六氟化铀气体在加压下,被迫通过一个多孔隔膜,含有铀235的分子通过多孔隔膜稍快一点,所以每通过一个多孔隔膜,铀235的含量就会稍增加一点,但是增加的程度是十分微小的。
要获得几乎纯的铀235。
就需要让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。
赵卫东知道气体扩散法投资成本很高,耗电量很大,但这种方法仍是实现工业应用的唯一方法。
原子弹的另一种重要装药是钚239,钚239是通过反应堆生产的,在反应堆内,铀238吸收一个中子,不发生裂变而变成铀239,铀239衰变成镎239,镎239衰变成钚239。
由于钚与铀是不同的元素。
因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚,但钚与铀之间的分离,比起铀同位素间的分离来却要容易得多。
因而可以比较方便地用化学方法提取纯钚。
铀233也是原子弹的一种装药。
它是通过钍232在反应堆内经中子轰击,生成钍233,再相继经两次β衰变而制得,从上面可以看到,后两种装药是通过反应堆生产的,它们是依靠铀235裂变时放出的中子生成的,也就是说,它们的生成是以消耗铀235为代价的,丝毫也离不开铀235。
从这个意义上来说,完全可以把铀235称作“核火种”。
因为没有铀235就没有反应堆,就没有原子弹。
就没有大规模的原子能利用,有了核装药,只要使它们的体积或质量超过一定的临界值,就可以实现原子弹爆炸了。
只是这里还有一个原子弹的引发问题,也就是如何做到。
不需要它爆炸时,它就不爆炸,需要它爆炸时,它就能立即爆炸。
这可以通过临界质量,或者临界尺寸的控制来实现,从原理上讲,最简单的原子弹,采用的是所谓枪式结构,两块均小于临界质量的铀块,相隔一定的距离,不会引起爆炸,当它们合在一起时,就大于临界质量,立刻发生爆炸。
但是若将它们慢慢地合在一起,那么链式反应刚开始不久。
所产生的能量就足以将它们本身吹散,而使链式反应停息,原子弹的爆炸威力和核装药的利用率就很小。
这与反应堆超临界事故,爆炸时的情况有些相似。
因此关键问题是要使它们,能够极迅速地合在一起。
这可以将一部分铀放在一端,而将另一部分铀放在“炮筒”内,借助于烈性炸药,极迅速地将它们完全合在一起,造成超临界,产生高效率的爆炸,为了减少中子损失,核装药的外面有一层中子反射层。
为了延迟核装药的飞散,原子弹具有坚固的外壳。
1945年8月,美国投到日本广岛的那颗原子弹,代号叫“小男孩”,采用的就是枪式结构,弹重约4100公斤。
直径约71厘米,长约305厘米。
核装药为铀235,爆炸威力约为14000吨梯恩梯当量,在枪式结构中,每块核装药不能太大,最多只能接近于临界质量,而决不能等于或超过临界质量,因此当两块核装药合拢时。
总质量最多只能比,临界质量多出近一倍。
这就使得原子弹的爆炸威力受到了限制。
另外在枪式结构中,两块核装药虽然高速合拢,但在合拢过程中所经历的时间仍然显得过长,以致于在两块核装药尚未充分合并以前。
就由自发裂变所释放的中子引起爆炸。
这种“过早点火”造成低效率爆炸,使核装药的利用率很低,一公斤铀235(或钚239)全部裂变,大约能释放18000吨梯恩梯当量的能量,一颗原子弹的核装药一般为15~25公斤铀235(或6~8公斤钚239)。
以此计算,实际上“小男孩”的核装药利用率还不到百分之五。
铀在正常压力下的密度约为19克/厘米。
在高压下,铀可被压缩到更高的密度。研究表明,对于一定的裂变物质,密度越高,临界质量越小。
根据这一特性,在发展枪式结构的同时,还发展了一种内爆式结构,在枪式结构中,原子弹是在正常密度下用突然增加裂变物质数量的方法来达到超临界,而内爆式结构原子弹则是利用突然增加压力。
从而增加密度的方法达到超临界。
在内爆式结构中,将高爆速的烈性炸药制成球形装置,将小于临界质量的核装料制成小球,置于炸药中。
通过电□□同步点火,使炸药各点同时起爆,产生强大的向心聚焦压缩波(又称内爆波),使外围的核装药同时向中心合拢,使其密度大大增加,也就是使其大大超临界。
再利用一个可控的中子源。
等到压缩波效应最大时,才把它“点燃”。
这样就实现了自持链式反应,导致极猛烈的爆炸,内爆式结构优于枪式结构的地方,在于压缩波效应所需的时间远较枪式结构合拢的时间短促,因而“过早点火”的几率大为减小。
这样,内爆式结构就可以使用,自发裂变几率较大的裂变物质,如钚239作核装药。