什么是重水？制造原子弹为何要重水？只有钚弹才需要

创作时间:

2025-01-22 19:20:44

作者:

@小白创作中心

什么是重水？制造原子弹为何要重水？只有钚弹才需要

重水曾经用于生产类似“水门”的能源，而现在这种物质则被应用于更高端的领域。
这混合物的高度精密性是怎么样的？

为何要利用它来生产能量并引爆原子弹？
有人提到只有钚弹才需要重水，这是出于什么原因呢？

重水的基本信息

重水是一种与普通水极为相似的液体，普通水的化学式为H2O，而重水的化学式则为D2O。
我们都知道，普通水中由于氢元素的存在，会形成氢键。不同氢元素之间通过相互偶极的吸引力，构成了稳定的水分子。

氘替换氢后，尽管氘和氢的物理和化学特性相似，但其质量却是氢的两倍，因此会导致H-O-H三体分子在空间中形态发生变化。
由于H-O-H是一个不对称的三原子分子，中心的氧原子倾向于带负电，而含重氢的两个氢原子则带有正电。
这样能够建立两对相互吸引的氢键，形成比常规水更为稳定的结构。
因此，重水与普通水的沸点存在差异，重水的沸点是101℃，而普通水的沸点则为100℃。

从理论上讲，重水并没有什么特别之处，它的密度仅比普通水稍微大了一些，因此也被称为“重水”。
重水从普通水中提取而来，因此分离重水和普通水的难度非常大。
一般情况下，高纯度的重水也会略微具备透明性，其化学性质与普通水相似，对大多数物质有一定的溶解度，同时也很难被其他物质溶解。
重水与普通水一样，具有很高的惰性，因此在日常生活中几乎没有可行的重水分解方法。

重水的历史应用

重水在历史上曾被用作氢弹的制造材料，甚至还有日本为了研究核武器专门采购了一批重水。
当时，重水也被用于日本的冶金行业，用于生产碳酸氢铵。

重水还被用于加拿大的发电厂，产生了非常丰富的能量。
这种能源被称为“水门”，而作为这种能源的重水在当时与黄金同样珍贵。
尽管这种昂贵的能源被用于电厂发电，但在海湾战争期间，重水作为一种珍贵的物质，被应用于抗氧化剂作为消炎药物使用。

重水在原子弹制造中的作用

重水的主要功能是协助人们研究原子的结构，但由于自然界中重水的含量极为稀少，因此将其提纯到足以用于生产原子弹的水平确实相当困难。
然而，高价的纯净重水仅占重水总量的3％，在人们的使用中逐渐减少。

随着重水的供应减少，其价格持续上涨，一般价格已达到每吨2400万元，比黄金还要昂贵。
重水价格的上涨让一些反对核武器的人获得了可观的利润，有人将其称作“反核产业”。
在原子弹的制造过程中，重水能够增加中子的裂变数量，同时中子还能促进反应的进行。因此，只要中子不断释放，反应就能够持续进行下去。
制造原子弹时所使用的重水，是因为它在这一过程中扮演了关键的角色。

原子弹释放能量的方式是依靠大量中子的释放以及大量铀或钚的裂变过程。
然而，冷中子释放的速度极其缓慢，且其能量也较低，因此它很容易被原子核所吸收。
因此，在原子弹爆炸过程中，需要一种物质来弥补这个缺陷。
重水在引爆原子弹时起到了催化剂的作用。原子弹内部的铀或钚发生裂变，释放了大量高能中子，这些中子大多数是高能的热中子。裂变还会释放出许多高能量的热中子。
这些热中子与周围的原子核发生高速碰撞后，极易被吸收，因此这些热中子无法被大量的铀和钚所吸收，导致能量无法释放。

在这种情况下，重水被需要去扮演辐射带的角色，能够中和热中子的能量，并导致高能量的热中子以冷中子的速度释放出来。
重水是一种“高效”的中子吸收体，且在释放中子后不会造成任何影响。

钚弹的制造

在理论上，只要在原子弹装置中添加适量重水作为中子裂变介质，实际上钚弹所需的重水量较大，因为钚弹的生产成本极高。
随着重水的枯竭，生产变得极为艰难。

普通的工业生产线一年能生产出的大约也是碗口大小的数量，而且这只是全球的总产能。
在制造钚弹的过程中，重水变得尤为重要。
钚弹的工作原理与原子弹大致相同，但钚弹主要是通过钚与中子之间的反应来加快中子的释放。

然而，钚是一种稀缺资源，因此，制造钚弹的关键依然是依赖铀或钚首先释放一些反应以进行生产。
一般来说，制造钚弹的主要费用是生产巨大的核弹，再从爆炸后的碎片中提取出钚用于制作钚弹。
用于制造钚弹的重水，尽管在原子弹试验中使用的频率已经非常低，但在原子弹和氢弹的生产过程中，重水始终作为一种重要的介质发挥着作用。
在1950年之前，全球尚无有效的原子弹试验方案被设计出来。而印度提出的将重水引入原子弹的这一方法，简单而直接，重水的加入能立即产生效果。
这也是印度人最终能够制造原子弹的重要因素之一，重水可以中和所释放的热中子，而其他常见的原子弹制造材料则无法发挥相应的作用。