为什么核武器使用金属铀或钚而不是氧化物?能用氧化物代替金属吗?

时间:2020-07-10 09:21:37   作者:
因为核武器正试图获得一个非常快的,不断增加的反应速率(超临界反应),以便在炸弹被摧毁之前从它那里获得大量的能量。与炸药不同的是,核武器是一种复杂的核反应堆,它只能在核燃料处于临界质量时才能工作。

由于炸毁一枚核弹所需的能量比炸毁一座城市所需的能量要少,所以你需要在核弹自行解体之前从核弹中获得摧毁城市的能量。

(如图:核爆炸1毫秒后,核弹就脱离了临界质量。事实上,这个地方大约有100英尺宽,核碎片之间的距离太远,无法维持超临界核反应。幸运的是,对于武器设计者来说,炸弹完成了它的任务,产生了足够的能量来摧毁一座城市。

为什么核武器使用金属铀或钚而不是氧化物?能用氧化物代替金属吗?

为了使核弹产生令人满意的超临界核反应,核弹使用了许多不同于核反应堆的特性:

核弹试图紧紧压缩其裂变材料,因此释放的任何中子都有可能击中燃料原子。

在核武器内爆阶段,核“坑”的核心可以达到铀或钚自然密度的4倍。考虑到地球的镍铁内核,在地球所有的重量挤压下,它的密度只能增加1。5倍。

完成这一任务的特征包括一个精心设计的常规爆炸物外壳、一个“夯土机”(一种用厚重材料制成的外壳,可以减慢压缩坑的回弹速度)和一个中子反射器(因此任何逃逸的中子都有可能有第二次分裂原子的机会)。

核反应堆不会内爆它们的燃料,也没有填塞器,而且从一个关键的结构中炸开实际上是一种安全特性。如果一个核反应堆像切尔诺贝利一样“打嗝”,那么这个反应堆将不再维持裂变反应。

核武器不使用低浓缩或不纯的燃料。

武器的最低铀同位素浓度约为铀235的80%或钚239的93%;任何较低的位置,武器都需要一个不实用的大核心。

与此同时,核反应堆在3-5%的浓缩水平下运转良好,但它们并不想让反应速度像核武器那样快。

核武器对杂散的同位素也非常敏感。武器级钚主要是Pu-239 (93%+);常见的污染物是钚-240,它非常敏感,会导致过早爆炸——炸弹在达到最大功率之前就会爆炸,就像下面提到的慢化武器一样。

另一方面,反应堆并不(太)关心污染物。可以调整它们来运行那些有问题的同位素。事实上,现代反应堆可以在各种超铀同位素的“混合氧化物”上运行。

核弹的核心不会充满水(或其他冷却剂)。

反应堆中的许多原子都是水原子,它们沿着燃料棒组件流动,带走热量,降低中子速度。

这些原子使燃料原子之间的距离大大降低,当反应堆运转不端时,中子的速度可以控制系统和人类作出反应。这些在核武器中都是不可取的。

制造节制核武器的尝试已经失败;至少有一次测试射击让它的测试塔保持了原样。减慢和缓和中子的速度需要太长时间,炸弹在完成核反应之前就爆炸了。

从以上几点可以看出,核武器更倾向于纯的、高密度的可裂变同位素,这些同位素会发生内爆,形成非常密集的结构。

能用氧化物代替金属吗?

如果你把铀或钚转化成它们的二氧化物,你会发现核中的2/3原子不是可裂变原子。他们非裂变氧气。它们是氧原子,使裂变原子在爆炸时不会紧靠在一起。所以,不,你可能不能在核武器中使用氧化物。
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