[科普中国]-钚弹

简介

中文名称：钚弹

基本定义：铀235和钚239都可以作为原子弹的装料，用钚239（239Pu）装料的叫做钚弹2。

一颗铀弹的装料大约为15～25kg，钚弹装料大约为5～10kg。

钚弹的原料相对容易获得：钚239，是核反应堆的副产品。当然，如果你不能接近反应堆，也不容易得到它，但世界上有很多核反应堆。如果你能获得反应堆废料，而且懂得足够多的放射性化学技术以免被辐射伤害，那么提取钚239就相对容易了。对流氓国家甚至恐怖分子来说，获得钚239比获得铀235要容易得多。可是，即使你有了原料，用钚制造核弹也非常困难，这似乎是对容易的“补偿”。用钚造核弹需要内爆，那是非常难以掌握的技术。一颗钚弹毁灭了长崎市。

钚239钚元素钚3（Plutonium金属钚），原子序数为94，元素符号是Pu，是一种具放射性的超铀元素。半衰期为24万5千年。它属于锕系金属，外表呈银白色，接触空气后容易锈蚀、氧化，在表面生成无光泽的二氧化钚。

钚有六种同位素和四种氧化态，易和碳、卤素、氮、硅起化学反应。钚暴露在潮湿的空气中时会产生氧化物和氢化物，其体积最大可膨胀70%，屑状的钚能自燃。它也是一种放射性毒物，会于骨髓中富集。因此，操作、处理钚元素具有一定的危险性。

钚和多数金属一样具银灰色外表，又与镍特别相似，但它在氧化后会迅速转为暗灰色（有时呈黄色或橄榄绿）。钚在室温下以α型存在，是元素最普遍的结构型态（同素异形体），质地如铸铁般坚而质脆，但与其他金属制成合金后又变得柔软而富延展性。钚和多数金属不同，它不是热和电的良好导体。它的熔点很低（640 °C），而沸点异常的高（3235°C）。

钚最普遍释放的游离辐射类型是α粒子发射（即释放出高能的氦原子核）。最典型的一种核武器核心即是以5公斤（约12.5×10^24个）钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年，故其每秒约有11.5×10^12个钚原子产生衰变，发射出5.157MeV的α粒子，相当于9.68瓦特能量。α粒子的减速会释放出热能，使触摸时感觉温暖。

元素半衰期

钚-239：2.41万年，常被用作制造核子武器。

钚-238：88年，并放出α粒子。

钚-240自发裂变的比率很高，容易造成中子通量激增。

钚-239钚-239的毒性大，生产成本高，要建造复杂的生产堆和后处理厂，才能实现工业化生产。它是通过反应堆中产生的快中子轰击铀-238人工生产的。中子来源于用于天然铀作成的元

铀-235裂变中子产额为2-3个，这些中子经慢化后会再次引起铀-235裂变。维持这种裂变反应只需一个次级中子就够了，其余的除被慢化剂等吸收掉外的快中子，即可使天然铀的铀-238转化为钚-239了。所以，生产堆中的核燃料元件，既是燃料，又是生产钚-239的原料。钚-239是从乏燃料元件中分离出来的。实际上，生产堆的作用，就是烧掉一部分天然铀中的铀-235来换取钚-239，平均烧掉一个铀-235原子，得到0.8个钚-239原子。

制造钚239是通过反应堆生产的4。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。

把它分离出来需送到专用的后处理厂来分离加工，需要把没有“烧”尽的铀分离出来再利用，还需要把钚-239同其他裂变产物分离开。

后处理方法分为湿法和干法两种。干法尚处于研究开发阶段，目前主要应用湿法。湿法又分为沉淀法、溶剂萃取法，离子交换法三种。其中沉淀法已属陈旧，目前主要应用溶剂萃取法，也称普雷克斯（Purex)流程。其基本原理是利用铀、钚以及裂变产物的不同价态在有机溶剂中有不同的分离系数，将它们一一分开。

钚-239分离出来后，还需要纯化，去除微量杂质，才能作为核武器的装料。我国依靠自己的科技力量，于60年代中期独立开发了萃取法工艺流程，并建成了中间试验厂和大型后处理厂。生产堆的乏燃料经后处理，铀与钚进行分离后，铀-235还有一定的含量，经纯化工序后，再经转换，为扩散厂提供原料。

钚弹的内爆虽然铀235和钚239的核弹都用链式反应，但二者在技术细节上有很大不同。钚是多数核反应堆（包括发电的反应堆）的产物。它与其他核废料一起产生，但可以用相对直接的化学方法分离出来。分离完成后，我们就说核反应堆的乏燃料经过了再加工。这是报纸常见的一个关键词。签署了NPT（核不扩散条约）的国家同意不对乏燃料进行再加工——即提取他们的核反应堆产生的钚2。

再加工比铀分离简单得多，而核反应堆又那么普遍，看来钚弹似乎是巴基斯坦和朝鲜等小国的核弹选择。可钚弹不好设计。因为反应堆同时产生的一种放射性杂质，钚很容易提前引爆（即过早地发生爆炸）。也许就是因为这个，2006年的朝鲜核弹试验失败了。它虽然达到了钚的临界质量，爆炸还不足千吨级。

那种并存在钚弹里的杂质是钚240，也叫重钚。重钚与钚相同，除了多1个中子。这使它具有高度放射性。钚240会自发裂变，不需要中子激发。自发裂变随机释放出中子。你可能以为额外的中子能起什么好的作用，其实它们在帮倒忙。在钚尚未完成整体组装到达临界质量之前，它们就会触发部分链式反应，这些局部的链式反应将过早引爆核弹，在多数能量释放前终止链式反应。

这个问题是在二战期间发现的，曼哈顿计划的科学家们曾一度认为钚弹是不可能的。但后来找到了一个非凡的解决办法：内爆。就是说，将钚铺展成空心球壳，外面用炸药包围。钚周围的爆炸把钚向内压，将它们挤压成非常紧密的一团。经过强烈挤压的钚，原子靠得很近，因而中子没有空间溢出。如果压缩恰到好处，这种状态会很快达到，钚也就来不及提前引爆了。

实现内爆是极端困难的。内爆必须非常精确，所用的烈性炸药必须极其均匀，而且在钚壳的每一边都达到精密的平衡。它们要同时而且均匀地引爆。那需要高度技巧，因为爆炸往往在个别点发生，而不是在整个壳层表面扩展。人们发展了一种专门技术将点爆炸转化为内爆，它被称为爆炸透镜。烈性炸药在某一点引爆，然后聚焦起来，均匀覆盖整个钚壳表面。 要让这一切都正常运转，比为铀弹造一只合适的枪困难得多。它需要顶尖的科学家和工程师，还需要精密的技术（如高精度的烈性炸药加工）、大量的试验，还有大量的金钱。因为这些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚弹来的。它也许需要动用一个国家（如巴基斯坦或朝鲜）的全部资源。即使如此，结果也可能失败。朝鲜在2006年的试验，其爆炸还不足1千吨级，而美国的阿拉莫哥多和长崎的设计是20千吨级。多数专家怀疑朝鲜试验的低能量正是那种失败的结果，可能是在链式反应达到需要的水平之前，核弹就被提前炸开了。

33磅铀235就足够造一个核弹。如果链式反应通过倍增方式进行，那么所有原子只需要经过81代就分裂完了。钚弹只需要13磅，还装不满一只饮料罐。它只要51代就能释放所有能量，因为每次裂变释放的中子数是3而不是2。广岛原子弹是枪式设计的铀弹。长崎原子弹和新墨西哥州试验的核弹一样，是内爆式钚弹。

长崎钚弹爆炸长崎是长崎县的首府，位于日本九州岛的西端，面积406.4平方公里。 1945年，第二次世界大战已近尾声。德国法西斯于5月8日无条件投降。7月26日，美国、英国和中国三国发表《波茨坦公告》，敦促日本迅速无条件投降，但日本政府置之不理5。

8月9日，美军又出动B－29轰炸机将代号为“胖子”的原子弹投到日本长崎市。长崎市约60%的建筑物被毁，伤亡8．6万人，约占全市总人口的37%。8月15日，日本宣布无条件投降，9月2日签署投降书。第二次世界大战至此结束。

美国用原子弹轰炸广岛和长崎，也使日本人民遭受到军国主义者发动侵略战争带来的严重灾难。日本人民成为战争的受害者，同时也亲身体验了原子弹造成的无穷遗患。

1945年8月9日，第2次空投任务落到了第509混成大队斯威尼机组身上。斯威尼曾率领他的机组驾驶"艺术大师"号观测飞机在广岛轰炸中担任轰炸效果观测任务。由于这次"艺术大师"号上仍保留着科学仪表，将再次当作观察机使用。斯威尼只好用另1架B-29轰炸机--"博克之车"作为原子弹载机。8月9日凌晨3点39分，"博克之车"装载着"胖子"从提尼安机场起飞向日本飞去。斯威尼一次次地祷告，希望自己和保罗·蒂贝茨一样幸运。

然而，事情进展得并不顺利。飞机刚起飞不久便发现有一只油箱出了故障，600加仑燃料可能无法使用。斯威尼粗略估计了一下航程，认为燃料基本够用，决定继续飞行。
当"博克之车"飞到硫黄岛上空汇合点时，另外2架提前起飞的观测和照相飞机本应在那里等候与他汇合，可他只遇到了其中1架。斯威尼在那里等候了30分钟仍不见另外1架的踪影，于是毅然朝小仓飞去。9点5分，"博克之车"飞抵小仓上空。这天小仓上空气象条件很差，空中布满厚厚的云层，地面也是浓烟滚滚，能见度极低。"博克之车"在小仓上空盘旋了3周，始终未能找到瞄准点--5号军火库。这时小仓的地面防空部队发射了密集的高射炮火，斯威尼只得提高飞行高度。
当斯威尼决定再一次进入小仓上空搜寻目标时，接到无线电报务员报告：从截获的日本截击航空兵使用的频率看，可能会有战斗机升空拦截。机上一阵慌乱。斯威尼来不及与基地联系便调转机头向西南方向飞去。他决定改为轰炸长崎。离开小仓后他命令向基地发报：小仓上空无法投弹，改炸长崎。10点28分，飞机抵达长崎上空。恰巧这天长崎也是多云天气，第1次进入长崎上空也未能找到目标。燃料表的指针在急骤地下降，斯威尼心情异常紧张，他决定第2次进入时无论如何也要把"胖子"投下去，于是向机上人员宣布：“改用雷达瞄准，准备投弹，返航。”

投弹手克米特·比汉像菲阿比一样也是一位老手。当他正准备换用雷达仪器瞄准时，突然发现身下两块云团之间有一大段空隙，透过空隙可以清楚地看到瞄准点--三菱重工长崎造船厂，他立即通知斯威尼，可进行目视轰炸。10点58分，“胖子”脱离“博克之车”飞向长崎。

投弹后“博克之车”油料已严重不足，在返航途中不得不在冲绳岛紧急着陆，补充油料。“博克之车”经过了20个小时飞行，很晚才返回提尼安岛。“胖子”的爆炸当量比“小男孩”大，但长崎地形三面环山，所以损失小于广岛。

上午11时02分，继袭击广岛之后，美军对日本实施第二次原子弹袭击。由5架B-29轰炸机组成的突击队将原子弹“胖子”投到长崎市中心。“胖子”是一颗钚弹，长约3.6米，直径1.5米，重约4.9吨，梯恩梯(TNT)当量为2.2万吨，爆高503米。轰炸造成长崎市23万人口中的10万余人当日伤亡和失踪，城市60%的建筑物被毁。

广岛和长崎因原子弹轰炸造成的伤害遗留至今，幸存者饱受癌症、白血病和皮肤灼伤等辐射后遗症的折磨。据日本有关部门统计，迄今，广岛、长崎因受原子弹爆炸伤害而死亡的人数已分别超过25万和14万。