很久之前有地攤兒文學在說目前只有中國有30顆氫彈,其他的國家因為氫彈難以儲存就把氫彈全部除役了。這得感謝我們的于敏結構……
而事實是現在世界上合法擁有核武器的幾個大國武器庫中的核彈幾乎都是一水的氫彈,原子彈反而少之又少了。
說到這裡,其實還真有個梗,就是“核彈的儲存壽命比較短”。至今發現還沒有任何人把這個問題當作一篇文章來寫。那麼今天W君就給大家聊一下為什麼核彈儲存壽命比較短。
一枚核彈的儲存壽命是由三個方面決定的。
第一個是核材料核心的穩定性,通常的情況下,鈾核心的核武器穩定性還是很高的。這主要是由於經過濃縮後的鈾235本身是一種極其穩定的元素同位素,半衰期高達7000萬年,本身自己只會形成自發衰變或者放出少量的a粒子。而且鈾的大部分同位素都有很長的半衰期,最短的(鈾234,自然丰度0.005%)也有2.45萬年的半衰期。而且鈾作為核武器有著天然優勢——達到臨界質量的視窗極大,在設計核武器的時候鈾彈也就成了很多國家入門核武器俱樂部的入場券。
相對於鈾來說,更容易獲得的鈽就有了問題,一枚鈽彈的成本大約是鈾彈的1/20-1/50,極其廉價,和鈾比簡直就是白菜價。
並不像很多人網傳的“鈽甚至比鑽石還貴,11釐米的一個球就價值幾十億美金”。
真正的鈽239在商業市場上是按克來賣出的,每克的價格為46美元,但是由於這種東西有放射性並且可以製造核武器,都是對客戶限量購買的,一些研究機構可以購買1克-2克的鈽239用於研究。為了安全保管和運輸,這些鈽的樣品包括了防止核洩漏的容器和檢驗裝置價格賣到了4000美元一份,但更多的是盒子錢而不是珠子錢(買櫝還珠的梗)。並不能說一克鈽的價格是4000美元,要是這樣的話,造核武器的國家經濟上就不能承受了。
和鈾不同,鈽在製造核武器的時候雖然有成本優勢,但是它也有先天的劣勢——鈽-240的摻雜。
在核反應堆中生產鈽的過程是利用慢速中子轟擊鈾238原子。這時候鈾238就會立刻變成鈾-239,然後鈾239經過β衰變丟掉一個電子變為了錼239,錼239再經過一次β衰變就形成了鈽239
公式就在上面,這是一個理想的情況,但好巧不巧,在核反應堆裡面有的鈾238原子會在幾乎同時被兩個中子擊中。這時候就會最終產生鈽240。這是一種核彈內的汙染物,有著很高自發裂變率(半衰期只有6561年),在衰變的時候會放出中子。這些中子還會進入鈽-239的原子中誘發鈽的消耗。經過實驗證明,在鈽核心內如果有超過7%的鈽240存在,鈽核心會在30年內完全失去作用,而即便是在30年內起爆這種含有超過7%的鈽240核心,其當量也會下降數十倍。這也就是核彈儲存期30年的一個資訊來源了。
好在,由於鈽這種元素的化合物價電子成多樣性。
價電子又多少受到原子核內的中子數量影響,這就讓鈽-239和鈽-240的分離可以形成一個完整的化學分離方式,也就是萃取。利用不同化合物的不同溶解度將這兩種同位素迅速的分離出來。
以至於現代鈽239的分離已經是一個化工廠規模的工業生產過程,所以我們得到高純度(99.99%)級別以上的武器級鈽239。這比當年97%就叫武器級鈽的純度要高了很多。因此目前鈽彈的儲存壽命意境達到了千年以上。而剛剛說的46美元一克的價格就是現在高純鈽239的價格。
核心的穩定性現在是保證的,第二個則是中子源的壽命。
目前核武器的中子源和最初設計的時候別無二致,還是釙(Po),這個東西和鈽(Pu)讓很多國人弄混了,經常說鈽是世界上最毒的元素,其實鈽不應該背這個鍋,大家說的最毒的元素是釙。這個東西是居里夫人發現的,用來紀念波蘭就起名叫釙(Polonium)。最初是在鐳礦中發現的這種元素,釙的半衰期只有125天,當時居里夫人發現這個元素的時候是由於鐳礦本身的放射性直接產生的。由於半衰期短,自然存量少,釙的價格要遠遠遠遠高於鈽的價格。在二戰期間每克釙的價格在70萬美元。釙價格最為緊俏的1952年,飆升到過1000萬美元一克的價格,原因就是當時大家都知道了,釙是製造原子彈的關鍵材料。而且1000萬美元一克的價格還是有注水的,因為當年最大的釙生產國是蘇聯。這個東西在上世紀50年代是蘇聯在賣。每年賣出100多克。
直到1958年透過迴旋電子加速器加速a粒子轟擊鉛或者鉍可以產生釙的試驗成功。也就是上面的圖片,一個鉛靶被a粒子轟擊後,表面呈現出深灰色的釙薄膜,再透過化學萃取的方式就可以得到純釙。
這時候,釙的價格就整體崩潰掉了,現在只要十幾萬美金一克。
在核彈裡面會用到多少釙呢?不論克算。引爆一顆標準的6公斤鈽核心,只需要大約20微居里的釙元素。和牛頓一樣,偉大的物理學家名字都是“單位”,1居里是1克鐳的放射性活躍度。“1微居里”大約是1微克鐳的放射性活躍度。釙的放射性活躍度是鐳的29115倍,這樣大家就能理解核彈裡面的釙是多小的一個重量單位了吧?
釙這個東西只有半衰期,但是沒有臨界質量,確切說也有,也論公斤計算——1.74公斤。和20微居里的量來說還差著天文數字級別的差距。
而且這個東西便宜了,可以輕易獲得,因此現在釙不僅僅是軍用,甚至利用強大的電離特性還被做成汽車用的火花塞,工廠檢測用的放射源
130天換一次,屬於耗材。而且釙是完全放開購買的。只要單個裝置的放射活性不超過19微居里就可以不限量購買。為啥是19微居里?剛剛提到了20微居里以上是可以可以引爆核彈的。
軍用核彈內的放射源也是東西,因為便宜了,新的核彈的內部放射源遠遠大於20微居里的含量,通常都是依據鈽核心的壽命做等量填充。雖然半衰期在125天,但是填個100年的中子源也沒有多少錢。
第三個其實才是真正制約核彈壽命的因素——結構穩定性。
這就很好理解了,你蓋了一個樓、修了一座橋,往往在一段時間之後樓和橋就會塌掉。即使是風不吹、雨不澆這些建築物也會倒塌。唯一需要等待的就是“一段時間”,原因在於內應力。核武器是一個精密加工製造的產物。在製造過程中積累應力會在一段時間後逐漸地導致核武器結構有一點點的變化,恰恰是這一點點的變化會導致核武器在起爆的時候達不到當時的設計當量。
這個問題在早期並沒有太多的解決方式,只能不斷地去檢測核武器的各種數值。這些檢測為的就是將內應力的影響儘量地消除掉。
但隨著計算機技術的發展,很多有限元分析用到了核彈的設計上,現在的核彈外殼和內部結構都是消除內應力的設計了。
所以說現在本身核武器結構設計已經是一個相當穩定的結構了內應力雖然不能完全消除,但是不會對核彈的效果造成顯著的影響。
這是一枚現在最新的W80核彈的結構,你會發現原來印象中的類似於足球的外部炸藥快不見了,內部的中子源變大了,而且在底部也增加了對應應力的結構。所以說現在的核彈保留個幾百年都可以有效應用。
對於氫彈嘛,早期的溼式氫彈,其實不具備實戰能力,儲存的久不久也就沒什麼意義,現在全是乾式氫彈,聚變材料沒變質一說。