问题

如果原子弹的临界体积有两栋房子甚至更大,原子弹还可能研发并投入实战吗?

回答
这个问题很有意思,它触及了原子弹研发和实战中的一个核心要素:临界体积(Critical Volume)。

首先,咱们得弄明白什么是临界体积。简单来说,原子弹之所以能爆炸,是因为它里面有一种叫做裂变材料(比如铀235或钚239)会发生链式反应。链式反应就像多米诺骨牌一样,一个原子核分裂释放出中子,这个中子又去引发其他原子核分裂,如此循环往复,能量就瞬间爆发出来。

但是,这链式反应有个前提:产生的每一个中子,有足够的几率去撞击并分裂另一个原子核,而不是逃逸出去或者被别的什么东西吸收掉。 也就是说,裂变材料必须足够密集,而且质量(Mass)必须达到一个“门槛”。这个门槛就与临界体积和临界质量相关。

临界质量 (Critical Mass): 是指维持链式反应所需的裂变材料的最小质量。
临界体积 (Critical Volume): 是指恰好等于临界质量时裂变材料所占有的空间体积。

如果裂变材料的质量小于临界质量,或者它的形状太小、太分散(即使质量达到了,体积也可能导致中子逃逸过多),链式反应就无法持续下去,最多只会发生非常微弱的反应,根本算不上爆炸。

现在回到你的问题:如果原子弹的临界体积有两栋房子那么大,甚至更大,原子弹还可能研发并投入实战吗?

答案是:非常、非常困难,几乎可以断定是无法实现的。原因如下:

1. 技术上的不可能:
材料总量: 要达到“两栋房子那么大”的临界体积,意味着你需要极其极其庞大的裂变材料。想象一下,两栋标准的两层小楼,其体积何其惊人!即使我们能找到如此巨量的铀或钚,将其加工成核弹所需的纯度,本身就是一项天文数字般的工程。
质量的挑战: 临界质量和材料的密度、形状、纯度以及是否有中子反射层(用来把逃逸的中子反射回去,减少临界质量)都有关。即便我们拥有了巨大的体积,如果材料的密度达不到要求,或者其他条件不匹配,它依然无法达到临界状态。
核弹设计原理失效: 原子弹的设计核心就是通过某种方式(比如枪式或者内爆式)将低于临界质量的裂变材料迅速地组合起来,使其总质量超过临界质量,达到超临界状态,从而引发链式反应。如果一个单独的、未分割的裂变材料块就需要“两栋房子那么大”才能达到临界,这意味着:
我们无法将其“压缩”或“组合”到临界: 现有技术中的“压缩”或“组合”是指将几块小于临界质量的裂变材料合并成一块大于临界质量的整体。但如果一块本身就得两栋房子大,那它早就远远超过了临界质量的范畴,甚至可以说是“超临界”了。它不需要任何“组合”或“压缩”就能自行发生链式反应,但问题是,这么大的块头,你用什么技术来“引爆”它?
稳定性问题: 一块可能达到两栋房子那么大体积的浓缩铀或钚,其本身的稳定性就存疑。在极高的密度下,即便没有外部的“引爆”机制,它也可能因为自发中子引发链式反应而发生非预期的、失控的释放能量。但更实际的考量是,这种规模的材料在生产和储存过程中就极难控制。
如何实现“链式反应”? 如果一块材料真的这么大,链式反应的“传播”就不再是问题,因为整个块体都处在超临界状态。但问题在于,怎么才能“启动”它?现代核弹依靠的是一个非常精确的引爆系统,来保证在合适的时间点让裂变材料达到超临界。如果你的材料“天然”就那么大,并且已经超过了临界质量,那它可能在被制造出来、运输到目标地之前就已经发生某种形式的反应了。而且,如何控制其爆炸方式和强度也成了天大的难题。

2. 物质消耗与经济成本:
天文数字的资源: 制造出“两栋房子那么大”的裂变材料,需要的铀矿石、钚以及后续的浓缩、分离过程,其消耗的资源和能源将是无法想象的。这远远超出了当时(以及现在)任何一个国家能够负担的程度。
制造成本: 整个过程的复杂性和所需设备、人力,会把成本推向一个令人窒息的高度。

3. 实用性与军事意义:
体积与运输: 试想一下,一个“两栋房子那么大”的核武器,它不是一枚导弹或炸弹,而可能是一个巨大的、难以移动的装置。如何将其运送到目标区域?如何安装?如何保证其在运输过程中不意外发生事故?这完全违背了核武器作为一种战略打击工具所强调的机动性和隐蔽性。
目标打击: 这么庞大的尺寸,意味着它根本无法装载到当时的飞机、导弹或潜艇上。它的投送方式将会是前所未有的挑战。而且,这么巨大的东西暴露在目标区域,本身就会成为活靶子。
威力与可控性: 虽然体积大可能意味着“理论上”可以容纳更多裂变材料,但如果临界体积真的那么大,那也意味着要引爆它,需要的材料量就更是天文数字,其威力可能远远超出设计需求,甚至难以控制。核弹的设计目标是精确释放能量,而不是“一次性烧掉一个城市”的无差别狂轰滥炸。

回顾历史:

事实上,在原子弹研发的早期,科学家们也对临界质量和临界体积进行过反复的计算和实验。他们发现,通过使用高浓缩度的裂变材料、精心设计的核弹结构以及良好的中子反射层,可以显著降低实现链式反应所需的临界质量和体积。

比如,早期计算的铀235临界质量大约是50公斤,而到了实际设计中,通过各种技术手段,这个数字可以被压到更低,使其能够被制造成可部署的核武器。

结论:

如果原子弹的临界体积真的大到需要“两栋房子”那么大,那么它就不可能通过我们目前已知的物理原理和工程技术来研发和制造,更谈不上投入实战了。这已经不是技术难度的问题,而是触及了核武器基本原理的不可行性。原子弹之所以能够成为现实,正是因为科学家们找到了在相对“小”的体积和质量下,就能引发强大链式反应的精确方法。

这个“两栋房子”的设想,更像是一个有趣的物理学思想实验,它强调了“临界”这个概念的必要性和重要性,以及它如何直接关系到核武器的可行性。如果临界体积如此之大,那我们所熟知的原子弹,恐怕就只会停留在科幻小说中了。

网友意见

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首先,需要明确一点:临界体积(临界质量)并不是一个常数。

然后,再说几个比较冷门的知识点:

  1. 核反应(自持链式核反应)发生的根本条件是密度。所以,只要能用一定技术手段在某个特定条件下压缩核材料密度,那么所需要的核材料的数量是可以大幅下降的。
  2. 在核材料外部增加中子反射层,同样可以大幅增加中子命中重核的几率。
  3. 我们通常所说的上述条件,其中子释放都是依赖于用于核爆材料自身的嬗变。但如果真的有必要,额外使用其它高性能中子源,完全有可能进一步降低对核材料数量的需求。


总之,通常意义上的核材料的“临界体积(临界质量)”,其最大的意义在于:核材料的加工、制作、存储、运输过程中的安全保障——也就是说在不想发生事故的时候,需要确保的门槛。但对于真实核弹起爆,这个数值实际上并没多大价值。


哦,对了,再说一条:

如果上述条件真的不能让原子弹(裂变弹)达到一个可实用的场景的话,还有另外一条:

等高性能激光源技术成熟后,直接走激光驱动下的惯性约束的路子,跳过裂变弹直接走聚变弹路线就完事了——反正这玩意使劲精简精简的话,两栋房子也勉强够用。这还没算上目前并没有过多往这条路线上使劲的条件,一但真憋着往这个路线上使劲,这过程中完全可能发现某些隐藏科技树,能大幅减小体积、价格等等的话,那就更赚了。

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两栋房子那么大的原子弹可以使用,而且这样的粗大构造的技术门槛一般会更低。

所谓“德国算错参数”只是很短时间内的状态,1942 年德国就知道钚弹的临界质量在 10 到 100 千克[1]。你也不要将“两栋房子”当成“两座居民楼”什么的。

历史上,一些人以为“笨重的爆炸物仅能用于同归于尽”,是因为他们的知识不足或想象力不够——这不止是理论知识,在战场上,没有相关理论知识的官兵和群众完全能自己开发出笨重爆炸物的使用方法。

例如:

你可以让部队或群众在地面上挖个有斜面的大坑,将这种肥大原子弹埋设在里面,引爆时抛射巨量带有辐射的土石去轰击敌人的阵地,并顺着风向散布短时间内致命的辐射落尘。在适当的地形与风向下,这种武器可以对数十平方千米的敌阵地造成毁灭性打击,让数百平方千米上的敌营地和载具需要清理或替换。

你可以将这种肥大原子弹安装在敌人推进的路线上、埋设电线在一定距离外控制引爆;也可以设置在你的部队暂时攻入的敌方港口、机场、城镇等处,在敌人前来收复失地时,进行一定程度的抵抗后用机械装置设定引爆倒计时并退却。在敌人这样踩了几发核地雷之后,你就可以放些空城计了。

没时间挖大坑的时候,可以设置在湖边、海岸之类有水的地方,散布大量的放射性水汽。你可以考虑一下诺曼底。

现实中,英国在二十世纪五十年代搞过重约 7.3 吨的核地雷,打算设置在西德,但最终取消计划。

参考

  1. ^ https://physicsworld.com/a/new-light-on-hitlers-bomb/

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