Boom！一種元素的爆炸藝術(shù)

作者：老徐諾維奇

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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Boom！

隔壁家化肥炸了！

上世紀70年代末，中國農(nóng)民剛接觸到“硝銨化肥”。這種神奇玩意，讓土地一下子產(chǎn)生了新的活力。當然，很少有人去看說明書上“禁止加熱，禁止鐵錘敲擊”的字樣。于是，總有那么一些倒霉蛋，發(fā)現(xiàn)化肥受潮結(jié)塊之后，拿火去烤，或者拿錘子，鋤頭等去砸，結(jié)果就是全村吃飯……

硝銨化肥，現(xiàn)在銷售的都是鈍化過的產(chǎn)品，不能拿去當炸藥的，但是同樣不建議好事者拿去敲著玩。不管大朋友和小朋友都要牢記（圖片來源：veer）

化肥也會爆炸？

因為硝銨化肥的主要成分是：硝酸銨（NH4NO3），它本身就是炸藥的一種，加熱或者鐵錘的敲擊，都能引爆它。

氮：爆炸的靈魂元素

爆炸其實就是迅速釋放出大量能量，快速壓縮周邊的固體液體氣體，產(chǎn)生并將沖擊波傳遞出去產(chǎn)生破壞效應的過程。無論是壓力容器爆破的物理爆炸，還是炸藥爆炸這種化學爆炸，還是核爆炸，其實都是一樣的道理。

硝酸銨正是一個完美的炸藥標本。硝酸銨里同時存在正價（硝酸根的氮）和負價的氮（銨離子的氮），它們正好構(gòu)成一個氧化還原反應里的應有的氧化劑和還原劑。

在這個反應中，固體硝酸銨瞬間釋放出大量氣體，體積迅速膨脹。反應同時還釋放了大量的熱，使氣體受熱膨脹，局部壓力進一步劇烈增大。氣體在壓力的作用下向四周擴散并傳遞壓力，產(chǎn)生了沖擊波和破壞效應，這就形成了爆炸。

如果將爆炸產(chǎn)能的氣體進行初步約束，使之不能隨意擴散從而得到更強的沖擊波，這就是爆炸的入門玩法：炸彈，各種炸彈還可以利用沖擊波撒布高速飛行的破片和鋼珠來增強殺傷力。如果通過設計將爆炸的沖擊波進行有效利用，那就是高級玩法：爆炸成形，它不僅用于破甲彈或者把U235/Pu239小塊壓成一個高密度的小球，也用于某些特殊金屬零件的生產(chǎn)加工。

美軍的M8A1“闊劍”定向地雷上的“FRONT TOWARD ENEMY”，翻譯成中文就是大名鼎鼎的“此面向敵”。引爆地雷時，從這行字后面飛出的鋼珠雨會成為進攻方的噩夢。（圖片來源：搜狐網(wǎng)）

現(xiàn)代的各種火炸藥大多數(shù)都是利用硝基和碳氮分子骨架，在組合類似硝酸銨的氧化還原加大量產(chǎn)氣的反應，加上各種助劑，生產(chǎn)出實用的火工品。其中，硝基作為氧化劑和氮氣的元素供體，幾乎是絕大多數(shù)火炸藥分子中的必備成分。從這個層次上來說，氮元素就是完美的Boom！元素。

炸藥還是肥料，這是一個問題

由于氮分子中兩個氮原子結(jié)合的非常緊密，早期人類除了利用豆科植物根瘤菌等微生物在土壤里固氮以外，沒有其它手段將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化成動植物所能利用的含氮化合物（了解一下氮元素的奇幻漂流）。除了天然的硝石礦（含氮的硝酸鹽礦物）和鳥糞石外，相當長的時間里人類是沒有什么能夠大量供應“固體”狀態(tài)氮的手段。所以，能夠制造出含氮化合物是農(nóng)業(yè)（化肥）和軍工（炸藥）的重要保障。

氮元素的天然循環(huán)（圖片來源：veer圖庫）

中國硝石資源匱乏，歷史上一直都是在天然的氮循環(huán)里拼命榨取寶貴的氮元素。但是中國居然點出了火藥這個科技樹：通過天然材料的混合，組合起氧化劑硝石（天然礦物硝酸鹽），還原劑木炭（碳）與硫磺（天然硫），通過硝酸鹽氧化碳等化學反應，放出能量和氮氣、二氧化碳等氣體，沒錯，這就是“四大發(fā)明”里的黑火藥。

桶裝黑火藥,大航海時代的主角之一（圖片來源：veer圖庫）

但是，火藥發(fā)明大概一千多年后的抗日戰(zhàn)爭時期，受困于硝石資源的匱乏，敵后戰(zhàn)場的八路軍依然要通過刮廁所和硝田等一切手段，收集微生物分解有機物釋放出的硝酸鹽來生產(chǎn)火炸藥，用于生產(chǎn)子彈、手榴彈和地雷。此外，使用易燃的硝酸纖維素的電影膠片也是敵后戰(zhàn)場極重要的火藥原材料（硝酸纖維素的易燃性也是當年電影工廠火災頻發(fā)的原因）。這一時期，中國能夠獲取的氮產(chǎn)物（硝酸鹽）基本圍繞著戰(zhàn)爭資源進行，很少能夠應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

硝酸鹽緊缺的問題一直持續(xù)到新中國成立后。在156工程中從蘇聯(lián)引進的幾套中小型合成氨和氨氧化制硝酸裝置（一般稱小氮肥裝置）和其后中國自行建設的一些裝置，雖然提供了相當?shù)南跛猁}產(chǎn)能，但始終無法滿足軍工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。所以在建國初期，以收集和利用糞便和動植物尸體發(fā)酵來獲取天然氮肥為目的的堆肥、積肥的活動一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工作。

直到上世紀70年代末“四三”工程中從西方引進的十幾套大型的合成氨-氨氧化的“大氮肥”裝置逐漸投產(chǎn)，大幅度緩解了氮肥供應的緊缺局面，農(nóng)民只需要去買包化肥撒進田里就行，大大減輕了農(nóng)業(yè)的勞動負擔。順便說，現(xiàn)在中國的化肥產(chǎn)能是世界第一（也意味著炸藥產(chǎn)能是No.1）。

談到工業(yè)生產(chǎn)氮肥的技術(shù)，就得說到另一個缺硝石的國家：德國。作為近代化學化工強國，德國化學家哈伯點出來了這樣的技能：利用空氣中的氮和氫氣在鐵催化下合成氨的哈伯合成法，然后加上鉑催化的氨氧化環(huán)節(jié)，就得到了硝酸。硝酸可以進一步生產(chǎn)各種各樣的硝化物，用于工農(nóng)業(yè)和軍工。比如硝酸+氨水混合在一起，就能得到前文提到過的又能作肥料又能做炸藥的硝酸銨。

在能相對廉價利用空氣中的氮元素大量生產(chǎn)化肥和火炸藥的技術(shù)支持下，耕戰(zhàn)所需的氮資源都有了保障，于是德國就有了打兩次世界大戰(zhàn)的底氣（需要注意帝國主義之間戰(zhàn)爭的非正義性）。

弗里茨·哈伯，合成氨技術(shù)的發(fā)明人

現(xiàn)代炸藥：硝化有機物的主場

哈伯實際上解決了含氮化合物生產(chǎn)的最大難點：資源。在工業(yè)合成氨技術(shù)還不成熟的時候，炸藥之王諾貝爾已經(jīng)確認：硝化有機物將是炸藥的正確方向。

從不安全的硝酸甘油酯（沒錯，就是心臟病藥物那個硝酸甘油）這種隨便搖搖燒瓶就能炸的暴躁化合物，到使用硅藻土安定硝酸甘油的黃色炸藥，到炸藥代言人三硝基甲苯（TNT），再到各種現(xiàn)代高能炸藥，硝基幾乎永遠是必不可少的部分。

TNT，炸藥的形象代言人，可應用于一切爆炸場合外，還是爆炸威力的計量單位。（圖片來源：veer圖庫）

經(jīng)典炸藥TNT的特質(zhì)在于安全，安全就意味著能夠廣泛應用。這種黃色膠狀物很難引爆。它耐沖擊，耐熱，很適合裝填進炮彈彈頭里。炮彈過期怎么辦？可以用熱水蒸汽把TNT融化洗出來就能回收鋼材和TNT，而不用冒著銷毀不完全的風險引爆銷毀。另外，TNT甚至用明火都無法引爆，而是穩(wěn)定燃燒。抗美援朝戰(zhàn)場上的志愿軍炊事員拿從美國未爆航彈里拆出的TNT當柴燒，“使用比木柴方便、燃燒穩(wěn)定、不易滅、煙小”——這和大家印象里的炸藥一樣么？當然各位讀者應該都沒有面對過范佛里特彈藥量，就不要學著燒TNT了。

引爆?。▓D片來源：veer圖庫）

所以TNT通常需要使用雷管作為引爆裝置。影視里“3，2，1，起爆，然后壓下一個桿狀物”的鏡頭，正是接通電雷管的電路使雷管爆炸從而引爆TNT的操作。雷管里常見的引爆藥雷汞，也是從硝酸鹽衍生過來的化合物，不穩(wěn)定，易爆炸。在老軍工功臣吳運鐸老先生的自傳《把一切獻給黨》里，不止一次提到了雷管突然爆炸受傷的事故。

現(xiàn)代高能炸藥，碳環(huán)骨架部分往往采用帶有張力的環(huán)結(jié)構(gòu)，以提高能量密度。比如CL-20（六硝基六氮雜異伍茲烷）的分子骨架具有張力，能夠在環(huán)解體的反應中放出更多的能量。但是，提供氧化劑的部分還是分子里的多個硝基。與硝酸銨一樣，CL-20分子里的硝基不僅提供了氧化能力，還產(chǎn)生爆炸膨脹做功的氮氣，所以這是氮不可取代的根本原因。

CL-20的結(jié)構(gòu)，CL-20還存在有性能差異的異構(gòu)體

當然，能爆炸的分子也有不走尋常路的。有一類化合物的代表實際上離大家的生活更近：汽車的安全氣囊需要迅速充氣，靠氣瓶的充氣速度和充氣量不足以達到安全氣囊的指標要求。那么就只能靠爆炸過程中迅速大量產(chǎn)生氣體在撞擊瞬間灌滿安全氣囊，這個救命的炸藥就是不含硝基的疊氮化鈉（NaN3），它爆炸分解的時候放出的氮氣能夠滿足給安全氣囊充氣的性能需求。

彈出（炸開）的汽車安全氣囊（圖片來源：veer圖庫）

上天也離不開氮

過年時玩的竄天猴，里面是一團黑火藥，點燃這團火藥產(chǎn)生的推力使之能“嗖”一聲飛上天空。而現(xiàn)代的固體火箭，不管是SRB一類的固體助推器、快舟火箭還是各種固體火箭動力的導彈、火箭彈，其實跟竄天猴類似，也是內(nèi)部充填固體燃料來產(chǎn)生推力。簡單來說，固體火箭燃料的本質(zhì)就是一種猛炸藥（如黑索金、奧克托今、以及前面提到的CL-20等）和粘結(jié)劑、添加劑混合均勻然后澆鑄成一根藥柱——確實就是竄天猴里那坨黑火藥的高級版。

更先進的固體推進劑意味著需要具有更強大的爆炸性能的炸藥。從目前文獻和新聞報道中出現(xiàn)的疊氮推進劑、氮陰離子鹽等消息來看，未來的固體火箭推進劑不僅離不開氮元素，反而進一步增加了氮元素在分子里的比例，在分解燃燒的時候能產(chǎn)生更多的氮氣，放出更多的能量，從而提供更強的推力。

至于含氮的液體火箭推進劑，讀者們應該對四氧化二氮加偏二甲肼這對搭檔非常熟悉。氧化態(tài)氮的四氧化二氮和還原態(tài)氮的偏二甲肼混合產(chǎn)生劇烈的氧化還原反應，放出大量的熱和氣體，這就是火箭飛行的推動力。

發(fā)射神舟飛船的長征2F運載火箭，燃料是四氧化二氮和偏二甲肼（圖片來源：人民網(wǎng)）

就算不爆炸，也一樣能量澎湃

最后，來一點不是炸藥，但是一樣充滿了能量的東西吧！

敦煌100MW光熱電站（圖片來源：中新網(wǎng)）

這是位于甘肅敦煌的100MW塔式光熱熔鹽電站。它通過反射鏡聚集陽光加熱塔頂?shù)募療崞?，然后通過塔下5800噸熔鹽儲能，驅(qū)動蒸汽輪機轉(zhuǎn)化為電能！這種電站使用的熔鹽正是熔鹽級硝酸鉀。

2019年，敦煌這個“超級鏡子電站”實現(xiàn)滿負荷發(fā)電，夏季工況下24小時連續(xù)發(fā)電突破180萬千瓦時。這標志著我國成為世界上少數(shù)掌握大規(guī)模熔鹽塔式光熱電站成套核心技術(shù)的國家。它充分利用了沙漠地區(qū)的土地和光照資源，并可減少相當?shù)臄?shù)量的碳排放和環(huán)境污染。

光熱式電站和光伏發(fā)電的本質(zhì)區(qū)別在于，光伏發(fā)電是通過半導體元件直接進行光-電轉(zhuǎn)換，存在白天和晚上的發(fā)電峰谷變化，對電網(wǎng)來說不夠友好；而光熱電站是通過眾多的反射鏡反射陽光，用熔鹽存儲熱量，在沒有光照的夜間也能夠利用儲熱進行發(fā)電。

光熱式電站的投入使用，標志著我國已經(jīng)比較好地解決了熔鹽對管路的腐蝕問題。這個技術(shù)難點的攻克，還意味著另一個充滿能量的科技樹也被打開了——釷基熔鹽堆。釷基熔鹽堆的核燃料釷232的地質(zhì)儲量遠大于鈾235，意味著核電所需的礦產(chǎn)資源將不再是瓶頸。

在我國釷基熔鹽核裂變堆的技術(shù)研發(fā)過程中，使用的無放射性熔鹽就是硝酸鹽，然后再使用硝酸釷或者氟化釷核燃料熔鹽進入裂變產(chǎn)能環(huán)節(jié)。在中科院先導專項“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”的技術(shù)支持下，我國已經(jīng)在極度缺水的甘肅民勤地區(qū)建設全世界第一個第四代先進裂變核能技術(shù)的釷基熔鹽堆示范核電站。這個核電站的建設，擺脫了傳統(tǒng)核電站離不開自然水體作為冷卻水的地理布局限制，也為我國內(nèi)陸干旱貧困地區(qū)將自然條件劣勢合理轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢，進行地區(qū)產(chǎn)業(yè)脫貧提供了一條新的路線。