重水到底是個啥玩意，制造原子彈一定要用重水嗎？

首先了解一下何為“重水”。

簡單通俗的說，“重水”顧名思義，就是比普通水，也叫“輕水”要重一些。輕水和重水都是由2個氫原子和1個氧原子結(jié)合而成，但氫在自然界有三種同位素，即氕、氘、氚。同位素就是原子核里的質(zhì)子是一樣的，因此帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子都是一樣的，但種子數(shù)目不一樣，雖然看是同一種東西，性質(zhì)就有了很大的不同。

普通水分子由2個氕原子和1個氧原子組成，分子式為H2O（2為下標(biāo)，后同），氕原子核里只有一個孤零零的質(zhì)子，沒有中子；重水分子由兩個氘原子和1個氧原子結(jié)合而成，分子式為D2O，核子里有1個質(zhì)子和1個中子。

這樣，這兩種水就不一樣了，首先分子量發(fā)生了變化，就是質(zhì)量輕水為18.0153，重水為20.0275，重水比輕水質(zhì)量高出約11%；兩種水的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)都發(fā)生了變化，在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，輕水沸點(diǎn)為100℃，冰點(diǎn)為0℃，而重水的沸點(diǎn)為101.42℃，冰點(diǎn)為3.8℃；輕水的密度為1g/cm^3，重水密度為1.1079g/cm^3。

輕水在自然界很多，遍地都是，而重水則頗為稀少，它們隱藏在清水里，只占0.02%。由于這兩種水的特點(diǎn)不一樣，就形成了不同的用途：輕水是人類不可或缺的飲用水，重水不能飲用能致人死地，而且不能用于澆灌，不能使植物種子發(fā)芽；但由于重水參與化學(xué)反應(yīng)速率比輕水要慢，因此可以用作中子減速劑，在制造核燃料過程發(fā)揮重要作用。

制造原子彈裝藥并不一定需要重水。

制造原子彈最重要的是制造出有巨大爆炸威力的“裝藥”，這個“裝藥”主要有3種，即鈾235、钚239和鈾233。美國投放在日本廣島的原子彈“小男孩”采用的是鈾235裝藥，投放到日本長崎的原子彈“胖子”采用的是钚239裝藥。

原子彈之所以很難制造，就是這些裝藥在自然礦藏中含量很低，在天然鈾中每140個鈾原子才有1個鈾235，其余139個都是鈾238，鈾235豐度只有0.714%。而原子彈裝藥的鈾235含量必須達(dá)到90%以上，這就需要提煉和濃縮。提煉和濃縮鈾235是一個很復(fù)雜的過程，但并不需要反應(yīng)堆，因此不需要重水。

二戰(zhàn)時(shí)老美集中了許多科學(xué)家，包括一部分逃離納粹德國迫害的科學(xué)家，探索實(shí)驗(yàn)了多種提取方案，研究出采用電磁分離、氣體擴(kuò)散和熱擴(kuò)散等三種比較高效的方法提取高濃度鈾235，第一顆原子彈的幾十千克高濃鈾就是通過電磁分離法得到的。

現(xiàn)在世界上提取濃縮鈾235多采用氣體擴(kuò)散和熱擴(kuò)散法進(jìn)行，其原理就是把鈾礦石氣化成的六氟化鈾，然后根據(jù)鈾238和鈾235的比重沸點(diǎn)不同，將它們分離出來。我們常從媒體聽到的所謂“伊核”、“朝核”問題時(shí)提到的離心機(jī)，就是采用氣體擴(kuò)散法需要的氣體離心機(jī)，通過這些離心機(jī)把鈾235甩出來。

由此可以看出，制造鈾彈是不需要重水的。

制造钚239有重水路線，但也可以另辟蹊徑。

重水只是一種核反應(yīng)堆使用的減速劑。

狹義的核反應(yīng)堆是專指用于處理核裂變的裝置，其主要功能是能夠維持可控自持式核裂變反應(yīng)，使核能得到利用。反應(yīng)堆的種類很多很復(fù)雜，根據(jù)反應(yīng)堆使用的減速劑不同，可分為石墨堆、輕水堆、重水堆、有機(jī)堆、熔鹽堆、鈹堆等，而輕水堆又包含壓水堆、沸水堆等。而在全世界核能利用中，輕水堆是最多的，其中的壓水堆占61%，沸水堆占24%，而重水堆只占5%。

這是因?yàn)橹厮谧匀唤缣倭?，要提取是很難的一件事。二戰(zhàn)時(shí)期，納粹德國就是選用重水來制造核彈，困難重重，最終才沒有得逞，否則世界歷史就將改寫。而美國采用電磁法濃縮出了高濃度鈾235，又制造出了世界第一個石墨堆，生產(chǎn)出了钚239。這樣投放了兩顆原子彈到日本廣島和長崎，才促使日本投降，否則戰(zhàn)爭還將持續(xù)一段時(shí)間。

有人計(jì)算過，如果一定要進(jìn)入日本本土作戰(zhàn)，在日本頑強(qiáng)抵抗下，軍民死傷人數(shù)將可能超過數(shù)百萬。從這個意義上來說，廣島長崎犧牲了近20萬平民，他們無選擇地用生命換取了更多人的生存。

這種做法迄今頗受爭議。在這里我們不評說這個事件，只是說老美由于沒有用重水制造原子彈，而得到了先機(jī)。

重水堆對钚239制備的作用。

钚在自然界是不存在的，需要通過鈾238吸收塊中子生成鈾239，再經(jīng)由β衰變形成镎239，再一次β衰變成钚239。钚239濃度要達(dá)到93%，才能夠作為核彈裝藥。

輕水堆和重水堆都可以生成钚239，但不同的是輕水堆中生成的钚含有大量的钚240，這種钚240極不穩(wěn)定，自發(fā)裂變比率很高，钚239里面混入钚240比例很高就非常容易發(fā)生爆炸。國際標(biāo)準(zhǔn)是，钚240含量超過19%就是廢材，沒有利用價(jià)值，只能填埋處理；钚240含量在7~19%之間則作為燃料級钚，可以在快中子反應(yīng)堆繼續(xù)使用；钚240少于7%就是武器級钚，可以通過進(jìn)一步提純制造原子彈裝藥。

而且要從钚240含量很高的钚中提純，即便在重水堆中，也很難很難，難度大大高于分離鈾235。因此要真正的制造原子彈級钚239，只能一開始就建造重水堆，才能夠提純出高純度的钚239。

重水制造的方法很多，最初采用電解法生產(chǎn)，還可以根據(jù)重水沸點(diǎn)高于輕水的特性進(jìn)行反復(fù)蒸餾獲得。目前具有商業(yè)意義的兩種方法是，水~硫化氫交換法（GS法）和氨-氫交換法。反正制備重水成本是很高的，這里就不展開來說了。

就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。

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