為什麼非要用鈾235和鈈來做原子彈?

寒風


最初選擇鈾是碰巧而已。

1934年,33歲的羅馬大學教授費米在約里奧居里夫婦的實驗基礎上,改用中子來轟擊元素,連續轟擊了鋁、鉛、鈾、鉑等二十多種元素,很遺憾,轟擊大多數元素都沒有發生裂變反應,只有鈾釋放出了新的粒子,費米意識到中子和鈾發生了核反應並且產生了新的元素。

圖釋:諾獎得主,美國原子能之父——美籍意大利物理學家費米

當時核物理理論遠沒有現在的發展的這麼好,鈾235可以說是通過轟擊不同種的材料精心挑選出來的。

自1945年7月16日美國第一顆原子彈實驗成功,到現在已經過去了70多年,現在看來被轟擊的其它元素也有的可以發生裂變,只是中子的能量不夠,發生裂變的概率很低,檢測技術也相對落後,並沒有檢測到而已,但是目前原子彈的材料依然是鈾235和鈈239。主要的原因如下:

一、其他材料造的原子彈轟炸機帶不動。

鈾235和鈈239的容易發生核反應,用專業術語表達就是核反應截面大,反應截面的含義是核反應發生的概率,鈾235和鈈239同屬於易裂變核素,鈈的反應截面更大,鈈發生核反應時放出的能量更多。

圖釋:中子轟擊鈾235動圖演示

如果選用其他的材料,臨界體積將非常大,這樣造出來的原子彈連戰略轟炸機和巡航導彈都無法帶動,不符合實戰中要求的小型化、精準化,那隻能是花拳繡腿,不實用。

圖釋:鈈239

二、鈾235和鈈239相對容易獲取。

前段時間回答過怎麼樣提煉鈾235,讀者評論難度堪比提煉黃金,其實比提煉黃金更難,但這已經算相對容易的了,鈾235在鈾同位素中佔0.72%。

目前發現的易裂變元素就這麼幾種:鈾235、鈾233,鈈239,鈾233,這三種核素只有鈾235是天然存在的,其它兩種是人工核素均為人工核素,鈾233需要釷232俘獲中子後再經過兩次β衰變生成,鈈239需要鈾238俘獲中子後再經過兩次β衰變生成,這兩者都需要反應堆才能合成,鈈彈威力更大,我國第一座生產鈈的反應堆建在酒泉基地。

圖釋:人工合成鈈239核反應示意圖

因此選擇了鈈239和鈾235,今天的科普就到這裡了,更多科普歡迎關注本號!


核先生科普


原因有三方面,一是自然界中存在或是獲取較為方便。鈾235自然界中就存在,鈾礦之中含量0.72%(已經很高了好嗎),而鈾礦中極大量沒用的鈾238(千分之993)和有用的鈾235(千分之7)混雜在一起

要費力兩者就需要幾萬臺離心機上百萬次離心才能得到純度90%以上的鈾235(武器級鈾)

生產每一公斤武器級鈾需要消耗鈾礦石200噸(然而並不影響鈾235成為成產最容易的武器級核原料)

而鈈239雖然是人工核素,但生產較為方便,產量可觀。

一般可以使用提煉鈾235的副產物鈾238和少量鈾235通過快中子反應爐產出鈈239

(老毛子家的增殖爐,有用核燃料越燒越多~)

二是他倆臨界質量小~做原子彈的材料從理論上來講,受到其原子核受到快中子撞擊可以穩定裂變就OK了,換個說法就是核燃料最小起爆質量。鈾235是52千克,鈈239只有10千克,特別容易達到小型化,所以各國才花大力氣讓鈾通過快堆變成鈈239。而鈈242臨界質量75~100千克,鎇243更過分臨界質量達到了180-280千克,裂變材料還是核心部件,也就是圖裡的藍圈部分

若是那這倆做裂變材料,為了壓縮這倆大爺,核彈裡面普通炸藥量將大大增加,核彈體積也要大大增加,到時候洲際導彈被更重的彈頭壓成了粗粗小短腿,轟炸機被尺寸更大的核彈撐成了大肚皮,

這到底是人性的缺失還是道德的淪喪?

三是他們半衰期較長

鈾235半衰期長達704,000,000年,鈈239也長達24,110年,而雖然有些核素臨界質量也小,也可以人工核反應獲得,但半衰期太短了。比如鈈241有14.3年,鐦252才2.6年,想想要是用90%的鐦252造原子彈,今年造完,大後年鐦含量才45%,原子彈變髒彈,驚不驚喜意不意外?


瘋狗的輕武


也不一定是非得用鈾235做原子彈,還可以用鈈-239。

用其他放射性元素恐怕就不是最好的選擇了。

先簡單的說一下什麼叫核裂變吧。

核裂變就是一個較大的原子彈啪唧一下子碎了,成了兩個較小的原子。就和家裡摔盤子是一樣的。

鈾235是一個基本穩定的元素,半衰期長達703,800,000年。但是當一箇中子高速的擊中鈾235的原子核後,這枚鈾235的原子就會變成了一個鈾的同位素——鈾236。這是自然界不可能存在的元素,因為鈾-235在捕獲一箇中子後原子處於激發態,絕大部分的鈾-236會立刻裂變成氪92和鋇141。同時會釋放出3箇中子完成裂變的過程 292+141+1+1+1=236等式成立。

在裂變過程中放出的三個中子會繼續擊中其他鈾235的原子核使反應次數成指數級增長。

在自然界的各種元素中鈾235和鈈239的原子最容易被中子打碎並放出大量中子。原因是由於這些元素的原子核在各種能量級別的中子命中後都可以發生裂變,有的原子核被中子擊中只會產生+1的同位素,有的原子核被中子擊中後會裂變但是不繼續放出中子。而真正可以引發鏈式反應碎裂並放出中子的元素並不多。鈾235和鈈239以及鈈241都是不多的元素中的一份子。

因此各種原子彈會大量的選用鈾235作為其主要的核材料。同時由於鈾235在天然氣鈾礦中含量高達0.72%因此通過離心機或激光富集還是相對比較好收集的。


對於其他的放射性元素不是裂變鈈放出中子就是被中子擊中只能增加原子量,那麼就很難形成核爆炸了。做原子彈當然也就鈈選這種材料了。


軍武數據庫


小學畢業不懂這些,太高級了


作一晚泥工


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主要是因為“裂變截面”的原因。中子入射到原子核上的時候,不是一定會發生裂變核反應的,大部分中子都是“被散射”了,只有很少一部分中子才被原子核吸收了。但吸收之後,也不是全部裂變,可能是隻放出γ射線。這些核反應,都是有固定“幾率”的,核物理學上把這些“幾率”稱為“核反應截面”。當然,這些“核反應截面”的數值,其實是很小的。一箇中子入射到一平方釐米的面積上,只放有一個原子核時,截面的數值一般只有10的負24次方的量級,稱為一個“巴恩”。

這樣,要想發生鏈式裂變反應,就需要選擇那些能夠發生“中子誘發裂變反應”,而且“裂變截面大”的那些核素作為核燃料。那麼,鈈-239的裂變截面最大,達到了七百多個“巴恩”,其次是鈾-235,達到了五百六十多個“巴恩”,再次是鈾-233,達到了五百二十多個“巴恩”。其它核素的裂變截面就很小了,例如鈾-238,在快中子入射下,裂變截面才十幾個“巴恩”,而釷-232,才幾個“巴恩”。所以都不能作為裂變核燃料。

當然,這些核素都是放射性的,所以,還要挑那些半衰期足夠長的核素。例如鎿-238,中子誘發裂變截面達到了1800多個“巴恩”,比鈈-239要大多了。但它的半衰期只有兩天多,很快就會衰變殆盡,就無法作為核燃料了。而鈈-239的半衰期為兩萬四千多年,鈾-233為十五萬九千年,鈾-235就更長了。所以,只有這三種核素可以作為核燃料。


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因斯坦的質能方程揭示了質量和能量的關係,理論上來說任何微小的質量都對應著巨大的能量,但實際應用和理論總會有一些差別 二戰時期的原子彈與現在的核電站都是利用重核裂變的原理來釋放能量的,美國當初投在廣島的“小男孩”就是一顆以鈾235為裂變原料的原子彈,第二次投在長崎的“胖子”是以鈈239為裂變原料的原子彈。

早期的原子彈之所以要選擇鈾和鈈作為裂變燃料就是因為它們需要的溫度和壓力都是當時的技術條件能達到的,鈾235為原料的原子彈爆炸方法非常簡單,只需要將總質量16.9公斤以上的兩塊鈾235以高速撞到一起就能觸發不可控的鏈式反應,也就是原子彈爆炸。



鈈239為原料的原子彈需要的質量比鈾彈少而且威力還比鈾彈大,拋開戰爭因素不談,和平年代的核電站主要目的是讓鏈式反應可控且平穩的運行下去,同時還需要釋放可觀的能量,不然就虧本了。


現在我們能做到的只有可控核裂變,能量釋放更為可觀而且無汙染的可控核聚變還在實驗階段,暫時無法投入商用,而鈾和鈈的半衰期長且穩定性強,儘管核廢料的汙染性仍然無法解決,但核能最為人類安全係數最高的能源,還是被各國所青睞。 現在有些國家已經開始嘗試用釷元素實施可控核裂變了,畢竟它的含量足夠豐富而且要比鈾元素更加安全


許胖的故事


我也不是學理科的學哲學經濟的,完全是個人感興趣,蒐集了一些二手資料。主要是是從三方面因素來考量,一是錒系元素的半衰變性,二是可獲得性,三是裂變鏈式反應的過程的可延續性,既熱能點裂變截面系統規律,也就是裂變截面大小。

首先一個鈾238的半衰期經4.468*109年,鈾235的半衰期7*108年,鈈244半衰期是8.2×107年,碘的半衰期為8天,最小的釙216:0.16秒,從數字看出並非裂變截面越大越好,時間過短也不具有適用性。

從統計意義上講,半衰期是指一個時間段T,在T這段時間內,一種元素的一種不穩定同位素原子發生衰變的概率為50%。“50%的概率”是一個統計概念,僅對大量重複事件有意義。當原子數量“巨大”時,在T時間內,將會有50%的原子發生衰變,從數量上講就是有“一半的原子”發生衰變。在下一個T時間內,剩下未衰變的原子又會有50%發生衰變,以此類推。但當原子的個數不再“巨大”時,例如只剩下20個原子還未衰變時,那麼“50%的概率”將不再有意義,這時,經過T時間後,發生衰變的原子個數不一定是10個(20×50%)。


經過核濃縮後濃度大於90的高濃縮鈾才能被當成製造武器的主要原料。再者鈾的自然儲備直接決定了能否開採足夠數量用以作為核能原料的主要來源,作為錒系元素自然界儲量非常微小,除了鈾元素外鈾只需要提純,幾乎其他的都需要實驗室人工合成,鈈元素可以通過鈾235元素中子撞擊鈾238裂變反應後獲鈈239,比較著名的作為核電站的快中子增值核電站。

以一個核燃料循環的過程為例,熱能點裂變截面系統規律的影響,直接影響最後裂變反應堆的延續,時間過快鈾不能夠完全釋放能量和釋放中子,需要經過重水反應來減慢反應速度。

世界對核能的利用都屬於高度關注的地步,我國也對核能進行保護式的利用,但我國由於儲量上僅僅佔了世界第十位所以不具有開發利用核能的先決條件,技術上又不具有先天優勢,所以僅僅在少數地區開發和利用核能,由於美國以及世界各國對核的擔憂,開發核能僅僅代表幾個大國的意願不具有普遍代表性。

希望自學沒有誤人子弟。


小沈與小黑殿下


這個圖很有創意


解讀地震我最牛


因為鈾233,鈾235,鈈239是易裂變核素,可以用慢中子誘發核裂變的鏈式反應,應用於核能領域和製造核武器。其它人造超鈾元素也可以製造微型反應堆及微型核武器,熱核武器的微型扳機,強中子源。如鎇245,鐦252等人造超鈾元素,它們可以用於氫彈,中子彈的微型扳機,微型原子彈。


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