假如我左右手各拿一个1/2临界质量的铀235半球,用力合起来会爆炸吗?
左右手各拿一个1/2临界质量的铀235半球用力合起来只满足了核爆炸的条件之一,因此不会发生爆炸。
不论是核爆炸还是传统化学爆炸都需要满足三大条件:1、爆炸性物质;2、氧气;3、点燃源。
核爆炸是一个由传统化学炸药引发核装药发生核裂变的能量释放过程,这就意味着“左右手各拿一个1/2临界质量的铀235半球用力合起来”只满足了条件1中的核装药,尚缺“引发核爆炸”的传统化学炸药以及条件3中的“点燃源”(引爆传统化学炸药的条件)。
因此两块核装药合在一起以后只会以链式反应的方式发生核辐射,核能在核辐射中缓慢释放能量,无法像核爆炸那样瞬间把能量释放完,也就是说不会发生核爆。
核爆炸发生过程是这样的:起爆器向传统化学炸药里的引爆雷管通电→雷管得电起爆,引爆炸药→炸药爆炸,释放的能量形成一个高温、高压环境,压迫两块或者数块临界质量核装药高速碰撞→核装药爆发核裂变反应,瞬间把能量以等离子体的形式释放出来→核爆炸完成。
完成整个流程一共耗时约8微秒,为了尽可能地向核装药提供压力更大、温度更高的爆发传输能量,“传统化学炸药”并不是普通的TNT炸药,因为TNT炸药的爆速只有6920米/秒,必须使用威力更大的炸药,比如说黑索金。
▼下图为枪式核弹爆炸原理图,图中的“常规炸药”指的就是传统化学炸药,核装药必须在常规炸药的驱动下才会引发核爆炸,这一点与炸药必须用雷管才能引爆的道理是一样的。
黑索金炸药又名“旋风炸药”,爆速达到了8650米/秒,威力是TNT炸药的1.58倍,而且极易引爆,用8磅大锤重重一敲就会发生爆炸。
现代小型化的核弹甚至使用了爆速接近10000米/秒的奥克托今炸药,这是一种迄今为止人类合成出来威力最大的化学炸药,在此之前核爆炸需要10公斤黑梯炸药来触发,而奥克托今炸药只需3~5公斤就能达到这个效果。
可见核爆炸是需要炸药爆炸来触发的,而且必须是威力巨大的高能炸药才行,很显然双手再用力也不可能达到高能炸药8000米/秒的力量,更不可能因此创造一个高温环境来为核装药提供核爆炸所需的能量。
用高能炸药来触发核爆炸发生的专业术语叫做“爆轰”,在核武器研发过程中,“爆轰实验”是最关键的一个环节,它的成败将直接决定核爆炸是否成功。
所谓“爆轰”又称爆震,是一个伴有大量能量释放的化学反应传输过程,高能炸药起爆时会产生爆轰波,当爆轰波扫过后,介质成为高温高压的爆轰产物。
而爆轰试验则是一种研究核爆炸化学炸药驱动核爆炸的学术实践行为,比如我国在研制第一颗原子弹时就进行了数百次1:1冷爆试验才确定炸药设计方案的。
1:1冷爆试验是通过使用按照原子弹的1:1比例制造出来实验装置来实施模拟爆轰,实验装置中使用钨钢来模拟核装药承受爆轰波冲击,根据钨钢受爆轰试验影响情况来制定核装药起爆设计方案。
▼下图为原国营221厂的爆轰试验靶场遗址,红色圆圈指示的是用于静态爆轰试验的支撑塔,科研人员躲在后面的钢质工事内观察爆轰效果,为了获取最佳的炸药设计方案,211厂先后从数百次爆轰试验中选取了效果最好的608、610、614、636、651、656工号方案供我国第一颗原子弹设计参考,最后选定了614号方案,它的外形就是图中那种原型。
化学炸药对核装药的爆轰效果决定了核爆炸的成败,而化学炸药的设计优劣则决定了核爆炸的能量释放效果。
比如说二战末期美军投向日本的两颗原子弹,其中的广岛原子弹核装药重达60公斤,由两块重量均为30公斤的临界质量铀235半球组成,驱动核爆炸的化学炸药为黑索金+TNT炸药制成的“黑梯炸药”,装药量约300公斤。
该型核弹理论威力为5.5万吨TNT当量,然而实际爆炸时所释放的能量只相当于1.5万吨TNT当量,造成核装药没有完全释放能量的原因正是化学炸药设计不完美。
倘若60公斤核装药全部释放能量,那么威力就可能达到百万吨TNT当量,这也是战后各个有核国家不断进行核试验的原因之一,即不断优化化学炸药设计,提高对核装药的爆轰效果,进而使核弹实现小型化。
比如说美军W80-4型战术核弹头,它的威力可在5000吨TNT当量到10万吨TNT当量之间可调,而实现威力可调的原因正是通过调整化学炸药起爆角度,从而以不同的爆轰效果获得不同的核爆炸威力。
▼下图为拥抱着W80-4型战术核弹头的美国核武器专家,该型核弹头主要配备在“战斧”式巡航导弹上,是世界上最先进的小型化战术核弹头之一(氢弹),它能实现威力可调的原因就是传统化学高能炸药爆轰角度的改变,高能炸药不同的爆轰角度可获得不同的爆轰效果,核爆炸的威力也就各不相同。
综上所述我们可以得到这样的结论
第一、左右手各拿一个1/2临界质量的铀235半球用力合起来是不会发生爆炸的,这是因为铀235核装药需要高能化学炸药爆炸的高温高压爆轰下才会触发核爆炸,双手的力量远远低于高能炸药,并不能满足核爆炸的所需条件。
第二、化学炸药对核装药的不同爆轰效果可触发不同威力的核爆炸,当化学炸药爆轰效果足够好时,核装药就会迸发大量核能,产生威力巨大的核爆炸;当化学炸药爆轰效果较差时,核爆炸的威力就小;当化学炸药爆轰效果极差时则有可能不能触发核爆炸。
结语
能量既不会凭空出现,也不会凭空消失,核爆炸的过程可以视为能量传输以及能量释放的过程,化学炸药的爆轰本质上是为核裂变提供反应能量。
缺少了这股巨大能量的传输,核物质就没有发生核裂变爆炸的动能,而“双手用力合起来”的行为虽然为核物质输入了一定的能量,但是这股能量实在是太小了,并不足以触发核爆炸。
如果仅凭“双手用力合起来”就能触发临界质量核装药发生核爆炸,那么核武器研制的门槛就没有那么高了,搞不好造起来比普通炸弹还容易,很显然这是不切实际的。
▼下图为位于美国内华达州的核试验靶场,美国人在这里进行了600多次核试验,为计算机模拟推演软件设计采集了大量原始参数,如此之多的核试验次数只为验证传统炸药优化设计后的爆轰效果,为核弹小型化打下了坚实的基础,这也是美国能成为核武器技术领先国家的原因,如果只是双手用力一合就能发生爆炸这么简单,那么这些核试验就该是多余的圈圈了。