【腦洞系列】原子彈能有多小?一粒米大小的原子彈,爆炸威力有多大?

天空之城 2021/01/25 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知识不会,只是姿势不对;科学凡此种种,用人话讲才能听懂

文/天空之城

 

原子彈並不能做到很小,氫彈也不能。不管是核聚變還是核裂變,不是一塊核材料就可以引爆的,還需要週邊引爆結構。光這些結構就不是一粒米能裝下的。

眾所周知,原子彈是利用核裂變材料的鏈式反應短時間內釋放出巨大的能量而產生毀滅性傷害的一種武器。雖然很少的核物質就能發生鏈式反應,但是要引發這種反應,必須用傳統的化學炸藥作扳機,產生高溫高壓進行引爆。

此外,核材料雖然是固體,但要想引發鏈式核裂變反應,產生核爆炸,核材料需要保證一個最小的質量,這個質量被稱作臨界質量。這也是原子彈不能做得很小的原因。

原子核是由質子和中子構成的,而中子不帶電很容易打進原子核,從而引發核裂變反應。因為原子核非常小,要保證有足夠多的自由中子擊中原子核發生裂變,而不是大量中子從核材料中逃逸出來,所以核材料就必須有足夠的大小,也就是達到臨界質量,才能引發鏈式裂變反應。

臨界質量的大小取決於核材料的種類、富集度、幾何形狀、有無中子反射層等因素。

在有鈾238做中子反射外殼的前提下,且富集度在90%以上,球形鈾235的臨界質量為15千克,球形鈈239的臨界質量為5千克。高濃度鈾的提純十分不易,15公斤鈾大概需要3000噸鈾礦石。

如果想要原子彈中的核材料的填充量小於臨界質量,也不是不行,比如可以使用更好的中子反射材料。

正因為如此,所以原子彈不可能做到一粒米的大小,至少以人類現在的科技完全做不到。

那麼世界上最小的原子彈有多小呢?世界上有史以來最小的原子彈是M388「大衛·克洛科特」核炮彈,長78釐米,直徑最粗處僅28釐米,整顆炮彈的質量僅有23千克。它是世界上最小的戰術核武器,有10噸和20噸的可選當量。有趣的是這個炮彈爆炸後的威力半徑大於射程。

雖然造不出來,但是我們可以從理論上計算一下這一粒米大小的原子彈所能釋放出的最大能量。

一粒米的體積為0.003立方釐米,而鈾的密度為19克每立方釐米,那麼一粒米大小的鈾235材料的質量為0.057克。

鈾235裂變時理論上質量虧損0.094%,那麼大約虧損0.00005358克的質量。根據愛因斯坦的質能方程E=MC^2,這麼一點質量會產生4822200000焦的能量。

按約定,一克TNT爆炸時會釋放4184焦耳能量。那麼米粒大小的鈾原子彈理論上大約能產生1。15噸TNT爆炸當量的能量。

1噸多的TNT發生爆炸,絕對能把一座大樓炸平。

不過,原子彈的實際爆炸威力遠達不到上述水準。首先核燃料做不到100%純度,其次這些核材料還來不及反應就被炸飛了。

世界上第1枚用於實戰的原子彈叫小男孩,被投擲到了日本廣島。小男孩總共裝填了60千克的鈾235,不過由於槍式原子彈質能轉換效率低,估計只有700克鈾235發生了裂變反應。雖然只有700克,但就是這麼一點質量卻釋放出了相當於1.5萬噸 TNT爆炸當量的能量。也就是說,一克鈾235發生裂變反應,就相當於21噸TNT爆炸的能量。

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