核武器發展：動盪中維繫和平的另一種手段
高小山說
核能是二十世紀人類開啟的一扇門，開啟了無限的可能，也曾帶來了教訓。
1945年8月，原子彈“小男孩”“胖子”被投放於廣島、長崎上空。事後，參與過原子彈研製的很多科學家如愛因斯坦、奧本海默、哈恩都曾在不同場合表達過內心的懺悔和自責。
但我們都明白：核能的本質只是一個工具；點石成金或塗炭生靈，取決於人類社會的意志。也沒有人能夠回到過去，將這個工具扼殺在搖籃之中。
二戰以後，核武器仍在持續發展。但在當前的世界，核武器的存在不再是為了兵戎相見，而是為了制約戰爭殺戮的發生——就像吳王鎖教授所說的，“如果說‘鑄劍強國’是我們的初心，‘核以道和’就是我們的使命。”
授課老師：吳王鎖
，
蘭州大學博士生導師，核科學與技術學院院長，長期從事核化學與放射化學，核技術應用研究。
*以下根據吳王鎖於2021年4月15日高山書院重慶站的部分課程內容整理而成，經老師稽核後公開發布。
全文字數丨4009字
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■ 精華版
所謂核能，顧名思義就是透過反應從原子核釋放的能量。這能量怎麼釋放出來，說簡單了就兩個途徑，一種是把“大”的原子核劈開
（核裂變）
，一種是把“小”的原子核們聚到一起
（核聚變）
。
現今常用的核裂變材料是鈾-235，自然界中最重的不穩定原子核；核聚變原料則是氫的同位素
（氘、氚）
，自然界中正電荷最小的原子核。
核能的能量密度極高。舉例來說，1kg鈾-235裂變所釋放能量是1kg 標準煤燃燒釋放能量的270萬倍，而1kg氘氚聚變的能量密度則更高了，據估算，接近鈾裂變的4倍。
目前的核武器可分為3代，分別是：原子彈、氫彈和特殊效能核武器。
其中，原子彈利用的是核裂變反應；氫彈利用的是核聚變反應；特殊效能武器原理則是將核能的不同殺傷力選擇性強化或弱化，可以看作人類DIY核能的結果。
值得注意的一點是，氫彈是在原子彈的基礎上發展研究得來的。沒有原子彈技術，是沒辦法造出氫彈的。
“核”的本質，實際上更在於“和”。核技術的存在，是國家安全、世界和平的重要組成部分， 技術要有，但不代表一定要亮出來。
■ 完整版
這次重慶站的課程中，高原寧院士給咱們講過原子的結構。
當原子核的中子、質子重新排列組合，結構發生變化
，質量就會發生虧損——或者用我們更熟悉的語言來說，
能量
（核能）
就會釋放
。
核能釋放，具體能透過兩個過程實現：一個是核裂變，即重原子核裂變成兩個或多個輕原子核；另一個是核聚變，即兩個或多個輕原子核聚變成重原子核。
兩個過程看似截然相反，但其實它們都有著一個共同的規律：
從低比結合能的核素→高比結合能的核素
。一旦處於比結合能的頂峰，原子核無論是裂變和聚變都無法再釋放能量，而是需要吸收能量。
核裂變 & 核聚變
我們最常利用的核裂變反應，是鈾-235的裂變
，因為鈾是自然界中天然存在的最重元素，更傾向於裂變。一般課本上的鈾-235裂變是這樣的：
一箇中子高速撞擊一個鈾-235原子核，併發生裂變
但事實上，鈾-235的核裂變有著各種各樣的反應以及裂變產物，這只是其中一種。
這就像我們在一定的距離外開槍射擊一個物體，射擊以後物體裂成兩半；即便打上100發子彈，估計也得不到同樣的兩半來。不過鈾-235裂變產物的分佈也有一些規律，我們管它叫駝峰曲線。
熱中子引起鈾235裂變的產額-質量曲線
另一方面，
核聚變反應較常用到的原料是氫的同位素
：氘
（²H，音dāo）
與氚
（³H，音chuān）
，因為氫元素相較於其他元素正電荷最小，原子核相互靠近所需要克服的斥力也最小。其中，屬氘氚的聚變更容易一些
（因截面等因素）
。
氘和氚原子核高速相撞，併發生聚變
相比於化學反應，核反應釋放的能量要大得多。
舉例來說，1kg TNT炸藥爆炸所釋放的能量大致在4。2×10⁶ 焦耳；1kg鈾-235裂變所釋放能量則在 8。0×10¹³ 焦耳的量級，是前者的約2000萬倍；而1kg氘氚聚變的能量密度則更高了，據估算，接近鈾裂變的4倍。
這些核反應我們
如果不加控制，讓它以發散的鏈式反應釋放能量，基本上就是軍事應用，也就是核武
；但倘若我們希望將核反應妥善應用到更多生活場景，我們就必須讓核反應像燒火做飯一樣，可以根據需求可控地釋放能量。
現階段，核裂變已經實現了可控，而可控核聚變還在路上。
比太陽更亮的火球
我們先講核武器。大家肯定都知道，核武器是目前當仁不讓的武庫霸主，威力無比。
1945年8月6號及9號，曼哈頓計劃建造的原子彈——“小男孩”及“胖子”，分別投到了日本廣島和長崎的上空。頃刻間，兩座大城市化為廢墟，除了些許鋼筋混凝土，只留下殘垣斷壁，近20萬人傷亡。
廣島在8月5日（原子彈投放前，左）與8月6日（原子彈投放後，右）的示意模型
廣島、長崎核災難的恐怖陰雲，至今依然籠罩著人們的心靈，原子彈也成為駭人聽聞的神秘妖魔。但剝開它的外衣，原子彈其實並不神秘。
· 原子彈
原子彈的原理主要是基於核裂變反應，一般使用鈾-235或鈽-239；用鈾做核裝料的叫鈾彈，用鈽做核裝料的叫鈽彈。
要引起核爆炸，關鍵在於一點：讓中子增加快於中子減少，從而觸發鏈式反應
，讓核裂變持續進行、不熄滅，而這要求：裂變材料達到一定的臨界質量和密度。
一般來說，16公斤的武器級鈾或6公斤的武器級鈽，就可以造一枚原子彈。
所謂武器級，指的是鈾-235或鈽-239的純度必須達到特定的指標
。
以鈾為例，自然界裡的鈾有三種同位素：鈾-238
（99。3%）
、鈾-235
（0。7%）
和鈾-234
（極微量）
；而武器級的鈾要求鈾-235的丰度
（類似於純度）
達到90%以上。重慶816工程的主要任務實際上就是搞鈾濃縮，要把鈾的丰度從0。71%提到90%以上。
不同丰度的鈾的用途
鈽也類似，如果拿來製造武器，鈽-239的丰度需要達到93%以上。
有了足夠高丰度的核裝料以後，原子彈實現核爆炸的方式，基本上就是透過引爆高能烈性炸藥，利用其衝擊力或壓力使核材料迅速達到臨界狀態，再借助中子源提供的中子，觸發核裂變以及一連串的鏈式反應。
· 氫彈
前面提到：氘氚聚變所釋放的能量比鈾-235裂變更高。於是，科學家們後來再提出了一種建立在核聚裂變之上的更強核彈。
圖自網路
但是要使氘氚原子核
（帶正電）
發生聚變，必須讓它們克服斥力、相互聚攏到極近的距離。最合適方法是加熱，讓原子達到足夠高的速度及能量，而這需要至少1千萬度的溫度和上億倍大氣壓的壓力。
那麼，我們要怎麼得到這樣的高溫和高壓呢？有人想到：原子彈爆炸可以產生這樣的高溫高壓，於是就在原子彈中加入氘和氚，透過引爆原子彈誘發氘氚的聚合，並稱之為氫彈。
換言之，
氫彈是建立在原子彈的基礎上的，造不出原子彈的國家不可能造得出氫彈
。
早期的氫彈特別笨重，因為氘和氚在常溫常壓下是氣體，即便經過壓縮，體積也不小。後來，科學家發現中子轟擊鋰-6能生成氚
（及氦）
，而鋰-6是固體，便善用了這個反應成功對氫彈完成小型化。
在那之後，我們又製造出了另一種氫彈，叫三相彈——在氫彈的彈殼中加入鈾-238。
鈾-238本來不易裂變，但在氫彈的裂變與聚變發生後的高溫高壓下也會開始裂變。所以
和氫彈相比，三相彈相當於最後再多加一個核裂變的過程
。現在的氫彈大多數是三相彈。
· 特殊效能核武器
相比常規炸藥，核彈釋放的能量高出百萬倍，殺傷範圍也大得多；普通炸彈一般幾十米，而核武器可達幾十公里，“一顆核彈能摧毀一座城”不是傳說。
整體來說，核武器的摧毀作用分為五種：
1。衝擊波
核爆炸時，大量能量透過擠壓空氣形成高壓及高速氣浪，對工程建築設施、武器裝備和人員造成破壞。這也是一般炸藥的主要殺傷力所在。
2。光輻射
核爆炸時產生的極高溫及巨大火球會輻射出強光和高熱，使受照射物體融化、焦化或者燃燒。廣島的殘垣斷壁上，大部分鋼筋混凝土都融化了，磚木結構也燒光了。
3。貫穿輻射
核爆炸最初幾秒會放射出γ射線和中子流等穿透力強的射線，對受照者造成急性及慢性危害。中子流還可感生放射性物質，也就是導致原本穩定的物質出現放射性。
4。放射性輻射
裂變所產生的放射性產物、未爆炸的核裝料及感生放射性物質散佈在大氣、大地與水面，帶來短期或長期的內照射及外照射危害。
5。電磁脈衝
核爆炸瞬間形成的強烈脈衝輻射，對電子裝置， 電氣裝置，通訊系統產生強大的干擾和破壞作用。
基於戰術需要，科學家研發核武的時候會選擇性增強或削弱這些摧毀作用當中的其中一/幾種
，由此也誕生了一些特殊效能的核彈，譬如中子彈。
中子的殺傷力主要體現在貫穿輻射，而中子彈就是把中子束流做大、做強，同時減弱衝擊波，又稱“增強輻射彈”。在戰爭中，中子彈可以起到很好的作用，比如在保持建築物及裝置完好的同時，消滅堡壘內的敵人。
除了中子彈，類似的特殊效能核武器還包括：增強衝擊波作用的衝擊波彈，增強X射線作用的X射線彈，及減少放射性沉降物的弱剩餘放射性武器等等。
核武器家族現在可以說是三代同堂
（雖然具體家譜存在爭議）
——原子彈、氫彈、特殊效能核武器，第四代核武器正在孕育中。
值得一提的是，貧鈾彈其實稱不上核武器，因為貧鈾彈以貧化鈾為主要原料。貧化鈾是鈾-235濃縮過程中所產生的廢料，其鈾-235含量從天然鈾中的0。71%進一步降到了0。2%～0。3%
（遠不及武器級要求的90%）
。所以貧鈾彈不會發生鏈式核反應，不屬於核武器。
核以道和
如今，世界上共有5個國傢俱備核武器——美國、蘇聯、英國、法國、中國。中國是第5個擁有原子彈、第4個擁有氫彈
（比法國早）
的國家。這5個國家擁有一套完整的核燃料迴圈體系，是世界的核大國，同時也是聯合國的5個常任理事國。
但“核”的本質，實際上更在於“和”
。核技術的存在，是國家安全、世界和平的重要組成部分，關係到國家安危、人民健康、 社會穩定、經濟發展及大國地位等。
核與和，圖自網路
這節課我們說了核武器，下次的課程咱們再接著說核電站。
整理丨邱施運
編輯丨朱珍
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