自然科普:水也有轻重之分?制造核武器为何要重水?
来源:科学信仰
发布时间:2022-08-10
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水也有轻重之分吗?当然,平日里我们所喝的水就是“轻水”,而与之相对的则是“重水”。

什么是重水呢?顾名思义,就是比普通的水要重,我们日常所饮用的轻水的分子质量为18.0153,而重水的分子质量为20.0275,可以看出,重水比轻水的质量高出了约11%,这多出的质量是哪来的呢?其实就是中子的质量。在自然界中存在着各种各样不同的元素,比如氢元素、氧元素、碳元素以及铁元素等等,每一种元素都是由相应的原子所组成的,而原子又是由原子核与电子所组成的,在原子核之中又存在着质子和中子,其中质子的数量就决定了元素的种类,比如拥有一个质子的就是氢原子,而拥有两个质子的就是氦原子。


在自然界中除了有许多不同的元素之外,同一种元素还有着数种不同的同位素,而这就是由中子数量所决定的了。

比如氢拥有三种同位素,即氕、氘和氚,这三种同位素都拥有数量相同的质子,也就是一个质子,但氕的原子核中只有一个质子,而没有中子,氘有1个中子,而氚有2个中子。由2个氕原子与1个氧原子所组成的水分子的分子式就是我们熟悉的H2O,也就是最常见的最普通的轻水,而有2个氘原子与1个氧原子所组成的水分子的分子式则写为D2O,这就是重水,因为重水比轻水多了2个中子,所以质量自然也就要大一些了。


虽然只比轻水多了2个中子,但重水就不再是“生命之源”了,不仅不是生命之源,饮用重水还会导致死亡。

不过我们并不需要担心,因为在自然界中,重水的比例是非常少的,它们混杂在轻水之中,但比例还不足0.02%。重水虽然不能喝,但却有其它用途,比如原子弹的制造。原子弹是一种利用核裂变反应而产生巨大破坏力的武器,其威力主要来自于内部的“装药”,目前可用于原子弹装药的元素有两种,即铀235和钚239。无论是采用哪一种元素,都必须要进行提纯。以铀235为例,它在铀矿中的比例只有0.7%,其余都是铀238,而要制造核武器,铀235的浓度至少要提纯到85%以上,这还只是理论上的最小值,实际制造原子弹的过程中所需的纯度还要更高。


为了提高铀235的浓度,就必须使用大量先进的气体离心机进行反复浓缩,这对于很多国家而言都是一道难以逾越的门槛。

如果使用铀235作为原子弹的装药,那么就用不上重水,但如果使用钚239,重水就是必不可少的。与铀235不同,铀235在自然界中是存在的,我们要做的就是设法将它与铀238相分离,但钚239并不存在于自然界之中,它完全需要人工制取,怎么做呢?这就要从铀238说起了,原子弹威力巨大是因为利用了“链式反应”的原理。


所谓链式反应,简单讲就是铀235吸收了中子之后会发生裂变,释放能量并抛出2个中子,这2个中子又会被其它铀235所吸收,牵一发而动全身。

但与铀235混在一起的铀238也会吸收中子,但它吸收了中子后不会裂变,会直接变为铀239,铀235裂变所产生的中子被铀238悄无声息的吃掉了,链式反应便不能达成。对于铀235而言,铀238是多余的,但在制取钚239方面,铀238却大有用处。铀238吸收中子后会变为铀239,铀239不稳定,会通过β衰变而成为镎239,镎239再一次衰变就可以生成钚239了。制取钚239需要用到原子反应堆,而原子反应堆根据所使用的冷却剂不同,又可以分为轻水反应堆和重水反应堆。


轻水反应堆和重水反应堆都可以制取钚239,但是轻水反应堆制取的钚239却无法用来制造原子弹。

这是因为在轻水反应堆中生成的钚239还混有大量的钚240。钚240是一种极不稳定的元素,会时不时出现自发裂变,如果钚239之中混入的钚240太多,你我都知道将会发生什么,那就是不可预测的随时自爆。所以钚239中的钚240含量超过19%就是必须填埋处理的废材,7%到19%之间可以用作燃料,而要想用来制造原子弹,钚240的含量必须控制在7%以下,轻水反应堆是绝对达不到的,所以想要制造原子弹就必须用重水反应堆来制取钚239。为什么钚240含量超标就一定要填埋,不能继续提纯?钚239和钚240之间只差了1个中子,这就好比一个牛群中有几头牛比其它牛少了一根牛毛,想把它们挑出来,根本不可能。



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