為什么原子彈如此厲害

為什么原子彈如此厲害

1939年8月2日，愛因斯坦致函時(shí)任美國總統(tǒng)羅斯福，建議搶在德國之前制原子彈。原子彈為什么那么厲害，讓各國爭搶研制？那么，時(shí)代發(fā)展到今天，有比原子彈更厲害的東西嗎？未來我們又能科學(xué)利用這些“危險(xiǎn)品”嗎？

一顆原子彈死了20多萬人

1945年8月6日早上，日本廣島市的防空雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了一架美國B-29轟炸機(jī)。5分鐘之后，原子彈在廣島上空600米高度處爆炸。

這顆代號(hào)“小男孩”的原子彈只有3米長，4噸重，其中核燃料鈾-235的質(zhì)量只有60千克，可是它爆炸的威力相當(dāng)于13000噸TNT炸藥，是整個(gè)東京大轟炸中所有炸彈總能量的8倍。爆炸產(chǎn)生的沖擊波摧毀了半徑2000米內(nèi)所有木質(zhì)結(jié)構(gòu)的建筑物，中心溫度超過3000℃，都把房屋磚瓦氣化了。據(jù)日本方面統(tǒng)計(jì)，7萬名廣島人立即死于這次核爆，如果算上后來因?yàn)楹溯椛涠赖娜藬?shù)，因這顆原子彈爆炸而死亡的總?cè)藬?shù)達(dá)到了20多萬。

原子彈的殺傷力還不是最厲害

為什么原子彈這么厲害？因?yàn)樗尫诺哪芰縼碜院肆炎儭：四苁窃雍说慕Y(jié)合能，而我們?nèi)粘Ｋ玫母鞣N能量，包括來自食物、燃油和普通炸彈的能量，都是化學(xué)能。而原子彈的能量釋放效率要高得多。

在鈾-235的裂變反應(yīng)中，一個(gè)中子擊打在它的原子核上，把這個(gè)大原子核分裂成兩個(gè)較小的原子核和兩個(gè)新的中子，反應(yīng)后粒子的總質(zhì)量減少了一點(diǎn)。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2，這些減少了的質(zhì)量來自原子核結(jié)合能的改變。僅僅一個(gè)鈾-235原子核的裂變就能產(chǎn)生2億電子伏的能量——相比之下，單位分子的TNT炸藥爆炸的化學(xué)能只有幾個(gè)電子伏。

盡管人們關(guān)于核動(dòng)力飛機(jī)的暢想一度中止，但核動(dòng)力能源密度大的誘惑一直都讓人們躍躍欲試——從理論上講，一磅（大約454克）濃縮鈾可以驅(qū)動(dòng)一架飛機(jī)繞地球飛數(shù)十圈

一次裂變反應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)多出來的中子又可以讓其他鈾-235原子核裂變，這樣一級(jí)一級(jí)傳下去就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。廣島原子彈的爆炸時(shí)間只有百萬分之一秒，在核彈炸開之后鏈?zhǔn)椒磻?yīng)只能進(jìn)行81級(jí)，只有2%的核燃料來得及完成裂變。如果讓這些燃料都充分裂變的話，原子彈的威力將至少是同等質(zhì)量TNT炸藥的1000萬倍。

原子彈的殺傷力還不是最厲害的，現(xiàn)在大國核武庫的主力是氫彈，它的威力可達(dá)原子彈的1000倍。與原子彈的核裂變不同，氫彈依賴的核反應(yīng)是核聚變：氫原子的兩種同位素（氘和氚）在高溫高壓下聚合在一起形成一個(gè)氦原子和一個(gè)中子，并釋放更高效率的能量。中國曾經(jīng)在1976年試爆過一顆千萬噸級(jí)TNT當(dāng)量的氫彈。

史上最大的氫彈實(shí)驗(yàn)是蘇聯(lián)在1961年完成的，它的當(dāng)量達(dá)到了5000萬噸，相當(dāng)于廣島原子彈的4000倍和整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)所用炸彈總量的10倍。這次爆炸毀壞了數(shù)百千米內(nèi)的房屋，其產(chǎn)生的暴風(fēng)一直吹到了1000千米之外，甚至造成整個(gè)蘇聯(lián)境內(nèi)無線電中斷1小時(shí)。

未來20年，核動(dòng)力飛機(jī)上天？

像這樣巨大的核能用于武器已經(jīng)沒有多少實(shí)戰(zhàn)意義，人們更關(guān)心的是怎么把它用在能源上。如核動(dòng)力能幫助飛機(jī)實(shí)現(xiàn)載重大、不耗油、可連續(xù)十幾年在不加油的情況下進(jìn)行全球快速運(yùn)輸。如果核動(dòng)力貨運(yùn)飛機(jī)出現(xiàn)，那么它就可節(jié)約大量的燃油，減少二氧化碳等氣體的排放。

不過，知名航空專家、《航空知識(shí)》雜志副主編王亞男表示，因核動(dòng)力而來的核安全管理問題正是核動(dòng)力飛機(jī)迄今未能問世的根本原因，且不提成本，其管理難度之大難以估量。此外，核動(dòng)力航母和核潛艇可以利用取之不盡的海水來冷卻堆芯，而在飛機(jī)上的核反應(yīng)堆，只能采用氣冷技術(shù)，這在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平上也難以企及。真正阻礙核動(dòng)力飛機(jī)出爐的原因，則是替代品洲際導(dǎo)彈的出現(xiàn)。可攜帶核彈頭的洲際導(dǎo)彈可以大量部署在核潛艇、航母和陸地上。此時(shí)，用核動(dòng)力飛機(jī)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略轟炸就顯得效率低下了。

盡管人們關(guān)于核動(dòng)力飛機(jī)的暢想一度中止，但核動(dòng)力能源密度大的誘惑一直都讓人們躍躍欲試——從理論上講，一磅（大約454克）濃縮鈾可以驅(qū)動(dòng)一架飛機(jī)繞地球飛數(shù)十圈。而前景更為誘人的核聚變，則給核動(dòng)力飛機(jī)帶來更多的想象空間。因此，盡管困難重重，核動(dòng)力飛機(jī)也一直并未淡出工程師們的視野。

除了核動(dòng)力飛機(jī)，汽車也被列入核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)之列。早在上世紀(jì)50年代福特汽車就推出了世界上第一款核動(dòng)力概念車，名為Nucleon。福特的設(shè)計(jì)師計(jì)劃在兩個(gè)后輪之間加裝核反應(yīng)堆，并以鈾元素的核裂變?yōu)槟茉矗瑥亩阉兂筛邏赫羝偻苿?dòng)渦輪葉片驅(qū)動(dòng)汽車。然后蒸氣在冷卻之后返回核反應(yīng)堆里面再次加熱。只要核燃料還沒用完，它就能不斷發(fā)出動(dòng)力。

另外一款核動(dòng)力概念車“CadillacWTF”的設(shè)計(jì)者是一位藝術(shù)家，在他的構(gòu)想中，車身中部一個(gè)釷元素反應(yīng)堆可以為那些驅(qū)動(dòng)輪提供源源不斷的動(dòng)力，在不添加燃料、免維護(hù)的前提下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100年。

原子能真的適合作為汽車的能源嗎？至少在人類目前已經(jīng)掌握技術(shù)的前提下，這是不切實(shí)際的。該車設(shè)計(jì)者提到的釷燃料實(shí)際上是釷-232，人們無法直接使用釷-232通過原子反應(yīng)產(chǎn)生能源。并且，藝術(shù)家描繪的小型反應(yīng)堆現(xiàn)實(shí)中不存在，產(chǎn)生足以驅(qū)動(dòng)一輛汽車所需能量的反應(yīng)堆至少需要數(shù)十噸。

人類以核作為動(dòng)力的歷史才有60多年，未來核技術(shù)的發(fā)展也許會(huì)出乎今日我們所預(yù)料。而人們關(guān)于核動(dòng)力的使用也超出了今日核技術(shù)的發(fā)展，而是存在于幻想之中，而幻想恰恰是人類進(jìn)步的原動(dòng)力。

（《中國科學(xué)報(bào)》2015.8.4、《科技日報(bào)》2017.8.10）