原子弹——最简单的真简单

朝鲜半岛近来一直是个热点，特别是在朝鲜于2016年1月6日宣布成功试验了自己第一颗氢弹后，引发国际社会哗然，危机持续加剧。

在热议此事对国际社会、东北亚安全局势影响的同时，不少机构、媒体也对这一声明表示怀疑，认为那只是一次原子弹爆炸，而非氢弹，或者只是一颗助爆型原子弹。

那原子弹和氢弹之间到底有什么差别？为什么会有那样的怀疑？要弄明白这问题，得先知道些原子弹、氢弹的基本原理和结构。咱们下面就稍微聊聊。

先附带说明一下：核弹、核武器，这俩概念还是有区别的。核弹，也叫核战斗部、核弹头，是指采用核裂变或核聚变原理放出能量的爆炸装置。核武器，则是指配备核战斗部的武器系统，比如核导弹，除了核弹头还有火箭发动机、弹体；核炮弹、核地雷，得有适合发射、掩埋的外壳，以及碰炸、压发引信等。

先讲最简单的——核裂变原理，枪式原子弹。

原子弹是利用核裂变释放能量。自然界中某些元素的原子核分裂成两个小原子核后，它们的质量合计起来，要比分裂前的小。多余的能量去哪了？根据爱因斯坦的质能方程，这些消失得质量变成了能量，而且非常大。

比如铀235被一个中子撞击后，会分裂为两个小原子核，比如钡和氪，或者氙和锶、溴和镧。同时放出2、3个多余的中子。1千克铀235全部裂变后放出的能量，接近2万吨梯恩梯炸药！如果用火车拉，足足需要340多节车厢，火车长达5.2千米！

比较常见的裂变原子有铀、钚、钍等。它们各自有多种同位素（原子核里质子一样多，中子数却不一样），秉性也不尽相同。有的自己动不动就裂变，没法控制，所以也不能用到原子弹上。现在原子弹常用的裂变元素是铀235（质子中子一共235个）、钚239。还有铀238，经常作为核弹里的辅助材料。

不过原子弹光有核元素还不行，还要让它们根据人们的控制，能够持续进行裂变反应。比如铀235被一个中子撞击分裂后，会放出2、3个多余的中子。如果这些中子撞击到另外的原子核，引发一次，甚至更多次新的裂变，像链条一样传递下去，就是链式反应。

可如果大多数中子还没撞上原子核，就飞到外面了，裂变反应得规模就没法变大，也就没法形成核爆炸。

如果把这块铀材料加厚加大，裂变产生的新中子，就能在飞出去前，有足够机会撞上原子核，结果一次裂变变成两次，然后变成四次、八次……这就形成了核爆炸。一微秒内，这个数量就能超过2亿亿亿次！基本上一千克铀里面的原子核都能被撞裂。

因此把核材料积累到一定数量，就能产生核爆炸，这个质量就叫做临界质量。最简单的原子弹，就是把两块都不够临界质量的核材料，猛地合到一起。

这叫做“枪式原子弹”，最简单的原子弹。理论上来说，它只需要6个部件就够了：2个分别为临界质量一半重量的铀235，1根钢管，1块炸药，1个雷管引爆器，1个中子发生器。国际政治惊险小说大师，弗雷德里克·福赛思的畅销小说《第四秘密议定书》，就是以此为背景创作的。

它的结构是真简单。但它其实也有两个致命缺点。第一，需要很多核材料。球形是最合理的，能以最小的体积让中子最容易撞到原子核。一般来说，一个纯铀235球体的临界质量约50千克（注意，是正常密度下），钚239球为15～16千克。但这个量的核材料，需要庞大的核工业设施才能提炼制造出来。

第二是效率太低。你可以从上面的动画看出，中子要飞行比较长的距离后，才能撞到原子核，产生下一次裂变，因此链式反应规模扩大的速度不算快。两块铀还没完全合拢前，距离接近到一定程度，自由释放的一些中子就很容易引发链式反应、核爆炸。

所以这样边炸边继续裂变，还有提前爆炸，都会让链式反应的效率比较低。很多核材料还没来得及反应，就被爆炸炸飞了。枪式原子弹中核材料的利用率不到10%。

1945年8月6日美国投到广岛的原子弹，代号“小男孩”，就是一颗枪式铀弹，威力近2万吨梯恩梯当量。但它的核材料利用率不到2%。

核爆炸的临界质量和体积，进而是重量有关。显然球形是最合理的，能以最小的体积让中子最容易撞到原子核。一般来说，一个纯铀235球体的临界质量约50千克，钚239球为15~16千克。

除了体积，密度也是一个重要因素。俗话说，浓缩的才是精华，原子弹也一样。咱们下次讲。