如何造原子弹：从美国人公开的技术资料说起

自从读研究生开始，我们村的人总问我是不是在搞原子弹。在他们看来，原子弹是这个世界最牛逼的东西，最尖端的东西。

这多少让人觉得尴尬。造原子弹固然难，但是比造原子弹更难的科技难题多得去了，至少有关原子弹的核物理是非常清楚的，早已经不是物理学前沿。美国人甚至早就不把相关技术当宝贝，比如这里有公开的曼哈顿计划的内部授课讲义(注意，1965年就公开了)：  

https://en.wikipedia.org/wiki/Los_Alamos_Primer  

这个讲义有点奇怪，貌似用25这个数字代替铀235，数字28代替铀238，数字49代替钚239。有兴趣看看这个讲义还是不错的，当年为了钱而当苏联人间谍的podolsky（EPR的P），把里面的资料以每条300美金的价格出售。更多的间谍，见施郁老师的博文http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-941258.html。

很多人应该见过“手把手教你造原子弹”的文章。恩，原则上造一个能炸的原子弹很简单，如果你有正确的原料的话。能够用来做原子弹的材料大概只有两种，铀235和钚239，只有这两种元素能够支持链式反应。铀在自然界其实很常见，其丰度其实超过金和银，铀矿大把大把地存在。人类早在1789年就发现了铀元素，1841年又成功地分离之。这里有大块的铀饼：

不过，自然界中的铀元素，99.2%都是不能用来造原子弹的铀238，剩下0.7%的才是可以用来造原子弹的铀235。二者的比例为什么这么悬殊呢？在地球形成的初期，二者的比例其实是相当的，只不过，铀235的半衰期是7亿年，而238的半衰期是44亿年（跟地球年龄相当），所以在漫长的岁月里，235经历了好几代衰变，所剩无几。不过总体来讲，235和238的半衰期都足够长，所以他们的放射性不是太强，而且他们放出的是阿尔法粒子，穿透力很弱，这也是为什么图中人可以很安全地把铀饼拿在手中的原因。钚的情况更糟糕，钚239的半衰期只有2.4万年，所以自然界根本找不到钚239，钚元素完全是人造的。

所以，造原子弹最大的困难其实是获得核原料，即铀235或者钚239。当年曼哈顿计划的大部分人力物力财力是是消耗在浓缩铀235上。基本策略无非那几种，让电离后的分子在磁场中偏转而分开，或者通过离心机把他们甩开，或者通过泄流过程让235多流出来（按照maxwell分布率，235比238跑得快）。所有这些过程都必须级联地做成百上千次，消耗能量巨大。下图是曼哈顿工程所建的基于泄流分离235的工厂：

本来离心方式被认为最可行，可是限于当时的技术能力失败了。不过，在今天，离心方式已经成熟，并成为世界各国所普遍采用的浓缩铀的标准办法，反倒是泄流方式被抛弃了。2013年，博主曾经拜访伊朗什叶派圣城库姆，在附近就有伊朗的地下铀浓缩工厂。

不管采用什么方式，浓缩铀到武器级，即让235的比例达到90%左右，所消耗的能量都是惊人的。一般需要为工厂专门建一个中型发电站，所以今天如果一个国家想搞铀浓缩，其相关设施很难逃过中美卫星的监视。最后造出来的原子弹威力固然惊人，但其实为了造它所消耗的能量远远大于其释放的能量。这点也许有点不可思议，不过有必要强调的是，所耗能量强烈地依赖于235的纯度。对于核电厂所用的铀，235的浓度可能10%就够了，甚至完全未经提纯的铀也可以，所以为提纯铀消耗的电能还是远远小于提纯后的燃料所释放的电能的，也就是划算的。事实上，费米当年在芝加哥大学校园里建的第一个核反应堆就是用的天然铀。核电厂为什么可以用低纯度的铀？因为核反应堆里发生的裂变是用的慢中子，235对慢中子的反应截面比对快中子（原子弹里核裂变所用的中子）大几个量级，所以很容易俘获中子发生裂变，裂变的同时放出更多中子，从而维持链式反应。

提纯铀235非常困难。整个曼哈顿计划，美国人也没提出多少235，大概刚刚够造2个原子弹吧。利用反应堆，美国人同时还造了钚239，量也不大。所以，美国人在对日本实战前，只做了一次核试验，即所谓的trinity test。当时用的是钚239。

激光出现后，人们有了激光分离同位素的想法。个人感觉这是非常有前途的技术。美国军方曾经投过巨资。这里面有很多基础物理学问题得解决，所以一帮搞原子分子物理和光学的科学家也拿到了funding。邓小平之子邓质方到美国罗切斯特大学读博士时，老板是大牛eberly，当时他就在eberly手下从事过相关问题的研究，还发过几个prl。不过他后来离开物理了。

不知道激光分离同位素这技术后来发展如何。google的话，资料不多，可能是高度保密的技术吧。

不过，据那个无所不知的格鲁吉亚人说，当今世界铀235的产能过剩，也许不太需要新技术？

有了原料，得组装。这里也有很多困难。跟常规炸弹一样，原子弹存在一个早爆的问题。谈早爆，首先得提临界质量。最早明确提出原子弹构想的frisch和peierls很清楚，中子在任何物质里的平均自由程都比较大（这里是相比其他粒子，如质子，电子，阿尔法粒子等带电粒子），也就是中子是比较容易不留痕迹地从一块铀饼中泄露逃逸的。这就意味着，这块铀饼必须足够大，需要有个临界尺寸，或者说临界质量，才能维持链式反应。具体这个尺寸或者说质量当然依赖于饼的几何形状，但不管什么形状，大致得10厘米。光达到临界质量还不够。临界质量只是说可以自发引爆，还有个效率的问题。原子弹爆炸是个极其复杂剧烈的过程，一旦爆炸开始，铀饼不可避免地膨胀，密度降低，俘获中子的能力也就降低，到一定程度的时候，链式反应就从正反馈变成负反馈，停止了。所以一般只有部分235发生了裂变，剩下的235被炸飞了。广岛的“小男孩”，效率据说只有1%。

在原子弹里，一般的做法是，先准备几块材料，每一块都是临界质量之下，所以单独不会爆炸，然后突然把他们拼在一起。对235，这个问题还好，因为235和238的半衰期都很长。问题是，对钚239，这个拼的过程必须足够快。钚239在自然界不存在，它来自核反应堆里的铀238。问题在于，在制备239的时候，不可避免地制备了部分240。钚240的半衰期只有6500年，所以哪怕239里只混入了1%的240，这些240释放的中子也相当可观。如果拼慢了，还没等你拼好，这些240释放的中子就引爆了你的炸弹，绝大部分辛辛苦苦制备的钚239就浪费了，你的原子弹跟常规炸弹也就没优势了。这貌似是朝鲜的原子弹迄今没有克服的毛病。朝鲜估计是没有能力搞铀浓缩的，所以朝鲜选择更容易获得的钚239。从他们历次核爆的当量来看，早爆的问题一直没克服。美国人当年也没信心，所以曼哈顿计划中，他们请某些公司专门给订制了一个大铁罐子jumbo，准备在罐子里搞钚弹的实验，那样即便失败，也可以把没“燃烧”的钚回收。不过，美国当时国运昌盛，处处走运，最后他们对自己的设计信心满满，就没用那个罐子。实验圆满成功。

美国人在自己的国土上只实验了一次。他们直接拿日本人做实验。广岛长崎这种城市之前从来没被轰炸过，目的就是留着做核试验。他们还专挑白天大家在外面活动的时候。为了最大化破坏力，两颗原子弹都是在离地面几百米的地方被引爆。其中在广岛的那颗，是在一个教堂的正上方，照片如下

因为是冲击波来自头顶，所以天花板荡然无存，但是墙还是立着。

照片所见，植物郁郁葱葱。核爆留下的放射性物质其实不多，即便有，大部分也被蘑菇云的上升气流带走到其他地方了，而且半衰期在几十年的放射性元素产量应该也不大。用那个格鲁吉亚人的话说，原子弹是organic的，是环境友好的。

注1：frish和peierls的原始文章在此：http://www.atomicarchive.com/Docs/Begin/FrischPeierls2.shtml

注2：伊朗最高领袖哈梅内伊反复强调过核武器是邪恶的，伊朗不会发展核武器，但是犹太媒体永远也不会把这个事实转发给全世界。不过，如果以色列可以有核武器，而且还是在美国和法国的帮助下搞的，伊朗凭什么不可以搞？伊朗如果真搞出了核武器，就不会有制裁。

注3：有一本书叫the physics of the manhattan project。作者reed在american journal of physics上曾经连载有关如何造原子的文章。有兴趣可以找来看。这个杂志貌似有发表原子弹相关文章的传统，比如fermi就在上面介绍过他的反应堆 http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp/20/9/10.1119/1.1933322。

注4：为了生产235（或者用于核电站，或者用于造原子弹），人们必须使用大量的铀原料。那些剩下的铀，就是所谓的贫铀，即235浓度降低了的铀。美国人发现这是好的穿甲弹材料，于是在伊拉克和阿富汗等地大量使用，这导致无数美国士兵和当地居民得癌症。一切自有因果，美国人自有报应。至于中国或者世界其他各国是怎么处理贫铀的，是一个问题。