为什么非要用铀和钚来做原子弹?其它放射性元素不行吗?

其它核材料不好制作原子弹(或者没有达到武器级别)的第一个问题就在这里,因为许多放射性元素的临界质量非常大,如果作为原子弹材料,你可以想象它的体积有多大。

理论上其它一些放射性元素也是可以的,比如现在已经进行过实验的铀233,还有镎237和一些镅的同位素。

但是,几乎没有一个比铀235和钚239更适合的了。

如果使用一个核材料制作核弹,那么它必须符合一个条件,那就是引发核裂变的链式反应。

简单的说就是,核材料在裂变中释放的中子,至少能在另一个原子核中产生核裂变,这样我们就只要提供一个原始的中子就好了。

但是,如果中子失去的速度比它们由裂变形成的速度快,链式反应将不能自我维持。在链式反应正好可以自我维持的时候,这个时候被称作临界质量。

其实,非放射性现在不能成为核材料也可以归结为这一点,因为这些元素的临界质量是无限大的。

其它核材料不好制作原子弹(或者没有达到武器级别)的第一个问题就在这里,因为许多放射性元素的临界质量非常大,如果作为原子弹材料,你可以想象它的体积有多大。

铀235的临界质量是52kg,而钚239的临界质量只有10kg,之所以铀233被证明是武器级核材料,很大一部分原因也是它的临界质量只有15kg。

还有一点,不同同位素是有着不同的临界质量的,而且很多放射性元素的同位素临界质量也是无限大的,比如铀238。

从这里也不难发现,元素是否放射性和是否作为核材料是两码事,而达到武器级别又是另一回事,本质原因是裂变和衰变涉及到原子核的基本力是不同的。

当考虑临界质量的时候,其实我们现在已知的放射性元素中,就已经没有几个符合武器级别的了。

虽然少,但还是有的。

之所以铀235和钚239成为最普遍的核武器材料还有其它两个重要原因——相对好获取和半衰期足够长。

上面这个表格里是临界质量相对小的核材料,你不难发现,其中一些半衰期是很短的,有一些一年都不到。

这种情况是不利于储存的,今年造好的原子弹,明年它的原材料就变成了不能引起链式反应的其它元素。

另外一点是相对容易提取,这个也很好理解。

大部分放射性元素都是人工合成的,而人工合成的元素都有一些相似的问题,就是制造不容易,提取很难,但是消失却很快。

比如我们前面所说的镎和镅就都是人工合成的,镎的大部分同位素都是半衰期极短——几天的那种。

镎237的半衰期是很长了(上面表格里的第四个,半衰期2,144,000年),但是获取它是个大难题,现在它应该都没有成为交易品被明码标价。

镅的一些同位素是有明码标价的,但很贵很贵,我查到镅241的单价是每克1500美元左右。要制作原子弹的话,光这些核材料的成本估计就是百八十亿。

而铀235就不一样了,它是天然存在的,在天然铀矿中大约有0.7%的铀235,而其它几乎都是铀238。

看着好像不多,但这个成本已经比那些人工合成的要低许多了。

钚239是在核反应堆中通过铀238吸收中子而人工生成的,它获取的成本也相对较低,所以它也是不错的材料。

作者:怪罗科普

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