Boom！一种元素的爆炸艺术

作者：老徐诺维奇

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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Boom！

隔壁家化肥炸了！

上世纪70年代末，中国农民刚接触到“硝铵化肥”。这种神奇玩意，让土地一下子产生了新的活力。当然，很少有人去看说明书上“禁止加热，禁止铁锤敲击”的字样。于是，总有那么一些倒霉蛋，发现化肥受潮结块之后，拿火去烤，或者拿锤子，锄头等去砸，结果就是全村吃饭……

硝铵化肥，现在销售的都是钝化过的产品，不能拿去当炸药的，但是同样不建议好事者拿去敲着玩。不管大朋友和小朋友都要牢记（图片来源：veer）

化肥也会爆炸？

因为硝铵化肥的主要成分是：硝酸铵（NH4NO3），它本身就是炸药的一种，加热或者铁锤的敲击，都能引爆它。

氮：爆炸的灵魂元素

爆炸其实就是迅速释放出大量能量，快速压缩周边的固体液体气体，产生并将冲击波传递出去产生破坏效应的过程。无论是压力容器爆破的物理爆炸，还是炸药爆炸这种化学爆炸，还是核爆炸，其实都是一样的道理。

硝酸铵正是一个完美的炸药标本。硝酸铵里同时存在正价（硝酸根的氮）和负价的氮（铵离子的氮），它们正好构成一个氧化还原反应里的应有的氧化剂和还原剂。

在这个反应中，固体硝酸铵瞬间释放出大量气体，体积迅速膨胀。反应同时还释放了大量的热，使气体受热膨胀，局部压力进一步剧烈增大。气体在压力的作用下向四周扩散并传递压力，产生了冲击波和破坏效应，这就形成了爆炸。

如果将爆炸产能的气体进行初步约束，使之不能随意扩散从而得到更强的冲击波，这就是爆炸的入门玩法：炸弹，各种炸弹还可以利用冲击波撒布高速飞行的破片和钢珠来增强杀伤力。如果通过设计将爆炸的冲击波进行有效利用，那就是高级玩法：爆炸成形，它不仅用于破甲弹或者把U235/Pu239小块压成一个高密度的小球，也用于某些特殊金属零件的生产加工。

美军的M8A1“阔剑”定向地雷上的“FRONT TOWARD ENEMY”，翻译成中文就是大名鼎鼎的“此面向敌”。引爆地雷时，从这行字后面飞出的钢珠雨会成为进攻方的噩梦。（图片来源：搜狐网）

现代的各种火炸药大多数都是利用硝基和碳氮分子骨架，在组合类似硝酸铵的氧化还原加大量产气的反应，加上各种助剂，生产出实用的火工品。其中，硝基作为氧化剂和氮气的元素供体，几乎是绝大多数火炸药分子中的必备成分。从这个层次上来说，氮元素就是完美的Boom！元素。

炸药还是肥料，这是一个问题

由于氮分子中两个氮原子结合的非常紧密，早期人类除了利用豆科植物根瘤菌等微生物在土壤里固氮以外，没有其它手段将空气中的氮气转化成动植物所能利用的含氮化合物（了解一下氮元素的奇幻漂流）。除了天然的硝石矿（含氮的硝酸盐矿物）和鸟粪石外，相当长的时间里人类是没有什么能够大量供应“固体”状态氮的手段。所以，能够制造出含氮化合物是农业（化肥）和军工（炸药）的重要保障。

氮元素的天然循环（图片来源：veer图库）

中国硝石资源匮乏，历史上一直都是在天然的氮循环里拼命榨取宝贵的氮元素。但是中国居然点出了火药这个科技树：通过天然材料的混合，组合起氧化剂硝石（天然矿物硝酸盐），还原剂木炭（碳）与硫磺（天然硫），通过硝酸盐氧化碳等化学反应，放出能量和氮气、二氧化碳等气体，没错，这就是“四大发明”里的黑火药。

桶装黑火药,大航海时代的主角之一（图片来源：veer图库）

但是，火药发明大概一千多年后的抗日战争时期，受困于硝石资源的匮乏，敌后战场的八路军依然要通过刮厕所和硝田等一切手段，收集微生物分解有机物释放出的硝酸盐来生产火炸药，用于生产子弹、手榴弹和地雷。此外，使用易燃的硝酸纤维素的电影胶片也是敌后战场极重要的火药原材料（硝酸纤维素的易燃性也是当年电影工厂火灾频发的原因）。这一时期，中国能够获取的氮产物（硝酸盐）基本围绕着战争资源进行，很少能够应用于农业生产。

硝酸盐紧缺的问题一直持续到新中国成立后。在156工程中从苏联引进的几套中小型合成氨和氨氧化制硝酸装置（一般称小氮肥装置）和其后中国自行建设的一些装置，虽然提供了相当的硝酸盐产能，但始终无法满足军工和农业生产的需求。所以在建国初期，以收集和利用粪便和动植物尸体发酵来获取天然氮肥为目的的堆肥、积肥的活动一直是农业生产中的重要工作。

直到上世纪70年代末“四三”工程中从西方引进的十几套大型的合成氨-氨氧化的“大氮肥”装置逐渐投产，大幅度缓解了氮肥供应的紧缺局面，农民只需要去买包化肥撒进田里就行，大大减轻了农业的劳动负担。顺便说，现在中国的化肥产能是世界第一（也意味着炸药产能是No.1）。

谈到工业生产氮肥的技术，就得说到另一个缺硝石的国家：德国。作为近代化学化工强国，德国化学家哈伯点出来了这样的技能：利用空气中的氮和氢气在铁催化下合成氨的哈伯合成法，然后加上铂催化的氨氧化环节，就得到了硝酸。硝酸可以进一步生产各种各样的硝化物，用于工农业和军工。比如硝酸+氨水混合在一起，就能得到前文提到过的又能作肥料又能做炸药的硝酸铵。

在能相对廉价利用空气中的氮元素大量生产化肥和火炸药的技术支持下，耕战所需的氮资源都有了保障，于是德国就有了打两次世界大战的底气（需要注意帝国主义之间战争的非正义性）。

弗里茨·哈伯，合成氨技术的发明人

现代炸药：硝化有机物的主场

哈伯实际上解决了含氮化合物生产的最大难点：资源。在工业合成氨技术还不成熟的时候，炸药之王诺贝尔已经确认：硝化有机物将是炸药的正确方向。

从不安全的硝酸甘油酯（没错，就是心脏病药物那个硝酸甘油）这种随便摇摇烧瓶就能炸的暴躁化合物，到使用硅藻土安定硝酸甘油的黄色炸药，到炸药代言人三硝基甲苯（TNT），再到各种现代高能炸药，硝基几乎永远是必不可少的部分。

TNT，炸药的形象代言人，可应用于一切爆炸场合外，还是爆炸威力的计量单位。（图片来源：veer图库）

经典炸药TNT的特质在于安全，安全就意味着能够广泛应用。这种黄色胶状物很难引爆。它耐冲击，耐热，很适合装填进炮弹弹头里。炮弹过期怎么办？可以用热水蒸汽把TNT融化洗出来就能回收钢材和TNT，而不用冒着销毁不完全的风险引爆销毁。另外，TNT甚至用明火都无法引爆，而是稳定燃烧。抗美援朝战场上的志愿军炊事员拿从美国未爆航弹里拆出的TNT当柴烧，“使用比木柴方便、燃烧稳定、不易灭、烟小”——这和大家印象里的炸药一样么？当然各位读者应该都没有面对过范佛里特弹药量，就不要学着烧TNT了。

引爆！（图片来源：veer图库）

所以TNT通常需要使用雷管作为引爆装置。影视里“3，2，1，起爆，然后压下一个杆状物”的镜头，正是接通电雷管的电路使雷管爆炸从而引爆TNT的操作。雷管里常见的引爆药雷汞，也是从硝酸盐衍生过来的化合物，不稳定，易爆炸。在老军工功臣吴运铎老先生的自传《把一切献给党》里，不止一次提到了雷管突然爆炸受伤的事故。

现代高能炸药，碳环骨架部分往往采用带有张力的环结构，以提高能量密度。比如CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷）的分子骨架具有张力，能够在环解体的反应中放出更多的能量。但是，提供氧化剂的部分还是分子里的多个硝基。与硝酸铵一样，CL-20分子里的硝基不仅提供了氧化能力，还产生爆炸膨胀做功的氮气，所以这是氮不可取代的根本原因。

CL-20的结构，CL-20还存在有性能差异的异构体

当然，能爆炸的分子也有不走寻常路的。有一类化合物的代表实际上离大家的生活更近：汽车的安全气囊需要迅速充气，靠气瓶的充气速度和充气量不足以达到安全气囊的指标要求。那么就只能靠爆炸过程中迅速大量产生气体在撞击瞬间灌满安全气囊，这个救命的炸药就是不含硝基的叠氮化钠（NaN3），它爆炸分解的时候放出的氮气能够满足给安全气囊充气的性能需求。

弹出（炸开）的汽车安全气囊（图片来源：veer图库）

上天也离不开氮

过年时玩的窜天猴，里面是一团黑火药，点燃这团火药产生的推力使之能“嗖”一声飞上天空。而现代的固体火箭，不管是SRB一类的固体助推器、快舟火箭还是各种固体火箭动力的导弹、火箭弹，其实跟窜天猴类似，也是内部充填固体燃料来产生推力。简单来说，固体火箭燃料的本质就是一种猛炸药（如黑索金、奥克托今、以及前面提到的CL-20等）和粘结剂、添加剂混合均匀然后浇铸成一根药柱——确实就是窜天猴里那坨黑火药的高级版。

更先进的固体推进剂意味着需要具有更强大的爆炸性能的炸药。从目前文献和新闻报道中出现的叠氮推进剂、氮阴离子盐等消息来看，未来的固体火箭推进剂不仅离不开氮元素，反而进一步增加了氮元素在分子里的比例，在分解燃烧的时候能产生更多的氮气，放出更多的能量，从而提供更强的推力。

至于含氮的液体火箭推进剂，读者们应该对四氧化二氮加偏二甲肼这对搭档非常熟悉。氧化态氮的四氧化二氮和还原态氮的偏二甲肼混合产生剧烈的氧化还原反应，放出大量的热和气体，这就是火箭飞行的推动力。

发射神舟飞船的长征2F运载火箭，燃料是四氧化二氮和偏二甲肼（图片来源：人民网）

就算不爆炸，也一样能量澎湃

最后，来一点不是炸药，但是一样充满了能量的东西吧！

敦煌100MW光热电站（图片来源：中新网）

这是位于甘肃敦煌的100MW塔式光热熔盐电站。它通过反射镜聚集阳光加热塔顶的集热器，然后通过塔下5800吨熔盐储能，驱动蒸汽轮机转化为电能！这种电站使用的熔盐正是熔盐级硝酸钾。

2019年，敦煌这个“超级镜子电站”实现满负荷发电，夏季工况下24小时连续发电突破180万千瓦时。这标志着我国成为世界上少数掌握大规模熔盐塔式光热电站成套核心技术的国家。它充分利用了沙漠地区的土地和光照资源，并可减少相当的数量的碳排放和环境污染。

光热式电站和光伏发电的本质区别在于，光伏发电是通过半导体元件直接进行光-电转换，存在白天和晚上的发电峰谷变化，对电网来说不够友好；而光热电站是通过众多的反射镜反射阳光，用熔盐存储热量，在没有光照的夜间也能够利用储热进行发电。

光热式电站的投入使用，标志着我国已经比较好地解决了熔盐对管路的腐蚀问题。这个技术难点的攻克，还意味着另一个充满能量的科技树也被打开了——钍基熔盐堆。钍基熔盐堆的核燃料钍232的地质储量远大于铀235，意味着核电所需的矿产资源将不再是瓶颈。

在我国钍基熔盐核裂变堆的技术研发过程中，使用的无放射性熔盐就是硝酸盐，然后再使用硝酸钍或者氟化钍核燃料熔盐进入裂变产能环节。在中科院先导专项“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”的技术支持下，我国已经在极度缺水的甘肃民勤地区建设全世界第一个第四代先进裂变核能技术的钍基熔盐堆示范核电站。这个核电站的建设，摆脱了传统核电站离不开自然水体作为冷却水的地理布局限制，也为我国内陆干旱贫困地区将自然条件劣势合理转化为优势，进行地区产业脱贫提供了一条新的路线。