家用原子弹制作指南

一、核裂变

今天，我们已经知道原子弹的基本原理是核裂变。

准确的说，应该是质能方程：E = mc²

E = mc²

制作原子弹主要是用铀元素，确切的说是铀-235，它的原子核有 143 个中子和 92 个质子。

铀

当一个中子快速轰击铀-235 的原子核时，会变会分裂出另外两个元素——钡和氪，并释放 2-3 个中子，以及约 200 兆电子伏的能量。

在分裂为钡和氪的质量之和，会比铀-235 轻一点点，也就是说有质量亏损，这亏损的质量根据质能方程转化为能量，也就是那 200 兆电子伏的能量。

更刺激的是，放出来的中子可以继续轰击其他铀-235，从而产生更多的下一代中子，再轰击其他铀-235，引发不断的核裂变，称为链式反应。

如果链式反应不加以控制，那么就会在极短的时间内释放出巨大的能量，从而引发巨大爆炸，这就是原子弹的原理。

这个反应的威力有多大呢？一克完全裂变的铀-235 ，就相当于近 20 吨 TNT 炸药，足以炸倒半径 120 米内的建筑物。

1942 年，费米在芝加哥大学成功进行了能够维持和控制的链式反应实验，这就是核反应堆的雏形。

而在现代的核电站中，通常用石墨和水等减速剂，来调控核裂变的速率，让能量缓慢的释放，加热水，产生水蒸气推动汽轮机来发电。所以人类利用能力的方式都是花样烧开水。

不过，要想引发链式反应并不简单。

首先，铀材料中通常含有杂质，比如铀-238 ，它和铀-235 有同样的质子数，但多了 3 个中子，属于同位素。但铀-238 只会散射或俘获中子，不容易裂变，无法继续下一轮反应。

铀-238 和 铀-235

所以要想造原子弹，铀-235 的纯度必须在 90% 以上，而天然铀中，铀-235 含量很低，大概不到 1%，99% 以上都是铀-238。

其次，铀的原子核直径只占整个原子的两万六千分之一，周围都是空隙，这是什么概念呢？如果把铀原子比作一个歌剧院，那么原子核就是歌剧院里的座椅上的一颗螺丝钉。所以核裂变放出的中子很容易错过其他原子核，直接飞到外面。

所以铀材料最好是球形，因为同等体积下，球形的表面积最小，泄漏的中子也最少。

我们把能够保证链式反应维持下去的最小质量成为临界质量，最小体积成为临界体积。铀材料的纯度、形状、密度等因素决定了临界质量和临界体积，需要非常复杂的计算。

根据美国的核武器研究基地——洛斯阿拉莫斯实验室这份 1969 年的解密文件，93.8% 纯度的球形铀-235 ，密度为 18.75g/cm³ 时，临界质量约为 52kg 。

有了这些理论知识，就可以开造了。

二、原子弹结构

1941 年，美国启动“曼哈顿计划”开始研制原子弹。1945 年，美国在日本投放了两颗原子弹：小男孩和胖子，分别代表了两种典型的原子弹结构。

这张解密图纸是解密后的小男孩。

“小男孩”图纸

小男孩属于枪式，内部主要有这些部件，像一个枪膛。

枪式结构

启动时，尾部的电子雷管将引爆炸药包，膨胀的气体会推动一块空心的圆柱形铀块，嵌到头部的另一个圆柱形铀块，两块合体就能超过临界质量。

与此同时，空心铀块也将撞到实心铀块周围由钋、铍金属制成的弹丸球，这些弹丸球能释放大量中子，引发核裂变。此外，铀块周围被厚厚的碳化钨包裹着，可以把泄露出来的中子再反射回铀块，加速链式反应，引发核爆炸。

然而，枪式结构有个缺陷，1945 年 8 月 6 日在广岛爆炸的“小男孩”装有 64kg 的铀-235，但 TNT 当量只有 1.5 万吨，利用率仅 1.2% 。

这是因为初始的反应能量会让大部分核材料迅速膨胀，密度下降，无法达到临界状态，还没反应完就被炸飞了。

而另一颗原子弹“胖子”，采用了层层包裹的内爆式结构，从外往里炸。

“胖子”截面图

启动时，电子雷管会同时引爆金属板下一共 32 个炸药包，冲击波将往里挤压一层球状推体，由容易变形的铝制成，最终不断挤压到中心的核材料——钚-239（一种比铀-235 更容易裂变的物质）。因为挤压，这块钚-239 的密度会迅速增大，从而达到临界状态。

而里面包着的一颗钋、铍弹丸球就会放出中子，引发核裂变。外面还有一层铀-238 用于反射中子，加速链式反应，引发核爆。

内爆式结构可以让核材料更充分地反应。在“小男孩”爆炸后第三天，“胖子”就被扔到了长崎，只用了 6.1kg 的钚-239，TNT 当量就有 2.2 万吨，利用率提高到了 17% 。

内爆式原子弹虽然效果出众，但有一个技术难点，就是这套球面波起爆器。

当雷管点燃炸药，炸药的冲击波无法均匀地压缩里面的核材料，难以充分裂变。当然，原子弹的技术难点远不止这些。那我们能在家制作一颗原子弹吗？

三、原子弹制作指南

其实，制造原子弹最难的其实是获取核材料。

天然的铀矿非常稀有，而且矿石中 99% 都是铀-238 ，铀-235 不到 1%，并且铀-235 需提纯到 90% 以上才能使用。

因此制作原子弹的第一步就是提纯高浓度铀-238。

这就需要你先买到商业级别 3% ～ 20% 到浓缩铀，用氟气处理成六氟化铀，再通过高速离心机来分离铀-235，只要分离出来的铀-235 达到临界质量，原子弹就完成一半了。但目前大部分国家都被卡在了第一步。这也是拥有核武器的国家这么少的原因。

而钚燃料的核武器需要的材料就少很多，几公斤的钚-239 就够了，问题是天然钚极少，主要是在铀核反应堆中经过辐照生成，要从核反应堆中提取、纯化、浓缩钚-239，不怕死的可以试试。

湖南是中国的铀矿重镇。1964 年，中国在罗布泊成功爆炸的第一颗原子弹，其中的铀，一大部分就来自郴州的 711 矿和衡阳的 712 矿。

这个光荣传统也让不少民间人士学会了土法炼铀。2007 年，4 位湖南籍的矿工和农民，共炼制了 8 公斤纯度高达 56% 的铀产品，一路偷运到广州贩卖，最终在交易时被警方抓获。

所以，制弹有风险，投资需谨慎。还是不要制作了吧。