钚彈（使用钚-239裝料的原子彈）

钚239

钚（Plutonium金屬钚），原子序數(shù)為94，元素符號是Pu，是一種具放射性的超鈾元素。半衰期為24萬5千年。它屬于錒系金屬，外表呈銀白色，接觸空氣后容易銹蝕、氧化，在表面生成無光澤的二氧化钚。

钚有六種同位素和四種氧化態(tài)，易和碳、鹵素、氮、硅起化學反應(yīng)。钚暴露在潮濕的空氣中時會產(chǎn)生氧化物和氫化物，其體積最大可膨脹70%，屑狀的钚能自燃。它也是一種放射性毒物，會于骨髓中富集。因此，操作、處理钚元素具有一定的危險性。

钚和多數(shù)金屬一樣具銀灰色外表，又與鎳特別相似，但它在氧化后會迅速轉(zhuǎn)為暗灰色（有時呈黃色或橄欖綠）。钚在室溫下以α型存在，是元素最普遍的結(jié)構(gòu)型態(tài)（同素異形體），質(zhì)地如鑄鐵般堅而質(zhì)脆，但與其他金屬制成合金后又變得柔軟而富延展性。钚和多數(shù)金屬不同，它不是熱和電的良好導體。它的熔點很低（640°C），而沸點異常的高（3235°C）。

钚最普遍釋放的游離輻射類型是α粒子發(fā)射（即釋放出高能的氦原子核）。最典型的一種核武器核心即是以5公斤（約12.5×10^24個）钚原子構(gòu)成。由于钚的半衰期為24100年，故其每秒約有11.5×10^12個钚原子產(chǎn)生衰變，發(fā)射出5.157MeV的α粒子，相當于9.68瓦特能量。α粒子的減速會釋放出熱能，使觸摸時感覺溫暖。

元素半衰期

钚-239：2.41萬年，常被用作制造核子武器。

钚-238：88年，并放出α粒子。

钚-240自發(fā)裂變的比率很高，容易造成中子通量激增。

钚-239的毒性大，生產(chǎn)成本高，要建造復(fù)雜的生產(chǎn)堆和后處理廠，才能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。它是通過反應(yīng)堆中產(chǎn)生的快中子轟擊鈾-238人工生產(chǎn)的。中子來源于用于天然鈾作成的元

鈾-235裂變中子產(chǎn)額為2-3個，這些中子經(jīng)慢化后會再次引起鈾-235裂變。維持這種裂變反應(yīng)只需一個次級中子就夠了，其余的除被慢化劑等吸收掉外的快中子，即可使天然鈾的鈾-238轉(zhuǎn)化為钚-239了。所以，生產(chǎn)堆中的核燃料元件，既是燃料，又是生產(chǎn)钚-239的原料。钚-239是從乏燃料元件中分離出來的。實際上，生產(chǎn)堆的作用，就是燒掉一部分天然鈾中的鈾-235來換取钚-239，平均燒掉一個鈾-235原子，得到0.8個钚-239原子。

钚239是通過反應(yīng)堆生產(chǎn)的。在反應(yīng)堆內(nèi)，鈾238吸收一個中子，不發(fā)生裂變而變成鈾239，鈾239衰變成镎239，镎239衰變成钚239。由于钚與鈾是不同的元素，因此雖然只有很少一部分鈾轉(zhuǎn)變成了钚，但钚與鈾之間的分離，比起鈾同位素間的分離來卻要容易得多，因而可以比較方便地用化學方法提取純钚。

把它分離出來需送到專用的后處理廠來分離加工，需要把沒有“燒”盡的鈾分離出來再利用，還需要把钚-239同其他裂變產(chǎn)物分離開。

后處理方法分為濕法和干法兩種。干法尚處于研究開發(fā)階段，目前主要應(yīng)用濕法。濕法又分為沉淀法、溶劑萃取法，離子交換法三種。其中沉淀法已屬陳舊，目前主要應(yīng)用溶劑萃取法，也稱普雷克斯（Purex)流程。其基本原理是利用鈾、钚以及裂變產(chǎn)物的不同價態(tài)在有機溶劑中有不同的分離系數(shù)，將它們一一分開。

钚-239分離出來后，還需要純化，去除微量雜質(zhì)，才能作為核武器的裝料。我國依靠自己的科技力量，于60年代中期獨立開發(fā)了萃取法工藝流程，并建成了中間試驗廠和大型后處理廠。生產(chǎn)堆的乏燃料經(jīng)后處理，鈾與钚進行分離后，鈾-235還有一定的含量，經(jīng)純化工序后，再經(jīng)轉(zhuǎn)換，為擴散廠提供原料。

內(nèi)爆

雖然鈾235和钚239的核彈都用鏈式反應(yīng)，但二者在技術(shù)細節(jié)上有很大不同。钚是多數(shù)核反應(yīng)堆（包括發(fā)電的反應(yīng)堆）的產(chǎn)物。它與其他核廢料一起產(chǎn)生，但可以用相對直接的化學方法分離出來。分離完成后，我們就說核反應(yīng)堆的乏燃料經(jīng)過了再加工。這是報紙常見的一個關(guān)鍵詞。簽署了NPT（核不擴散條約）的國家同意不對乏燃料進行再加工——即提取他們的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的钚。

再加工比鈾分離簡單得多，而核反應(yīng)堆又那么普遍，看來钚彈似乎是巴基斯坦和朝鮮等小國的核彈選擇?？深袕棽缓迷O(shè)計。因為反應(yīng)堆同時產(chǎn)生的一種放射性雜質(zhì)，钚很容易提前引爆（即過早地發(fā)生爆炸）。也許就是因為這個，2006年的朝鮮核彈試驗失敗了。它雖然達到了钚的臨界質(zhì)量，爆炸還不足千噸級。

那種并存在钚彈里的雜質(zhì)是钚240，也叫重钚。重钚與钚相同，除了多1個中子。這使它具有高度放射性。钚240會自發(fā)裂變，不需要中子激發(fā)。自發(fā)裂變隨機釋放出中子。你可能以為額外的中子能起什么好的作用，其實它們在幫倒忙。在钚尚未完成整體組裝到達臨界質(zhì)量之前，它們就會觸發(fā)部分鏈式反應(yīng)，這些局部的鏈式反應(yīng)將過早引爆核彈，在多數(shù)能量釋放前終止鏈式反應(yīng)。

這個問題是在二戰(zhàn)期間發(fā)現(xiàn)的，曼哈頓計劃的科學家們曾一度認為钚彈是不可能的。但后來找到了一個非凡的解決辦法：內(nèi)爆。就是說，將钚鋪展成空心球殼，外面用炸藥包圍。钚周圍的爆炸把钚向內(nèi)壓，將它們擠壓成非常緊密的一團。經(jīng)過強烈擠壓的钚，原子靠得很近，因而中子沒有空間溢出。如果壓縮恰到好處，這種狀態(tài)會很快達到，钚也就來不及提前引爆了。

實現(xiàn)內(nèi)爆是極端困難的。內(nèi)爆必須非常精確，所用的烈性炸藥必須極其均勻，而且在钚殼的每一邊都達到精密的平衡。它們要同時而且均勻地引爆。那需要高度技巧，因為爆炸往往在個別點發(fā)生，而不是在整個殼層表面擴展。人們發(fā)展了一種專門技術(shù)將點爆炸轉(zhuǎn)化為內(nèi)爆，它被稱為爆炸透鏡。烈性炸藥在某一點引爆，然后聚焦起來，均勻覆蓋整個钚殼表面。要讓這一切都正常運轉(zhuǎn)，比為鈾彈造一只合適的槍困難得多。它需要頂尖的科學家和工程師，還需要精密的技術(shù)（如高精度的烈性炸藥加工）、大量的試驗，還有大量的金錢。因為這些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚彈來的。它也許需要動用一個國家（如巴基斯坦或朝鮮）的全部資源。即使如此，結(jié)果也可能失敗。朝鮮在2006年的試驗，其爆炸還不足1千噸級，而美國的阿拉莫哥多和長崎的設(shè)計是20千噸級。多數(shù)專家懷疑朝鮮試驗的低能量正是那種失敗的結(jié)果，可能是在鏈式反應(yīng)達到需要的水平之前，核彈就被提前炸開了。

33磅鈾235就足夠造一個核彈。如果鏈式反應(yīng)通過倍增方式進行，那么所有原子只需要經(jīng)過81代就分裂完了。钚彈只需要13磅，還裝不滿一只飲料罐。它只要51代就能釋放所有能量，因為每次裂變釋放的中子數(shù)是3而不是2。廣島原子彈是槍式設(shè)計的鈾彈。長崎原子彈和新墨西哥州試驗的核彈一樣，是內(nèi)爆式钚彈。

長崎爆炸

長崎是長崎縣的首府，位于日本九州島的西端，面積406.4平方公里。1945年，第二次世界大戰(zhàn)已近尾聲。德國法西斯于5月8日無條件投降。7月26日，美國、英國和中國三國發(fā)表《波茨坦公告》，敦促日本迅速無條件投降，但日本政府置之不理。

8月9日，美軍又出動B－29轟炸機將代號為“胖子”的原子彈投到日本長崎市。長崎市約60%的建筑物被毀，傷亡8．6萬人，約占全市總?cè)丝诘?7%。8月15日，日本宣布無條件投降，9月2日簽署投降書。第二次世界大戰(zhàn)至此結(jié)束。

美國用原子彈轟炸廣島和長崎，也使日本人民遭受到軍國主義者發(fā)動侵略戰(zhàn)爭帶來的嚴重災(zāi)難。日本人民成為戰(zhàn)爭的受害者，同時也親身體驗了原子彈造成的無窮遺患。

1945年8月9日，第2次空投任務(wù)落到了第509混成大隊斯威尼機組身上。斯威尼曾率領(lǐng)他的機組駕駛"藝術(shù)大師"號觀測飛機在廣島轟炸中擔任轟炸效果觀測任務(wù)。由于這次"藝術(shù)大師"號上仍保留著科學儀表，將再次當作觀察機使用。斯威尼只好用另1架B-29轟炸機--"博克之車"作為原子彈載機。8月9日凌晨3點39分，"博克之車"裝載著"胖子"從提尼安機場起飛向日本飛去。斯威尼一次次地禱告，希望自己和保羅·蒂貝茨一樣幸運。

然而，事情進展得并不順利。飛機剛起飛不久便發(fā)現(xiàn)有一只油箱出了故障，600加侖燃料可能無法使用。斯威尼粗略估計了一下航程，認為燃料基本夠用，決定繼續(xù)飛行。

當"博克之車"飛到硫黃島上空匯合點時，另外2架提前起飛的觀測和照相飛機本應(yīng)在那里等候與他匯合，可他只遇到了其中1架。斯威尼在那里等候了30分鐘仍不見另外1架的蹤影，于是毅然朝小倉飛去。9點5分，"博克之車"飛抵小倉上空。這天小倉上空氣象條件很差，空中布滿厚厚的云層，地面也是濃煙滾滾，能見度極低。"博克之車"在小倉上空盤旋了3周，始終未能找到瞄準點--5號軍火庫。這時小倉的地面防空部隊發(fā)射了密集的高射炮火，斯威尼只得提高飛行高度。

當斯威尼決定再一次進入小倉上空搜尋目標時，接到無線電報務(wù)員報告：從截獲的日本截擊航空兵使用的頻率看，可能會有戰(zhàn)斗機升空攔截。機上一陣慌亂。斯威尼來不及與基地聯(lián)系便調(diào)轉(zhuǎn)機頭向西南方向飛去。他決定改為轟炸長崎。離開小倉后他命令向基地發(fā)報：小倉上空無法投彈，改炸長崎。10點28分，飛機抵達長崎上空。恰巧這天長崎也是多云天氣，第1次進入長崎上空也未能找到目標。燃料表的指針在急驟地下降，斯威尼心情異常緊張，他決定第2次進入時無論如何也要把"胖子"投下去，于是向機上人員宣布：“改用雷達瞄準，準備投彈，返航?！?/p>

投彈手克米特·比漢像菲阿比一樣也是一位老手。當他正準備換用雷達儀器瞄準時，突然發(fā)現(xiàn)身下兩塊云團之間有一大段空隙，透過空隙可以清楚地看到瞄準點--三菱重工長崎造船廠，他立即通知斯威尼，可進行目視轟炸。10點58分，“胖子”脫離“博克之車”飛向長崎。

投彈后“博克之車”油料已嚴重不足，在返航途中不得不在沖繩島緊急著陸，補充油料。“博克之車”經(jīng)過了20個小時飛行，很晚才返回提尼安島?！芭肿印钡谋ó斄勘取靶∧泻ⅰ贝?，但長崎地形三面環(huán)山，所以損失小于廣島。

上午11時02分，繼襲擊廣島之后，美軍對日本實施第二次原子彈襲擊。由5架B-29轟炸機組成的突擊隊將原子彈“胖子”投到長崎市中心。“胖子”是一顆钚彈，長約3.6米，直徑1.5米，重約4.9噸，梯恩梯(TNT)當量為2.2萬噸，爆高503米。轟炸造成長崎市23萬人口中的10萬余人當日傷亡和失蹤，城市60%的建筑物被毀。

廣島和長崎因原子彈轟炸造成的傷害遺留至今，幸存者飽受癌癥、白血病和皮膚灼傷等輻射后遺癥的折磨。據(jù)日本有關(guān)部門統(tǒng)計，迄今，廣島、長崎因受原子彈爆炸傷害而死亡的人數(shù)已分別超過25萬和14萬。

钚彈和鈾彈

首先钚彈和鈾彈其原理并沒有太大的區(qū)別，都是利用中子打中重元素的原子核后引發(fā)核裂變。當這個核裂變所釋放出來的中子可以繼續(xù)持續(xù)引發(fā)其他原子的裂變就形成了鏈式反應(yīng)。

目前已知有四種元素同位素可以作為核彈的材料，分別是鈾-235、钚-239、鋦-247以及锎-251。

對于钚彈藥來說，實際上和鈾彈相比優(yōu)勢并不是很大。

如果排個序來說，最好引爆的核材料是锎-251，其次是鋦-247，然后才是鈾-235，最后是钚-239。

就鈾和钚的起爆方式，可以舉例如下：

利用槍式起爆（最簡單的起爆方式），可以將一枚鈾彈控制在3米的長度上，通過炸藥加速鈾塊使之超過臨界值。

但是如果是同樣原理制造一枚钚核心的槍式原子彈，則需要利用長達15米的距離加速钚塊到極限速度才可能引發(fā)核爆炸。

至于鋦-247和锎251也是可以制造核彈的核心的，但是這兩種元素同位素并不適合制造核武器，其原因在于——太貴！目前鋦的價格為1克2000美金，主要會以電鍍的形式鍍膜在一些高端的煙霧傳感器上，每個傳感器也就用幾微克就夠了。

至于锎的價格大約是一微克10美元的價格，一般的計算來說，锎-251的臨界值大約是5公斤，這么一個核心的價格則是：500億美元！這枚核心的價格恐怕就超過了要毀滅的目標的價值。所以用鈾-235和钚-239其最主要的原因在于——便宜。

鈾235這種同位素在鈾礦煉制的金屬鈾中的含量大約是0.7%。每年全球的金屬鈾產(chǎn)量在5.5-6.5萬噸。在其中直接乘以0.7%就可以算出每年可以弄出來的鈾-235的最大數(shù)值了。通過高速旋轉(zhuǎn)離心機可以將鈾-235逐漸的分離出來。

但是有一點得注意——鈾-235的濃縮機的轉(zhuǎn)速高達每分鐘7萬轉(zhuǎn)，制造武器級鈾235需要將鈾濃縮到90%以上。這就是一個十分耗能的過程了。鈾-235貴其實是貴在了“電費”上。

而核反應(yīng)堆中如果想用來發(fā)電，那么鈾-235的濃度僅僅需要3-5%就夠了。

更有意思的是——在反應(yīng)堆中，原來金屬鈾中的鈾238通過反應(yīng)堆中中子的照射最終會生成一部分钚-239。

由于钚和鈾是不同的元素，那么就可以用簡單的化學方法進行分離了，這樣就跨過了濃縮鈾這個過程。

所以說實際上喲于多少鈾-235就能弄出多少钚239來，而且钚-239的獲取掠過了大部分的離心機濃縮過程—— 這樣钚-239就比鈾-235更便宜許多了。

還有一點得注意的 是早期的原子彈中的钚會參雜進去一些钚-240，這是一種自發(fā)的中子源，自發(fā)中子輻射是钚-239的幾萬倍。如果用做武器的钚金屬中含有太多的钚-240那么钚彈會迅速的老化失去爆炸的能力。

但是現(xiàn)在 可以用技術(shù)手段降低钚金屬內(nèi)钚-240的濃度到1%以下。

因此在現(xiàn)在看，钚彈是最經(jīng)濟實惠的原子彈材料。