为什么制造核武器仍然如此困难？

作者：Sarah Wells 转自：Science

科学家们制造核武器已有80多年的历史，但制定这项技术仍然是一项挑战。

核武器核心的化学反应可以产生相当于百万吨TNT的爆炸。（图片来源：DigitalVision。通过GettyImages）

代号为“三位一体”的第一次核武器试验于1945年7月16日凌晨5点30分在新墨西哥州沙漠进行。这次测试是二战期间作为曼哈顿计划的一部分在洛斯阿拉莫斯进行的秘密核科学的概念验证，并将导致原子弹在短短几周后在日本广岛和长崎投下。

自这些爆炸以来，核武器的发展加速了。世界各国都建立了自己的核武库，其中包括美国持有的5,000多枚核弹头。

然而，尽管这项技术的基本组成部分不再是秘密，但核武器开发仍然是一项科学和工程挑战。但为什么核武器仍然如此难以生产呢？

美国科学家联合会（Federation of American Scientists）核信息项目（Nuclear Information Project）主任汉斯·克里斯滕森（Hans Kristensen）在一封电子邮件中介绍到，很大一部分困难来自于获取这些武器内部使用的化学元素来制造爆炸。

“核爆炸的基本思想是，核[裂变]材料受到刺激以释放其巨大的能量，”他说。“生产足够纯度和足够数量的裂变材料是一项挑战，[并且]这种生产需要相当大的工业能力。”

能量的大量释放称为核裂变反应。当这个反应发生时，一个链式反应开始，原子被分裂以释放能量。这与使核能成为可能的反应相同。

• 铀和钚浓缩

宾夕法尼亚州立大学核工程实践教授马修·泽菲（Matthew Zerphy）说，核弹内部的裂变材料主要是铀和钚的同位素，它们是放射性元素。铀最常见的同位素铀-238（U-238）被开采出来，然后经过浓缩过程，将一部分转化为另一种同位素铀-235（U-235），它更容易用于核反应。

“浓缩铀的一种方法是将其转化为气体并在离心机中非常快速地旋转，”Zerphy说。“由于U-235和U-238之间的质量差异，同位素被分裂，你可以分离出U-235。”

Zerphy说，对于武器级铀，90%的U-238样品需要转化为U-235。这个过程最具挑战性的部分可能需要数周到数月的时间，是元素本身的化学转化，这需要大量的能源和专门的设备。在此过程中的一种化学危害是可能释放出六氟化铀（UF₆），这是一种剧毒物质，如果吸入，会损害肾脏、肝脏、肺、大脑、皮肤和眼睛。

他说，将钚浓缩到相同程度的过程甚至更棘手，因为这种元素不像铀那样自然产生。相反，钚是核反应堆的副产品，这意味着要使用钚，科学家需要处理放射性的乏核燃料，并通过“强烈”化学沉积对材料进行加工。Zerphy说，如果意外收集了临界质量，这种材料的加工也可能带来安全风险，这是维持自我维持裂变反应所需的最小裂变材料量。

“在制造这些组件的过程中，你会非常小心，不要发生这种情况，以确保东西不会无意中聚集在一起并进入某种临界状态，”他说，这可能会导致意外爆炸。

核武器的生产成本高昂，需要专门的设备，并存在多种风险。（图片来源：Peter ZeleiI mages来自Getty Images）

尽管将这些组分结合在一起的科学原理已广为人知，但在几分之一秒内产生和控制该反应仍然很困难。

“这些武器的设计使得当它们被引爆时，会非常迅速地产生一团‘超临界’裂变材料......在一个非常小的空间里，“Zerphy说。“这导致几乎瞬间扩散到整个材料的裂变数量呈指数级增长。”

他说，原子裂变的这种快速传播是核反应具有如此破坏性的一个重要原因。

以二战后开发的热核武器为例，它结合使用核裂变和聚变来产生更强的爆炸，然后标准的裂变反应必须引发二次的、更强的聚变反应。这种聚变反应与在太阳中心发现的能量相同。

• 核武器试验

一旦这些武器被制造出来，科学家和工程师需要确保这些武器能够根据需要工作，如果它们被使用的话。当核武器首次被开发出来时，科学家们会在试验场亲自测试武器（这破坏了他们接受试验的“荒芜”地区的环境，以及居住在附近的人和动物）。相比之下，现代武器测试依赖于计算机模型。这是美国国家核安全管理局（NNSA）所做的工作的一部分。

“NNSA......开发用于鉴定武器组件和认证武器的工具，确保它们在各种情况下的生存能力和有效性，“NNSA发言人在一封电子邮件中介绍。“这涉及使用超级计算系统、材料科学和精密工程的高级模拟，以确保武器按预期运行。”

归根结底，制造这些武器的复杂性和挑战可能解释了为什么当今世界上存在的核超级大国如此之少。