氢弹为什么不直接用氢制造，而要用同位素氘和氚？

2024-03-11 17:48:05 文章来源 :网络围观 : 次评论

　　原因很简单——因为直接用单质氢制造的氢弹不会发生核爆炸，而威力巨大的金属氢又难以获得，所以只能采用氢的同位素氘和氚来做氢弹的核聚变反应材料。

　　需要特别说明的是氘和氚在高压环境下只能以液态形式存在，常压环境下则是气态的（氘气和氚气），因此只能将这两种氢同位素金属化才能实现氢弹实用化，否则一枚威力为1000万吨TNT当量的氢弹重量将会超过80吨。

　　比如说世界上第一枚氢弹——美国的“迈克”核聚变爆炸实验装置，由于当时核聚变材料氘和氚尚未实现金属化，这枚氢弹只能使用大量液态氘和液态氚，整个装置重达82吨！

　　氘和氚的金属化从原理上来说是非常简单的，氘的金属化原理是这样的：首先需要准备熔化的金属锂，将其放置于反应器内，然后向反应器通入高纯度氘气，当金属熔体锂被氘化并冷却后就得到了金属化的氘——Lithium deuteride 98 atom %D，即氘化锂6，这种工艺俗称“氚气曝射法”。

　　氚的金属化要比氘复杂的多，首先需要准备锂锭，然后放到超重水核反应堆里接受核辐射，俗称“热原子反冲氚化法”，当锂锭含氚丰度达到98%以后就能实现氚的金属化，得到氚化锂金属。

　　当然了，金属氚也可以用氚气像制备氘化锂那样获得，俗称“氚气曝射法”，只不过得到的氚化锂丰度很低，不足以在核爆中与氘化锂发生核聚变反应。

　　氘化锂的点火温度为4000万℃，氚化锂则为5000万℃，这也是氢弹必须使用进行引爆的原因，同时也是人类掌握可控核聚变的技术瓶颈。

　　▼下图为氢弹的核聚变材料同位素氘的金属化产物——氘化锂6，同位素氘和氚能做为氢弹核聚变材料的原因正是它们很容易实现金属化，而单质氢的问题在于难以像同位素氘和氚那样实现金属化。

　　那么问题就来了：能不能像氘和氚那样使用金属锂来实现单质氢的金属化，用来取代氢弹中的氘和氚呢？

　　答案是否定的，原因有两个，第一个是开头说到的单质氢并不会发生核聚变反应，所以用单质氢制造出来的核弹本质上还是一枚核裂变爆炸的，无法成为威力巨大的氢弹。

　　第二个原因是氢很难实现金属化，如果非要用单质氢绑在上，那么这样的就会像美国“迈克”一样非常非常重，既没有实战意义，也达不到放大威力的效果。

　　换句话说就是即便单质氢实现了金属化也不能成为氢弹的核聚变装药，而是单纯的“氢炸弹”。

　　“氢炸弹”与氢弹的区别在于“氢炸弹”属于传统化学炸药装填的炸弹，爆炸方式是传统的含能材料化学爆炸；氢弹则是采用核装药装填的物理爆炸装置，爆炸方式为核裂变引发核聚变反应爆炸。

　　但是它们具有一个共同点——威力一样巨大！这就意味着如果金属氢成为现实，那么和氢弹这样的核武器就会被取代，届时也就没有把金属氢拿去装在氢弹里面的必要了，直接用金属氢来做为爆炸装置的装药。

　　这样的装药能使一颗手榴弹释放出相当于一枚导弹的威力，一发155mm榴弹能释放出相当于一枚5000吨TNT当量的战术热核弹头。

　　▼下图为我军曾经装备的各型号航空炸弹，其中3000公斤级的航空炸弹的B成分炸药在触地爆炸时的威力可产生1500米的绝对杀伤半径，如果将B成分炸药换成金属氢，那么绝对杀伤半径将会提升至75000米，相当于一枚10万吨级TNT当量的氢弹，如果实现单质氢金属化，那就没有拿去制造氢弹的必要了。

　　金属氢的制备过程极为科幻，首先需要将单质氢气压缩成液态，然后降温至-259℃，使其变成固态，最后对低温固态单质氢施加几百万个大气压的压力就能得到金属氢。

　　这个过程颇与人工合成钻石极为相似，区别在于合成的钻石可以在常温条件下永久存留，而金属氢则始终要保存在低温高压环境下。

　　世界上制出金属氢的国家有美国、前苏联、英国、法国以及我国，但无一例外受制于储存条件过于苛刻，在获取后短时间内重新变回气态，如果人类能解决单质氢金属化的技术问题，那么超导体电子技术以及武器装备技术将会发生革命性的改变。

　　▼下图为美国科学家团队在《科学》周刊上发表的金属氢制备实验画面截图，该团队使用两块金刚石对一份固态化的单质氢施加每平方英寸（约合6.45平方厘米）超过7170万磅（约合3252万公斤）的压力，从而获得世界上第一份金属氢，然而金属氢一旦失去超高压、超低温环境的储存天剑以后就会立即还原为气态氢，人类难以掌握氢的金属化技术，至少目前无法掌握。

　　第一、不论是单质氢还是氢的同位素氘和氚都是气体，只有在实现金属化以后才能在常温下保存，进而成为实用化氢弹的装药，问题是单质氢的金属化条件太过于苛刻，目前无法实现金属化利用。

　　第二、单质氢金属化以后可成为超导体和高含能材料，爆炸时所产生的威力不亚于氢弹，如果单质氢实现金属化，那么核能武器将会被淘汰，不必再做为氢弹的制造材料使用，而是直接制造“金属氢炸弹”。

　　结语

　　以人类目前技术水平而言，单质氢的利用仅限于气态和液态，比如说使用液态燃料的氢氧火箭发动机，而金属化的单质氢却一直处于研究阶段。

　　未来实现单质金属氢实用化以后必然会首先会被使用到武器装备领域，届时人类在大规模杀伤性武器的使用上将不再有所顾忌，因此金属氢的研究对人类而言究竟是福是祸的问题也应当认真思考。

　　▼下图为金属氢炸弹爆炸的想象效果图，它的威力与氢弹基本相同，区别在于氢弹爆炸时或多或少会产生核辐射，而金属氢炸弹爆炸只会释放能量，不会产生一丝令人恐惧的核辐射，如果真的实现单质氢的金属化，那么人类就会在战争中肆无忌惮地使用这类大规模杀伤性武器，所以单质氢的金属化问题对于人类而言不见得是件好事。

　　图示：氢弹蘑菇云的高度，蘑菇云高度越高越可能形成影响全球气候变化的辐射和扳机效应

　　氢弹不是普通的化学炸弹，如TNT或者黑火药。氢弹释放的能量主要来自于，氢元素在高温高压下聚合在一起，最终转变成一种新的元素——氦元素。而在这个融合转变的过程中，出现了质量亏损，这些亏损的质量通过爱因斯坦发现的质能方程转变成巨大的能量。

　　图示：氢1和氦4原子核的构成差异，氢1没有中子，只有质子而常见的氦元素有两个中子。

　　但是，普通的氢元素与普通的氦元素相比最大的差异在于，普通的氢并不含有中子，只含有一个孤独的质子，即所谓的氢1或者又专门称为氕（pie)，但是普通的氦元素，氦4，可是由两个质子和两个中子构成的。那么在将氢1转变为氦4的过程中，就必须有两个质子转变成两个中子才行，而要做到这件事要么需要输入强大的能量，将电子压进质子让它转变成中子，比如中子星的形成。要么让质子发射一个正电子变成一个中子，这都需要强大的能量输入，而这是人类暂时还做不到的，而即便是我们的太阳依靠它强大的质量产生的巨大的引力，也只能在其核心处才能完成这件事，点燃宇宙中最重要的能量输出形式——核聚变。

　　1、两个氢1猛烈撞击，在此过程中，形成一个不稳定的氦2，其中一个质子释放出一个正电子转变成中子，于是氦2转变成氢2，既氘原子核。

　　H1 + H1 = H2(氘原子核）+ 正电子

　　2、氘原子核再和一个氢1结合，转变为氦3原子核，即拥有两个质子一个中子的不太稳定的氦3

　　H2 + H1 = He3(两个质子+一个中子）

　　3、两个氦3原子核撞击在一起释放能量，转变为氦4原子核，同时释放出两个氢1原子核。

　　He3 + He3 = He4 + H1 + H1

　　图示：氢弹中的核聚变

　　氢弹中的核聚变反应与太阳上的核聚变反应，并不完全相同。由于引发氘发生核聚变的温度和压力是由铀235组成的爆炸提供的，而在爆炸的过程中会产生大量的中子，这些中子和氘原子核撞击在一起形成氚原子核，氚原子核再和氘原子核相撞，形成氦4，同时释放大量核聚变能量。

　　1、H2（氘） + 中子 = H3（氚原子核）

　　2、H2 + H3 = He4 + 中子

　　图示：氢弹结构

　　氢弹由铀235组成的来引爆，然后氘和氚发生核聚变释放的出的聚变能，用来引爆铀238做成的，这可以极大地提高氢弹的爆炸当量，而且理论上可以做到非常非常大，迄今为止人类真正制造并爆炸过的最大一枚氢弹是沙皇核弹，最初设计当量为1亿吨TNT，但最后苏联核物理学家担心，这枚核弹可能会引发不可测的连锁反应，摧毁地球生态圈，因此缩水了一半，制造了一颗5000万吨TNT级别的沙皇氢弹，并将其引爆。

　　氢弹的爆炸当量能做到很大很大，是因为铀238非常稳定，可以让氢弹中储存大量的铀238，当铀238受到高能量刺激后，它也同样可以快速发生裂变释放出大量能量，因此氢弹虽然名为氢弹，其实最终还是靠铀238来主管能量的释放，氢的核聚变释放的能量主要用来刺激铀238的裂变反应。当然，如果没有氢的核聚变，就无法简单地引爆铀238，因此氢弹被称为氢弹，这个名称也不算错误。

　　图示：月球氦3纯化工程

　　因为将两个氦3撞击在一起转变成氦4，同时释放出核聚变能量，这个核聚变反应所需要的条件相对来说最简单，如果可控核聚变技术能成为现实，那么在月球上开采氦3就会变得非常有利可图。

　　确实像问题描述中所说的不含中子的氢（氕）更容易获取，氕的丰度达99.98％，剩下的0.02%才是它的同位素氘和氚。那为什么人类制作氢弹的时候不用氕哪？

　　因为技术上达不到，并且“性价比”不高。

　　恒星如太阳内部的核聚变的原料都是氕，是因为太阳在本身的引力塌陷下可以提供极端的点活条件-高温和高压。并且这种条件是持续型的可以保证核聚变持续型进行，这样太阳才能发光发热100亿年。

　　以上的2D代表氘核，这个过程目的是产生最终氦4所需的中子。

　　在核聚变的过程中会产生大量的穿透力强的不带电中子，这也是核能源的辐射来源。最好的核聚变清洁能源就是氦3，在月球上储存丰富，这也可能是未来的主力能源。

　　普通的氢就是氕，氢的同位素有仨，氕氘氚。普通氢也就是氕原子核只有一个质子没有中子，氘氚分别有一个两个中子。所以普通氢原子核只有质子的话，这俩带正电的质子很难融合成新的原子核实现聚变。而氘氚这俩相对容易发生聚变，仅仅是相对容易。

　　普通的氢，需要像恒星核心那样的高温高压才能启动聚变。目前我们人类还没有能连制造出这样的高温高压让普通的氢发生聚变。所以氢弹、聚变发电暂时采用比较容易聚变的氘氚。

　　实际上普通的氢发生巨变，释放出的能量比他的同位素氘氚聚变可以释放更多的能量。如果未来人类掌握了更先进的技术，普通的氢也可以拿来当做聚变燃料。甚至只要是比铁元素轻的，聚变释放的能量都比引起聚变吸收的能量多。

　　总而言之，使用氘氚聚变是因为这俩聚变要求最低，是最LOW的核聚变。

　　最初学核物理时，也曾和题主一样思考过这个问题，随着不断的深入学习，才解决的了相关的疑惑。

　　不仅仅是氢弹，其实我们制造任何东西，都要至少考虑以下两方面的问题：

　　在制造阶段，这个可行性不仅仅指的是理论上的可行性，必须是方案实行的可行性，氢原子即不具有这种实际制造的可行性。原因如下：

　　原子间核子内部存在一种力叫核力，核力与核子所带的电荷无关，不仅仅存在于中子和中子中间，还存在于中子和质子、质子与质子之间。核力是吸引力。但是核力有一个特点就是短程力，即只有在非常短的距离，作用范围只有10^-15m，这个范围相当于核子只有和同一个原子核内部的相邻的核子才能起到吸引作用，两个即使相邻的原子核也超出了核力的作用范围。

　　所以核力的作用相当于片警，超过了距离就会有另一个力起主导作用了，这时起到主导作用的力就变为了电磁斥力，电磁斥力只发生在带同种电荷的核子中，氢原子核就相当于一个质子，让两个氢核聚时明显作用距离超过了核力的作用范围，只有电磁斥力在起作用，这时需要的外界压力和温度非常高，只有理论上存在聚变的可行性，实际上很难达到这个温度。

　　这个也是非常重要的，要实现量产，所需要的原料必须是在地球能够获取到的，不然也就只能停留在第一个理论阶段，比如现在在月球上才存在的氦3就是比氚更合适的聚变材料，只是因为地球上这种资源太难获取，目前才选择氘氚聚变。

　　当然原料获取阶段是在可行性之后的，如果没有实际可行性，即使拥有再多的材料也是无用的。

　　同位素是指原子核中质子数目相同，而中子数目不同的同一元素的不同核素，它们互称同位素。

　　氢在自然界有三个同位素，即氕、氘、氚，有时也把他们叫做氢1、氢2、氢3，他们就像三兄弟。

　　既然是兄弟，“基因”就是一样的，它们都只有1个核外电子，因为原子核只有1个质子，质子带正电，电子带负电，正负相抵，所以原子就能够保持中性，而稳定的存在。

　　三兄弟不同的是氢1核里只有光秃秃1个质子，没有中子相伴；氢2里面有1个质子，还有1个中子相伴；氢3里面有1个质子，还有2个中子相伴。

　　除了这三种氢的同位素，人造还有氢4、氢5，理论上还要氢6、氢7，这些都是氢的同位素，都是核里只有1个质子，只是中子不一样。

　　自然界最多的就是氕，占有氢元素丰度的99.98%，所以一般就把氕叫做氢了，而把氘叫做重氢，把氚叫做超重氢。氘和氚在自然界的丰度分别只有0.016%和0.004%。

　　通俗的说，所谓核聚变就是在高温高压下，将原子的外围电子驱离，把被电子包裹保护的原子核暴露出来，然后让原子核与原子核融合，把一个较轻的原子核聚合成一个更重的原子核。

　　越轻的原子核发生核聚变的条件相对更容易些，越重的原子核发生核聚变的条件就越高越苛刻。

　　而氢是这个世界已知最轻最简单的元素，而且也是最多的元素，所以，人类当然就先挑它来开刀了。

　　比氢大一级的原子是什么呢？是氦。

　　氦的原子核里有两个质子，因此它的外围有两个电子。

　　氦也有兄弟，就是同位素，叫氦3、氦4。按照前面氢同位素解释，氦同位素与氢同位素是一样的道理，核里面质子数目相同，都是2个，但氦3核里只有1个中子，氦4有2个中子。

　　氢核聚变过程中会将0.7%的质量转化为能量，根据爱因斯坦质能方程计算，这个能量是巨大的。

　　质能方程表达式为：E=MC^2

　　这样每克质量释放出来的全部能量为E=1x10^-3x(3x10^8)^2=9x10^13J。

　　就是90万亿焦耳，这个能量相当于2.5千万度电，2.14万吨黄色炸药的当量，1.5颗广岛爆炸的威力。

　　我们太阳里面的核聚变就是氢核聚变，每秒钟有6亿吨的氢聚变成5.958亿吨的氦，释放出420万吨的质量能量，这些能量以电磁辐射的方式，源源不断的发射到太空，我们地球能捞到这些能量的22亿分之一，就养活了亿万物种的千姿百态。

　　太阳中心温度并不高，只有1500万K，但中心的压力有3000亿个地球海平面大气压，这才是能够使太阳核聚变源源不断的主要原因。

　　说白了，就是氕没有中子，而要聚变成氦所经历的过程就更长，要求的核聚变条件就更高。

　　核爆炸只是一瞬间，但内部的核反应可是经历了许多环节的，这些发生在微观领域的变化，虽然我们眼睛看不到，可科学家们如不弄清楚，是制造不出氢弹的。

　　如果用氕来发生核聚变，过程就如太阳一样:

　　1、1H+1H→2D+e(+)+v，ΔE=1.442MeV，Q(v)=0.265MeV;

　　2、2D+1H→3He+γ，ΔE=5.494MeV；

　　3、3He+3He→4He+2H，ΔE=12.860MeV。

　　这个聚变过程非常干净，而且效率很高，最终成为一部成为氦3聚变，可以说则是一个完美的过程，如果实现可控，将成为未来最清洁高效的能源。而氦3在月球上储量非常丰富，当然目前还是未来的梦想，在此不赘述。

　　理想虽好，实现却非常难。

　　现在人类制造的氢弹，为了达到激发核聚变反应的条件，是用一颗小型的核裂变爆炸产生的亿度高温，如果没有太阳中心的压力，光靠亿度高温是无法激发氕核聚变的，而氘和氚则可以在这种温度中实现聚变。

　　所以只能退而求其次，采用更加难得的氘和氚来制造氢弹了。

　　这个聚变过程是：

　　一般采用铀235或者钚239核裂变作为“雷管”，产生0.5亿度高温，引发6Li+n→T+4He反应，在引发D+T→n+4He+17.6MeV反应，这样产生了1亿度高温，就可激发D+D→H+T+4MeV D+D→n+3He+3.3MeV氘核的两个聚变反应。