原子弹的威力上限——50万吨TNT当量

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原子弹因为核裂变材料在超过临界质量的情况下就会自发地进行链式核裂变,也即核弹爆炸,因此存在威力上限,这个上限一般认为是50万吨TNT当量。

在核裂变领域,存在着一个极其重要的概念临界质量。临界质量指的是维持核子连锁反应所需的裂变材料质量。当裂变材料低于临界点时,裂变会随时间减少,称之为次临界。对于核裂变材料,只有当它的质量达到或超过临界质量时,才能产生链式核裂变,也即核弹爆炸。

核材料裂变的原理很简单,就是一个中子撞击一个铀原子,铀原子被打碎成2到3个小原子,在这一过程中除了释放出大量能量外,还会再来再跑出来2到5个中子,而这些中子会继续撞击其他铀原子,随着中子数量的不断增加和撞击的不断加速,就会导致不可控的链式核裂变反应诞生,这就是原子弹爆炸的原理。

不过,并不是只要把铀235堆在一起就能够发生链式裂变反应。首先铀235虽然属于辐射材料,无时无刻不在向外散发中子,但是由于原子核的体积只占据铀原子的一小部分,因此中子并不能马上撞击到原子核,如果核材料的体积太小,这些中子在还没偶遇到原子核之前就会飞到空气中去,所以这就必须要求核材料必须具备一定的体积。即使是武器级的核材料,其纯度也不能达到100%,如果残留一些铀238,只有速度在2200米/秒以上的快中子撞击才能引发核裂变。而如果核材料中还拥有一些诸如硼之类的成分,还可能将散射出来的中子吸收掉一部分。因此要发生链式核反应,核材料还必须保有一定的质量,只有质量够了才能够散发出足够的中子,才能让链式核裂变反应持续发展下去,而满足这两个条件其实就是让中子增殖系数大于1,这就是所谓的临界质量和体积。

因此,在原子弹当中,原子弹内部的核材料在引爆以前必须维持在次临界。一般而言,原子弹内部的核材料一般都会被分割成数块分开保存,而且每块核材料的质量都必须维持在临界以下,而原子弹的引爆原理其实也很简单,就是通过起爆炸药将分散的处于次临界状态的核裂变材料挤压到一起,提高他们的密度,从而达到超临界质量,最后发生爆炸。因此,原子弹的威力是不可能无限增加的,一般认为其上限为50万吨TNT当量左右,理论上限是80万吨TNT当量,而添加了一定量的热核材料的“增强型原子弹”的威力上限也很难超过150万吨当量。

不过,对于依据核聚变原理制造的氢弹而言,就没有这方面的顾虑了,所以氢弹的威力是没有上限的。核聚变并不需要中子的撞击,充分必要条件就是高温高压加聚变材料,而聚变材料的重量和体积也并没有上限,比如,当今世界已知威力最大的氢弹——苏联的沙皇炸弹——威力就已经达到了5000万吨TNT当量,而且这还是在自我约束下造出来的,因为如果威力继续增加,当威力到达1亿吨以上的时候,这威力甚至会影响到地球的自转速度,到时候一天的时间可就不是24小时了;如果把这种氢弹自重做大到数百吨,当量将达到数亿吨,一旦引爆将严重影响地壳的稳定和全球气候的变化。

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