疯狂的物理工程,带你看原子弹“胖子”的工作原理和投放过程!

愿意做你的晴天 2024-11-11 12:43:10

这是70多年前日本品尝到的第二颗原子弹"胖子",为什么它的威力比第一颗原子弹"小男孩"还要大?工程师又是如何完成这项疯狂的物理工程的?由于原子核内包含的质子和中子越多就越不稳定。对此工程师决定将钚元素作为核燃料和核武器的裂变剂。

由于它的原子核稳定性相对较差,在与一个自由中子发生碰撞时就会发生核裂变。并且在钚原子分裂的同时还会再次释放出两到三个新中子以及大量的能量。当这些新中子又与其它钚原子发生碰撞就会发生新一轮的裂变。如此循环往复的过程就叫做裂变链式反应。在这一过程中会瞬间释放巨大的能量。

而胖子最里面的这个只有2厘米的中子源小球就是用于产生最初所需要的中子(9.2cm)。其内部是一个直径9.2厘米的钚球。最初的钚球处于亚临界状态,如果想要发生裂变链式反应就需要达到6.19公斤的临界质量。

为了让钚球从亚临界变为临界状态工程师想到了一个最简单粗暴的办法,那就是压缩。在正常情况下裂变所释放的中子在跟其它原子核反应之前就会失去一部分自身能量,这会让原子间的间隙不断增大从而无法确保持续的进行裂变反应。但如果能将钚球压缩就能大幅缩小原子间的间隙,使中子不断击中原子的概率大大增加,这样就能使裂变反应持续下去。

但想要压缩钚球到临界状态却十分的困难,这需要30万个大气压,相当于50万头大象所施加的压力并且受力也必须保持对称,这样才能压缩至目标形状。对此工程师决定在钚球周围放置炸药。

但问题是用这种方式爆炸产生出来的冲击波会将钚球压缩成不对称形状。于是工程师又将炸药分成了三层,分别由快速炸药和慢速炸药组合。如此一来就能改变爆炸冲击波的曲率,使钚球能够均匀受力并达到临界状态。

同时其内部还装有一个中子诱发器,内胆和外壳均由能释放大量中子的铍制成,中间的部分装填的是能释放a粒子的放射性物质钋。在钚球的外层包裹着一个铀238制成的圆球,它能将散射出来的中子反射会钚球内,以此来提高核裂变效率。

在铀球的外层是一层硼塑料外壳,可以吸收游离的中子,防止提前爆炸。之后又包裹着一层厚厚的铝球,能将炸药的冲击波均匀有效的传递到钚球上。

在最外层是由黑索金和TNT组成的32块快速炸药,以及32块快速炸药和慢速炸药的组合包裹而成。为了引爆这一层炸药,工程师在每块炸药上都配备一根雷管,最后用一个厚厚的钢壳包裹起来,并用大量的螺丝进行固定。同时在旁边还安装一个非常关键的X单元电容器,主要负责将高电压下产生的电流通过导线传输到里面的32根雷管中,以此来引爆炸药。

在另一边还安装了一个传感器,计时器和雷达控制器。最后工程师套上了胖子的外壳,并在上面安装4个测距雷达,以此来测量与地面之间的距离。其尾部的结构设计也能让原子弹在空中保持一个相对稳定的姿态。如此一来,原子弹"胖子"就建造完成了。

那么它又该如何正确的投放呢?1945年8月8日,工程师将胖子装进一架大名鼎鼎的B29轰炸机中。在经过几个小时的飞行后,飞机来到了最初的投放地点:日本小仓市。但由于当时小仓市的上空乌云密布,视线极差,无法精准投放。于是司令部决定启动备用方案,前往了155公里之外晴空万里的长崎市。

当"胖子"急不可耐的跳出机舱时,里面的计时器也开始启动。十五秒后,气压传感器和雷达系统启动。43秒后,当测距雷达计算出"胖子"离地面只有500米时,X单元顷刻间被激活,高达5000伏的电流引爆雷管,使外层和内层的炸药相继爆炸。

其超过30万个大气压的冲击波,使钚球瞬间达到超临界状态,同时也压垮了核心的中子诱发器。在不到百万分之一秒内,其释放出大量的中子与超临界状态的钚球发生裂变链式反应,最终释放出巨大的能量,并产生出了一个温度高达4000℃的巨大火球。以每小时1000公里的速度向外冲击,所到之处一片废墟。同时还伴随着致命的伽马辐射,最终造成长崎市4万人直接死亡。有超过20万人在数十年后死于了核辐射之中。

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