重水和轻水是同一种物质吗？重水这种普通化工原料

二战中德国原子弹研究失败的原因，有两个著名的迷案，一个是“海森堡之谜”，也就是德国当时的原子弹研制负责人，伟大的量子力学缔造者之一的海森堡到底是故意算错了铀的比例还是真的算错了，这个可能在无法了解真相！除此外，还有另一个谜案，1940年德国在挪威的重水工厂被英国“红魔”特种部队炸上了天！

而诡异的是1943年德国修复了挪威的重水工厂后，被美国第八航空联队的轰炸机再次摧毁，更让德国人抓狂的是存量的重水在转移途中又双叒叕的被定时炸弹炸毁，让德国人的原子弹梦想一而再，再而三破灭，最终德国到战败也没有制造出原子弹！重水怎么会如此重要？

重水在原子弹制造过程中扮演了什么角色？

氢的同位素有三种，分别是氕氘氚，氢原子核只有一个质子，氘的原子核是一个质子一个中子，氚的原子核是一个质子，两个中子！氢是唯一一种同位素不同名字命名的元素！

这三种同位素化学性质几乎一样，与氧结合形成对应的水是H2O（普通水），D2O（重水）和T2O（超重水），这是氢的同位素和氧结合形成的化合物，重水在自然界含量很低，大约只有0.02%，而氚的比例就极低了，因为它存在半衰期，所以即使有也无法长期保存。

• 哪种原子弹更容易制造？

原子弹的原理是利用可裂变材料受到中子撞击时会裂变成两个原子核，在亏损质量释放巨大能量的同时也会释放出2-3个中子，这些释放出来的中子又会撞击其它原子核，以此类推，一直到中子能撞击到的原子核全部裂变为止！

铀-235的链式反应形成

再来聊聊原子弹有哪几种？就从核材料上来区分，现有的原子弹有两种，一种铀-235为裂变材料的铀弹，另一种则是钚-239为裂变材料的钚弹，两种原子弹都威力巨大，结构也类似，但两种核材料的取得却不一样！

铀矿其实在自然界还是比较容易寻找的，但其中的铀元素主要都是铀-238，很难引起裂变！而容易裂变的铀-235，则在提炼出来的铀中只有约0.7%左右，因此需要将两者分离，但同位素化学性能都差不多，只有两者原子量有细微的差异，因此大都都是用逐级气体离心分离法来提纯铀-235！这种方式费时费力，而且成本极高，有别的路子吗？

原子弹存放时，铀装药必须小于零界质量，所以结构上怪怪的

当然有，那就选用钚-239作为裂变材料，而且制造一枚钚弹的装药量大约只有数千克（铀-235的临界质量比较高（铀235裸球的临界质量为52千克），钚-239的临界质量比较低（α相钚239裸球的临界质量约为10千克），一枚原子弹的核装药即使有中子反射层，也还是要尽量接近临界质量），但问题是钚元素在自然界极少，这也难不倒工程师，用铀裂变堆来制造钚元素！在上文中没有价值的铀-238吸收一个中子后会变成铀-239，然后又会衰变成钚-239！

快中子增值过程

这就是快中子增殖堆的原理，理论上非常完美，因为核材料裂变时就会产生多余的中子，不用也就浪费了！

• 为什么要用减速剂，哪种减速剂最好？

但这些热中子能量很高，需要将其减速才能被铀-238吸收，这减速剂常见的就有两种，一种是轻水，就是我们常见的H2O（当然是处理过的，并不是自来水），另一种则是重水，也就是D2O！两种减速剂都可以使用，但优缺点却不一样！

轻水非常容易取得，对中子也能减速，但有两个问题，因为轻水减速效率比较差，因此只有足够浓度的铀-235才能让那为数不多的中子撞击到下一个铀-235原子核，保持裂变产生中子再减速，再碰到下一个原子核裂变，维持裂变反应。

轻水反应堆那多余的中子也能让铀增值成钚，但增值生成的钚中同位素钚-240比例比较高，而钚-240有一个毛病，就是自发裂变比率很高，假如生产的钚中钚-240的比例很高的话，还没装成原子弹，自己就爆掉了！因此必须要将钚-240的比例控制在7%以内，以达到武器级钚的程度！

控制棒的作用是吸收多余的中子，避免反应过快，功率超标

要满足这个要求，必须是重水减速才能满足这个需求，而且重水减速效率很高，放在核反应堆内的核燃料浓度可以很低（甚至可以用铀矿石）。并且生产的钚元素中钚-240的比例很低，利用重水来让矿石级（当然核反应堆中不可能真的用矿石）的铀来生产钚-239，因此重水是一种绝佳的减速剂，它就成了原子弹制造时的战略物资！

离心机原理示意图

假如是直接来制造一枚铀装药的原子弹时，那就跟重水没啥关系了，需要的只是无数将铀提纯和分离的方法，而离心机则是大规模分离用得最多设备，当然还有其它方式，但工业生产还是离心机居多。

重水的另一个重要作用

刚上文说明了重水的重要作用是作为中子的减速剂，但同时重水也是核裂变堆中重要的热量传递介质，它将裂变的热量通过管道加热水，形成的蒸汽推动蒸汽轮机，然后这些蒸汽冷凝后再重新被送回锅炉，完成一次蒸汽循环！而重水则一直封闭在管道内，循环流动，将裂变堆的热量源源不断的带出核反应堆。

轻水堆用的则是经过净化的普通水，有压水堆和沸水堆两种，压水堆的热循环和重水堆差不多，但沸水堆则是让轻水直接沸腾，用蒸汽去推动蒸汽轮机，很显然沸水堆无法将放射性污染隔离在反应堆内。

如何来制备重水？

自然界中的水中都含有0.02%的重水，问题只是如何分离。利用重水的特性可以将两者分离，重水的沸点比水要高2.5℃，因此不断精馏，最后富集的大部分将是重水（当然也有杂质，但可以用其他手段将杂质滤除）！

另一种是利用D-O键键能比H-O键键能稍高，D2O的化学反应速率比H2O慢（也就是同位素效应），通过化学反应将水去除，最终得到重水，比如电解法就可以，得到氢氧的同时，副产品就是重水！

还有一种就是利用两者微小的密度差，重水密度1.105g/mL（水的密度是1），用离心分离取得，但这种成本实在太高了，几乎没有人选用，当年德国在挪威被炸的那个重水工厂就建在一个水电站附近，显然他们用的是电解水方式，大量氢氧被消耗后，剩下的就是富集的重水。

超重水能干嘛？

其实真正有用的不是超重水，而是其组成元素中的氚，氚是氢弹和核聚变堆中必不可少的原料！聚变用的轻核聚合成重核，利用其结合后的质量差转换而成的巨大能量，可控的话就是核聚变堆，如果不可控的话就成了氢弹！

• 什么样的元素才可能聚变？

相信大家都知道太阳燃烧的原因就是氢聚变，但氢元素有氕氘氚三种同位素，哪种是太阳能烧的？其实按质子-质子反应链来看，太阳上真正大量释放能量的反应并不是氕氕反应，而是氕氘反应，因为氕氕的质子聚合成一个质子 中子的氘其实是一个吸能反应，而且还需要量子隧穿效应这种极低概率下才能聚合成氘，不过好在是太阳内核的氕氕数量大到难以想象，所以生产的氘还是能满足太阳燃烧的需要！

根据元素比结合能来看，对于人类的技术层面，氕氘聚变反应要求的条件太苛刻了，所以我们退而求其次，选择了氚氘反应来降低条件，但有一个问题，氚存12.5年的半衰期，因此这种物质在自然界几乎就不存在，因此必须用别的方法来制造。

一般氚可以通过中子轰击锂-6产生，在氢弹中的核装药是氘化锂，在氢弹的扳机原子爆炸产生的高温高压和中子反射层反射的中子产生的氚和氘聚变，所以氢弹中的氘和氚是临时生产的，并不是气态或者液态的氘和氚（美国第一个氢弹装置是液态的氘和氚，体积庞大，高达65吨）

6-Li在热中子辐照下发生6-Li(n，α)3-H(T)反应，反应截面高达942b。

反应生成的氘与氚发生聚变反应：

D T→4He n 17.62MeV

反应点火温度4×10^7K，是各类元素（同位素）聚变反应中点火温度最低的。1千克的6-LiD爆炸力与50000吨TNT相当！

氚的成本大约是3000万美元/千克，因此在商业核聚变堆中，也可以用氚氘反应的多余中子轰击锂-6来产生氚来自持！不过到现在为止，ITER还在为商业化聚变堆努力，至于自持现在看来还不是特别重要，未来如果能实现商业化后，那么自持产生氚的反应必定会提上日程，否则氚实在是太贵了。

这就是重水和超重水两种物质在人类核能利用道路上的重要作用！

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