03.02 廣島原子彈與現在的原子彈有何不同?

軍統60


最大的區別就是技術!


在1945年8月6日在廣島爆炸的“小男孩”是一枚“槍式鈾彈”,其內部裝藥是是60公斤的鈾235,是用一塊低臨界質量的鈾塊射向其他低臨界質量的鈾塊,來組成一塊超臨界質量的鈾塊從而產生鏈式反應的。

圖注:槍式原子彈的原理,在內部其實就可以看作是一把用鈾235做子彈的搶,射擊另一塊鈾235。

但這種方法核裝藥損耗極大,“小男孩”在爆炸過程後經過估算,只有一公斤左右的鈾235進行了核裂變,其他都被浪費掉了。

而且鈾235的臨界質量相對來說也偏高,(在上世紀早期的計算中鈾235的臨界質量為15公斤,但在工程技術上很難實現),所以世界各國後期的原子彈多采用鈈裝藥的內爆式原子彈,比如長崎的“胖子”就是鈈裝藥的內爆式原子彈。
圖注:內爆式原子彈的原理與槍式不同,可以看作是用炸藥來壓縮核裝藥。

鈈裝藥相比鈾裝藥除更加節省外,其臨界質量也更低,在上世界早期的測算中239的臨界質量僅有10公斤,但無論是鈈239還是鈾235其臨界質量都是隨著物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等多重因素所影響的。

而根據國際原子能機構的規定,鈈純度在達到92%-93%就可以稱作“武器級鈈”,而根據美國的說法核裝藥的鈈239中,鈈240的含量要低於6%,而且隨著各國核技術的進步,在實際工程應用上,鈈239的臨界質量也在逐步提高,根據80年代的國外論文來看,2公斤的鈈239(也就一個檯球那麼大)就可以在工程上實現臨界反應了。


圖注:鈈239

所以目前來說,類似廣島“小男孩”那種鈾235裝藥的槍式原子彈,已經被各各核大國所淘汰了,更確切的說;是原子彈這種低技術含量的核武器被各核大國所淘汰了,當然了其他沒有核技術的土鱉,還是對其趨之若鶩的!


武備趣科普


廣島小男孩原子彈與現在的原子彈主要存在兩個區別:

小男孩原子彈是一顆使用鈾235作為主裝藥的原子彈,而現在的原子彈則多為鈈彈,使用鈈-239為裝藥。

為什麼現在原子彈多為鈈彈,主要原因是因為鈾235存在於自然界中鈾礦石之中,而鈾礦石中的鈾235含量極低,但是製造鈾彈又必須達到90%以上的丰度,所以就必須進行提煉,而目前主流的氣體離心法需要成千上萬的離心機和海量的電能支持,並且耗費長久時間,因此提煉90%以上丰度的鈾235難度極大。


(氣體離心法)

相比與鈾彈,鈈彈對鈈-239的的丰度要求在93%以上,看似難度更高,實則暗藏玄機。鈈-239的半衰期為2.4萬年,在自然界基本不存在,但是這玩意兒卻大量存在於核電站反應堆的廢料,也就是核燃料棒燃燒後的灰燼之中。通過分解沉澱、萃取、純化可以很方便的提取出大量的高濃度鈈-239。所以我們經常說日本囤積了多少噸核電站鈈廢料,能夠製造多少顆原子彈,就是這麼個意思。

鈈239和鈾235的優劣勢

鈈239的優勢在於臨界質量(可以簡單理解為發生核爆的最小質量)小,鈾235的臨界質量是52千克左右,鈈239則只需要10千克,理論上用鈈239可以製造出體積和質量更小的原子彈,但實際上這只是裸臨界質量(主要取決於核彈結構和爆炸方式),而且在實際製造中這點質量幾乎可以忽略不計。鈈239的最大缺點在於毒性大,維護性差,像五常這樣核工業完備的國家一般使用更安全可靠的鈾彈(原子彈基本被淘汰了),但是因為可以從核電站的廢料中提取,因此鈈彈也經常被一些實力弱但是又企圖走捷徑發展核武的國家所青睞(這些國家才玩原子彈),你懂的。
(我國第一顆原子彈就是鈾彈)

小男孩原子彈是一顆槍式原子彈,現代一般為內爆式原子彈

從威力上來講,鈾235和鈈239在裂變時產生的能量相差不大,但是由於鈈239裂變時能夠釋放更多中子,因此其鏈式反應更快速,所以臨界質量也更小,因此鈈彈通常採用內爆式結構,在鈈彈內部放置一團次臨界狀態的鈈239,然後再圍上一圈炸藥,當炸藥引爆就能瞬間擠壓內部的鈈239,極速增加核裝藥的密度,最終達到超臨界狀態,產生鏈式反應釋放能量。

而鈾235相對來說比鈈239的活性更低,因此通過擠壓次臨界狀態的鈾235產生鏈式反應的難度就更大,所以通常使用的是槍式撞擊法。把兩團(甲乙)處於次臨界狀態的鈾235分置於於一根鋼管的兩端,然後炸藥爆炸擠壓甲團向乙團運動,最終兩團擠壓結合在一起就會達到超臨界狀態,最後鏈式反應釋放能量。



小男孩槍式原子彈為什麼會被淘汰?

類似小男孩的槍式原子彈之所以會被淘汰,主要是因為核裝藥利用率太低,鈾235在加速過程中會徒然消耗掉許多,而且兩團鈾235結合在一起之後,由於各區域密度不同,也只有一小部分會發生鏈式反應,小男孩內部裝有64千克鈾235,實際裂變的只有不到1千克,利用率只有1%。真正裂變的只有700克,利用率只有1%左右。
(槍式原子彈一般就是這種長條狀)

內爆式原子彈相對來說利用率就要高的多,爆炸在長崎的胖子原子彈就是典型內爆式原子彈,它內部只有6千克鈈239,但是最後爆炸威力卻比小男孩還略高,利用率提高了至少10倍以上!利用率高就可以使用更少的核材料達到更大的爆炸威力(比威力),成本也就越低,體積重量也可以相應縮小,所以槍式原子彈也就自然而然被淘汰了(畫外音:其實現在大國都玩熱核武器,原子彈都沒什麼人玩了)。
(內爆式一般是圓滾滾的形狀)


軍武吐槽君


暴躁的“小男孩”

1945年8月為了瓦解日本的抵抗,美國向日本廣島投擲了一枚震驚世界的武器——原子彈。巨大的爆炸威力瞬間摧毀了整個廣島,這是人類第一次將核武器投入實戰。

廣島原子彈代號“小男孩”,是一種使用槍式引爆技術的初級原子彈,爆炸威力相當於兩萬噸TNT當量,以鈾235為代表的核材料在超過臨界質量後就會發生鏈式反應,釋放出巨大的能量。槍式原子彈就是在一塊較小的鈾235後邊放置炸藥,當引爆炸藥後讓這塊鈾235以極大速度衝擊主裝藥,從而達到超臨界狀態,這種類似於槍支發射的引爆方式,就被稱為槍式原子彈。

為了使核武器威力更大,科學家開發出了新的核技術,這就是在長崎爆炸的原子彈“胖子”,胖子是一種內爆式原子彈,通過在核裝藥外部包裹反射層,在反射層外部放置炸藥,通過向心衝擊波衝擊核裝藥從而達到超臨界狀態,引發核爆炸。

試爆的“沙皇炸彈”,這是人類製造的最大威力爆炸

現代原子彈在內爆式的基礎上更進一步,給內爆式原子彈穿上一層氚和氘的馬甲,然後再來一層鈾238的馬甲,這種多相彈(也稱三相彈,看馬甲數量),在整個爆炸過程中,會連續產生裂變--聚變--裂變的反應過程,爆炸威力會得到倍增,而且核爆後的殘留輻射也會更加強烈。

現代核彈頭的威力都相當大,戰略級核武器的威力基本都是十萬噸當量起,前蘇聯更是試爆過五千萬噸TNT當量的巨型核武“沙皇炸彈”。而且大多現代核武器具備多彈頭打擊能力,可以輕鬆摧毀多個目標。全世界現在擁有幾萬枚核武器,這些核武器可以把地球摧毀幾十遍,但願這個魔鬼不要重現人間!

前蘇聯投放的“大伊萬”

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兵器次元


有一些區別的,在廣島爆炸的原子彈是一枚槍式結構的原子彈。

我們來看看結構:

槍式原子彈會利用高能炸藥推動一塊小質量的鈾235塊快速的打入一塊接近於臨界質量的鈾塊上。這樣在打入瞬間整塊的核材料會大於臨界質量引發鏈式反應。

鏈式反應發生後原子彈開始釋放能量。

但問題是這樣的結構實際上對核材料的利用率很低,在大部分的槍式樣爆炸中核材料的利用率是不足千分之三的。也就是說每千克的核材料才有3克參與反應。原因呢很簡單,其他的核材料都在反應的瞬間炸的四分五裂,被炸成小塊的核材料就又小於了臨界值不會發生核爆炸。當然了反應-炸裂的過程都發生於百萬分之一秒內。


簡單的說就是——槍式起爆簡單但是效率極低。廣島原子彈利用了槍式原理實際上是原子彈發展初期的一個最簡單的實驗裝置。那麼它的缺點主要來自於大塊的核材料本身在起爆的時間點是幾乎靜止的。沒有足夠的動量克服核彈爆炸時所產生的巨大壓力,於是就在一瞬間四分五裂了。


現代的核彈很少採用槍式原理進行引爆,大部分核裝置的引爆方式都是使用內爆式起爆原理,看動圖:

內爆式原子彈的最中心部分充滿了分散狀態的核材料粉末,大部分核材料粉末是用泡沫塑料顆粒進行分隔。外部包裹的則是高能炸藥,在高能炸藥起爆的時候,塑料部分燒熔大量的核材料粉末就會被炸藥的爆炸打到中心點,這時這些粉末就會重鑄成一塊緊密而超過臨界質量的核材料,隨即核材料發生爆炸。

這樣的引爆裝置好處是在爆炸瞬間整體的核材料都有一個向內聚集的慣性,在鏈式反應發生的初期,這種慣性維持了整個核材料不至於被巨大的核反應壓力產生的斥力分裂成碎塊。鏈式反應的時間延長了2-3倍,核材料的利用率也達到了千分之七的高度,整體的核彈爆炸威力提高了一倍以上。

我們再來對比一下小男孩核彈和早期的內爆式核彈大小:

我們可以看出內爆式核彈的體積比槍式核彈的體積小了很多。那麼第二個好處則是由於取消了槍式核彈的“炮管”,那麼整體核彈的體積可以儘量的做小,使核彈的載體不再僅僅侷限於巨大的航空炸彈,而是可以縮小成導彈彈頭和炮彈彈頭。這樣以來核彈的使用方式就有了最大的靈活性。

以至於最小的內爆式核彈可以做到利用無後坐力炮進行發射

這點是槍式核彈基本上無論如何也不能達到的。


而著重說現代,現代核武器大部分是氫彈,這點恐怕要引起大家的異議了,不是說只有中國有氫彈麼?事實上包括中國在內所有有核武器的國家都在不停的生產和儲備氫彈。U-235這類的核材料整體丰度很低,而類似於氘這樣的聚變材料多到可以用茶杯到海里去盛,那麼將有限的核材料應用於氫彈比起單獨的製作原子彈要划算的多。因此這也算是題主所問的問題的答案之一。


另一方面還有一種潛在的核材料還沒有能用在核彈上,那就是He3,這種材料聚變產生的能量要遠大於氘和氚。只要今後能夠解決He3的固化問題,那麼一定會出現氦彈。到時候威力恐怕可以做到幾億噸TNT當量。


軍武數據庫


廣島的原子彈是一枚“槍式彈”,而現在的原子彈則多數使用長崎那枚的“內爆彈”結構。這兩者的原理其實是類似的,都是讓高能炸藥推動裂變金屬成了超臨界質量,然後用一個快中子源啟動鏈式反應,同時在外面包裹著一箇中子反射層,讓大量的中子反射回去繼續更多的鏈式反應。

要點就在於,鏈式反應產生的大量熱能吹散這個反應體之前,儘可能多的裂變金屬參與到鏈式反應中,這樣子才能有足夠的能量被釋放。否則爆炸當量就會很小,變成一個“髒彈”。

槍式彈,是使用一小塊遠遠不夠臨界質量的鈾235射入一大塊但是還不夠臨界質量的鈾2235正好達到超臨界質量。內爆彈則是通過四面八方的炸藥爆炸把一塊因為疏鬆達不到臨界質量的鈾或者鈈壓縮成超臨界質量的小團。

槍式彈的問題在於,如果這個入射距離太小加速時間不夠,那麼達到超臨界質量的時間過長(別看萬分之幾秒,這可是足夠被反應熱吹散了),入射速度越快反應率越高。好多回答說了,廣島彈裡60公斤其實只有一公斤裂變了,其餘的都被吹散了……可是如果提高入射速度,那麼這個距離要加大,彈體就太長了……別指望當做導彈彈頭,只能用飛機,而且還得是大型機去扔。

對了,鈈彈不能做成槍式的因為不管怎麼樣都沒法讓鈈240含量太低。這東西可以出現“早燃”,高高興興在鈈239還沒有到臨界時候就反應了,把原子彈吹碎了。槍式彈不可能做成對等兩塊,那樣子達到臨界質量時候的相對速度就悲劇了,反應效率還是會完蛋。

內爆彈沒有這個問題,體積可以做的足夠小。不過難題在於如何確保幾百萬分之一秒內同時起爆周圍一大堆炸藥,否則炸藥起爆不均勻就會把這個小球吹散了,反應率也會非常悲劇……

所以今天的原子彈基本都是內爆彈,沒人用槍式彈了,太大太浪費啊!

至於說增強型原子彈和當量可調型,其實都是根據往這個球體內部塞進去的聚變物質來實現的。


千里巖


現在的“原子彈”,與廣島、長崎的原子彈相比,有以下的根本區別:

首先,我們要知道,現在其實已經沒有什麼“純裂變彈”了。隨著對於“等離子體物理”瞭解的深入,為了提高“核裝料”(就是裂變材料)的“利用率”,目前的“原子彈”(指不是氫彈“被扳機”的部分)作了這些“改進”:

一、全部採用裂變截面大的鈈材料,這樣所使用的“核材料”就少;

二、採用“強點火中子源”,以提高點火時,被壓縮的核材料中的“初始中子密度”,可以大大提高中子倍增的“代數”;

三、內部採用“聚變材料”,使聚變材料與裂變材料一起“被壓縮”,可以大大的增強威力。例如,幾百噸TNT當量的“裂變放能”,可以點燃適當的“聚變材料”發生“熱核聚變”,將總當量提高至萬噸TNT當量。這種“增強型扳機”,在點燃氫彈的“被扳機”方面。有著極大的優勢,所以“第二代核武器”可以做的很小。

其它的我就不知道了。


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