或鈾-235(黃色),直至將其擠壓到超臨界狀態,最終導致其瘋狂地分裂原子,形成核爆炸:氫彈的爆炸原理是,用核裂變反應來觸發核聚變,通過核裂變釋放的能量巨大的X射線衝擊波,引爆核聚變裝料,從而產生比原子彈高出上千倍的聚變核能。

圖示:原子彈與氫彈結構對比圖


慕什塔戈


氫彈和原子彈的威力相差這麼大是和兩種核武器的原理相關的。總的來說,所有核武器的基本原理都是愛因斯坦的質能轉換方程,E=mC2,也就是說,在核聚變或者核裂變過程中,減少的質量轉換成能量,這個能量就是核武器的威力所在。

原子彈的原理是鈾-235和鈈-239等重原子核在中子的轟擊後,分裂成2個較輕的核,同時再放出2-3箇中子和200兆電子伏特能量,總質量也減少。氫彈則是與之相反的輕核聚變,由氫的同位素氘和氚聚合成更重的核(氦),同時釋放出能量。聚合的方程式為:2D+3T—→4He+1n,放出的能量約為17.6兆電子伏特。由於產生聚變的核更輕、更小,反應也更簡單,因此單位重量下反應釋放出的能量更多。聚變反應中,平均每個核子放出3.5兆電子伏特能量,而核裂變中平均每個核子放出的能量還不到1兆電子伏特。從理論計算上說,400克氘和600克氚的混合物聚變放出的能量相當於4千克鈾裂變或12000噸標準煤燃燒的能量。

但氫彈也有個問題,那就是必須在6000萬度以上的超高溫狀態下才能發生聚變反應,而這種高溫只有原子彈爆炸才能實現。因此,氫彈一般都以原子彈作為聚變反應的“起爆器”。

此外,由於聚變反應能迅速釋放出大量的中子,加速裂變反應的進行,因此,核大國們普遍研製裝備了“增強型原子彈”。其原理就是利用原子彈爆炸的高溫高壓,使安放在其核心的氚氘混合物發生聚變反應,在生成氦的同時釋放大量中子。聚變反應中放出的中子可以大大加快包裹在它們外面的裂變材料的裂變反應過程,讓它們在被炸飛出去而被浪費掉之前加入裂變反應。“增強型原子彈”可以把原子彈的威力增加一倍,也是目前五大國最主要的核彈頭類型。T


聯合防務


氫彈和原子彈都是典型的原子能的軍事利用,

所謂原子能,就是當原子核結合能發生變化時所能夠釋放出來的能量,原子彈利用的是重核裂變,而氫彈採用的是輕核聚變,下面講講兩種的不同。

原子彈利用的是裂變能量,當重核分裂成兩個質量相近的核時,他們的平均結合能會增加大約1 MeV,對於鈾235來講,每個U裂變釋放200 MeV的能量。但對鈾來講,必須達到自持的鏈式反應,才能大規模的利用能量,只有鈾的體積大於“臨界體積”,才能發生劇烈的鏈式反應。對於原子彈就是利用炸藥把兩塊體積小於臨界體積的鈾擠壓到一塊,大於臨界體積,產生了自持不斷的鏈式反應,能量就劇烈的釋放了。這裡原子彈的大小就受到了一定的限制,每個單獨的鈾塊必須小於臨界體積,同時鈾等核材料含量少,提純技術要求高。

而氫彈利用的能量是輕核的聚變,本身輕核聚變的能量就大約是每個重核裂變的4倍。而且氫彈的燃料是氘,它的含量是取之不竭的。熱核聚變需要高溫的等離子體,還要達到一定的密度,對於太陽來講,其內部時時刻刻發生著核聚變,給予整個太陽系以能量,太陽巨大的質量約束了內部的等離子,在一千多萬度的高溫發生核聚變。

而人類能夠是實現的是不可控制的釋放,比如氫彈,它需要的高溫由原子彈爆炸來提供,所以氫彈是原子彈來點火實現的裂變加聚變。其燃料體積不受限制,因此威力當然更為巨大。前蘇聯的大伊萬氫彈能量就是相當於廣島原子彈的幾千倍,設計爆炸當量一億噸,

量子實驗室,歡迎評論和關注。


量子實驗室


單從核反應來看,一公斤氘氚聚變釋放的能量要比一公斤鈾鈈裂變大3-4倍。其次,原子彈中的裂變材料受到臨界體積分限制,當量只有幾萬到十幾萬噸。而氫彈中的熱核材料沒有臨界體積的限制,只要氫彈彈殼能承受的得了,其所裝入的熱核材料多多益善。氫彈的當量可達幾百萬到幾千萬噸,比原子彈大得多。最後,氫彈使用原子彈做為啟爆器。正是這三點,氫彈的威力比原子彈大得多。


天授大業-告成


氘—氚聚變釋放的能量是鈾裂變的4倍,氘和鋰(鋰是用來產生氚的)的儲量遠遠多於鈾。但這不是決定性因素。根本原因是原子彈的當量是有上限的。如果鈾/鈈太多就會達到臨界狀態,也就是自爆。所以原子彈的當量不能超過幾十萬噸。而氫彈就沒有當量的上限。


心靈火柴盒


這是因為原子彈用的鈾235或鈈239都有一個臨界質量問題。太小的一塊鈾235是不能爆炸的,需要達到它的臨界質量才會爆炸(大約十幾千克),因此凡是達到臨界質量的鈾塊都會自發地發生爆炸,所以大塊的鈾235是不可能存在的。原子彈是裝了兩(或者幾)塊小於臨界質量的鈾235,待到炸藥爆炸把這些小塊擠成超過臨界質量的大塊,從而原子彈爆炸。你不可能裝幾十幾百塊鈾235並且保證同時把它們擠到一起吧?因此原子彈的爆炸力是有上限的,不可能做得很大。而氫彈裝藥沒有限制可以做得很大很大!


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