生产原子弹为什么要用重水
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发布时间：2023-07-12 02:45
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时间：2024-06-04 07:20
生产原子弹为什么要用重水
很多人认为生产原子弹主要是用重水反应堆的副产品钚来制作钚核心原子弹。其实这是一种相对比较片面的想法。重水在核工业中的作用要比很多人想像的大得多。
先说下重水堆吧：重水反应堆是利用重水（D₂O）作为中子减速剂的一种反应堆。其实是大家最应该发展的一类反应堆。在铀235原子捕获中子*后，可以产生的中子一般都会具备较大的能量，但是能量过大的中子可以直接将原子核打碎，但很难让铀原子核在*的同时放出额外的中子。这里就需要让中子的速度在一个合适的速度窗口内。重水在反应堆内就可以有效地作为一个中子减速剂。它的减速效果就比传统的轻水（H₂O）要好得多，可以有效地增加反应堆的密度，800MW的反应堆就可以轻而易举的建立出来。而且重水堆并不挑剔燃料，最低丰度的0.13%的铀燃料都可以在重水堆里面发电。
但是重水堆也有不好的地方，就是中子的速度对于铀原子太合适了，容易让铀238捕获，从而生成铀239，铀239经过一系列的嬗变就会形成制造原子弹的材料钚239。
这也是很多人反对重水堆的一个原因。同时，重水堆还有一个产物就是超重水（T₂O），这个反应产物中的超重水中的氚虽然和氢弹中需要的氚是相通的，但是，利用重水反应堆所能获得的氚量太大，制造氢弹的实际氚需求很小，并没有真正的意义。更多的超重水则会泄露到环境中造成放射性污染的安全隐患。
关于大家认为“生产原子弹需要重水”的一个原因，主要是因为在二战期间盟国炸毁了挪威的一个重水工厂的故事所了解到的。其实纳粹德国的确是利用了挪威的重水工厂来进行核武器相关的研究。但是如果用挪威重水工厂生产的重水来制造原子弹，则是完全不可能的事情。
原因是，挪威的这座重水工厂，日产量仅仅有4公斤。而一个重水反应堆最少的重水需求量是15吨，这间工厂日夜不停地生产重水需要生产10多年才可以满足一座可以制造钚-239重水反应堆的需求。
其实在整个二战期间纳粹德国也就获得了半吨重水。
那么重水在生产原子弹的过程中除了制造钚239还有什么其他的用途呢？主要在当时的核工业中用来制造氚。在反应堆中利用核燃料裂变产生的中子其实只有很小的几率在重水中产生超重水。但在1930年代末期就已经有了更高效的从重水中制造氚元素的方式。就是用重水和锂反应生成氘化锂，然后将氘化锂在适当的环境下辐照使氘转化成氚。固体在辐照中的转化效率是液体的重水（D₂O）转化效率的几百倍。然后再通过氚化锂与盐酸的反应生成超重水，最终再电解出氚气。
这些氚气混合了氘气体后，在等离子状态下加速就可以释放出大量中子。这些中子恰恰是早期原子弹的核板机。
在早期核弹的设计中还有一种用到重水的地方，道理也和重水反应堆类似。在核弹材料中增加氘的含量。这样可以做到让原子弹爆炸过程中所产生的快速中子减速，产生更多适合核材料原子所能捕获的慢中子，从而扩大核材料的利用率。例如早期的MK12核弹
它的核心就是一个氘钚核心，当量可以达到14000吨，但核心的大小仅仅是当年传统钚弹（例如胖子）的40%，这就变相的提高了钚的利用率。在1954年之后美国大量使用这种技术，让自己的核弹数量猛增。但这种核弹虽然核心小，但是需要比传统钚弹更加复杂的起爆系统。
直至后来钚的产量上来了，这种设计的核弹才逐渐退役。
二战时期检测浓缩铀的气相检测仪
当然了，少量的重水在核工业中还会用作气相检测剂，这个其实就很好玩了，你用离心机来浓缩铀的时候，最终的产物到底是百分之多少浓度的铀？谁知道呢？检测这些铀产物中铀235的浓度就会利用一种气相检测仪的设备，这个设备中的溶剂就是重水。
所以说如果石油是工业的血液，那么重水就是核工业的血液。它们不仅仅是用来制造钚的，它们几乎贯穿了整个核武器的生产流程。
