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水也有輕重之分?制造核武器為何要重水?

水也有輕重之分嗎?當然,平日里我們所喝的水就是“輕水”,而與之相對的則是“重水”。

什么是重水呢?顧名思義,就是比普通的水要重,我們日常所飲用的輕水的分子質量為18.0153,而重水的分子質量為20.0275,可以看出,重水比輕水的質量高出了約11%,這多出的質量是哪來的呢?其實就是中子的質量。在自然界中存在著各種各樣不同的元素,比如氫元素、氧元素、碳元素以及鐵元素等等,每一種元素都是由相應的原子所組成的,而原子又是由原子核與電子所組成的,在原子核之中又存在著質子和中子,其中質子的數量就決定了元素的種類,比如擁有一個質子的就是氫原子,而擁有兩個質子的就是氦原子。

在自然界中除了有許多不同的元素之外,同一種元素還有著數種不同的同位素,而這就是由中子數量所決定的了。

比如氫擁有三種同位素,即氕、氘和氚,這三種同位素都擁有數量相同的質子,也就是一個質子,但氕的原子核中只有一個質子,而沒有中子,氘有1個中子,而氚有2個中子。由2個氕原子與1個氧原子所組成的水分子的分子式就是我們熟悉的H2O,也就是最常見的最普通的輕水,而有2個氘原子與1個氧原子所組成的水分子的分子式則寫為D2O,這就是重水,因為重水比輕水多了2個中子,所以質量自然也就要大一些了。

雖然只比輕水多了2個中子,但重水就不再是“生命之源”了,不僅不是生命之源,飲用重水還會導致死亡。

不過我們并不需要擔心,因為在自然界中,重水的比例是非常少的,它們混雜在輕水之中,但比例還不足0.02%。重水雖然不能喝,但卻有其它用途,比如原子彈的制造。原子彈是一種利用核裂變反應而產生巨大破壞力的武器,其威力主要來自于內部的“裝藥”,目前可用于原子彈裝藥的元素有兩種,即鈾235和钚239。無論是采用哪一種元素,都必須要進行提純。以鈾235為例,它在鈾礦中的比例只有0.7%,其余都是鈾238,而要制造核武器,鈾235的濃度至少要提純到85%以上,這還只是理論上的最小值,實際制造原子彈的過程中所需的純度還要更高。

為了提高鈾235的濃度,就必須使用大量先進的氣體離心機進行反復濃縮,這對于很多國家而言都是一道難以逾越的門檻。

如果使用鈾235作為原子彈的裝藥,那么就用不上重水,但如果使用钚239,重水就是必不可少的。與鈾235不同,鈾235在自然界中是存在的,我們要做的就是設法將它與鈾238相分離,但钚239并不存在于自然界之中,它完全需要人工制取,怎么做呢?這就要從鈾238說起了,原子彈威力巨大是因為利用了“鏈式反應”的原理。

所謂鏈式反應,簡單講就是鈾235吸收了中子之后會發生裂變,釋放能量并拋出2個中子,這2個中子又會被其它鈾235所吸收,牽一發而動全身。

但與鈾235混在一起的鈾238也會吸收中子,但它吸收了中子后不會裂變,會直接變為鈾239,鈾235裂變所產生的中子被鈾238悄無聲息的吃掉了,鏈式反應便不能達成。對于鈾235而言,鈾238是多余的,但在制取钚239方面,鈾238卻大有用處。鈾238吸收中子后會變為鈾239,鈾239不穩定,會通過β衰變而成為镎239,镎239再一次衰變就可以生成钚239了。制取钚239需要用到原子反應堆,而原子反應堆根據所使用的冷卻劑不同,又可以分為輕水反應堆和重水反應堆。

輕水反應堆和重水反應堆都可以制取钚239,但是輕水反應堆制取的钚239卻無法用來制造原子彈。

這是因為在輕水反應堆中生成的钚239還混有大量的钚240。钚240是一種極不穩定的元素,會時不時出現自發裂變,如果钚239之中混入的钚240太多,你我都知道將會發生什么,那就是不可預測的隨時自爆。所以钚239中的钚240含量超過19%就是必須填埋處理的廢材,7%到19%之間可以用作燃料,而要想用來制造原子彈,钚240的含量必須控制在7%以下,輕水反應堆是絕對達不到的,所以想要制造原子彈就必須用重水反應堆來制取钚239。為什么钚240含量超標就一定要填埋,不能繼續提純?钚239和钚240之間只差了1個中子,這就好比一個牛群中有幾頭牛比其它牛少了一根牛毛,想把它們挑出來,根本不可能。

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