奇怪的是，1943年德国修好挪威的重水厂后，又被美国第八航空联队的轰炸机摧毁了。更让德国人疯狂的是，库存的重水在转运途中被定时炸弹炸毁，让德国人的原子弹梦一次次破灭。最后德国直到战败才造出原子弹！重水怎么会这么重要？

重水在原子弹制造中起到了什么作用？氢有三种同位素，即氘和氚。氢只有一个质子，氘有一个质子和一个中子，氚有一个质子和两个中子！氢是唯一一种同位素用不同名称命名的元素！

这三种同位素的化学性质几乎相同。与氧结合的水对应的是H2O(普通水)、D2O(重水)和T2O(超重水)，它们是氢同位素与氧结合形成的化合物。重水在自然界中的含量很低，只有0.02%左右，而氚的比例极低。因为它有半衰期，即使存在也不能保存很久。

哪种原子弹更容易制造？原子弹的原理是，裂变材料被中子击中时会分裂成两个原子核，失去质量时会同时释放出2-3个中子，这些释放出来的中子会击中其他原子核，以此类推，直到中子能击中的原子核全部分裂！

铀-235的链式反应形成

先说原子弹有多少种。就核材料而言，现有的原子弹有两种，一种是以铀-235为裂变材料的铀弹，一种是以钚-239为裂变材料的钚弹。两种原子弹威力都很大，结构也差不多，只是两种核材料的获取方式不同！

铀在自然界中其实很容易找到，但是其中的铀元素主要是铀-238，很难引起裂变！而易裂变的铀-235只占提取铀的0.7%左右，需要分离，但它们的同位素化学性质相似，只是原子量略有不同，所以大多采用分步气体离心分离提纯！这种方法费时费力，成本极高。还有别的办法吗？

原子弹存放时，铀荷一定小于零边界质量，所以结构很奇怪。

当然，选择钚-239作为裂变材料，一颗钚弹的装药量只有几公斤左右(铀-235的临界质量比较高(铀-235裸球的临界质量为52公斤)，钚-239的临界质量比较低(α相钚-239裸球的临界质量为10公斤左右)。即使有中子反射体，原子弹的核电荷也要尽可能接近临界。不值钱的铀-238吸收一个中子后会变成铀-239，然后衰变成钚-239！

快中子增量过程

这就是快中子增殖反应堆的原理，理论上很完美，因为核材料裂变时会产生多余的中子，如果不使用就会浪费掉！

为什么要用缓凝剂？哪种缓速器最好？但这些热中子能量高，需要减速后才能被铀-238吸收。慢化剂有两种，一种是轻水，也就是我们常见的H2O(经过处理，当然不是自来水)，一种是重水，也就是D2O！两种缓凝剂都可以用，只是优缺点不同！

轻水非常容易获得，可以使中子减速，但有两个问题。因为轻水的减速效率比较差，只有足够浓度的铀-235才能使为数不多的中子撞击下一个铀-235原子核，保持裂变产生的中子然后减速，再与下一个原子核相遇维持裂变反应。

轻水反应堆中多余的中子也可以增加铀转化为钚的价值，但是增值产生的钚中同位素钚-240比较高，钚-240有一个问题，就是自发裂变比很高。如果生产的钚中钚-240的比例很高，它会在装入原子弹之前爆炸！所以钚-240的比例必须控制在7%以内，才能达到武器级钚的水平！

控制棒的作用是吸收多余的中子，避免反应和功率过大。

这就是重水和超重水在人类核能利用中的重要作用！

关于二战德国原子弹研究的失败，有两个著名的谜团。一个是“海森堡之谜”，即当时德国原子弹研制的负责人、量子力学的伟大奠基人之一海森堡故意算错了铀的比例或者真的算错了。这可能是不可能知道真相的！此外，还有一个谜团。1940年，德国在挪威的重水工厂被英国“红魔”特种部队炸了！

要达到这个要求，重水必须减速才能满足这个需求，而且重水的减速效率很高，放入核反应堆的核燃料浓度可以很低(甚至可以用铀矿石)。而且生产出来的钚中钚-240的比例很低，用重水从矿石级的铀中生产钚-239(当然不可能真的在核反应堆中使用矿石)，所以重水是一种极好的慢化剂，它已经成为制造原子弹的战略材料！

离心机原理示意图

如果直接用来做一个装铀的原子弹，跟重水没关系。需要的只是无数种提纯分离铀的方法，而离心机是大规模分离使用最多的设备。当然还有其他方式，但是工业生产还是以离心机为主。

重水的另一个重要作用刚刚解释了，重水的重要作用是作为中子慢化剂，但同时，重水也是核裂变反应堆中重要的传热介质。它通过管道用裂变热加热水，形成的蒸汽推动汽轮机，然后蒸汽冷凝再次送回锅炉，完成一个蒸汽循环！重水已经被封闭在管道里循环，把裂变反应堆的热量源源不断地带出核反应堆。

轻水堆使用的是经过净化的普通水，包括压水堆和沸水堆。压水堆的热循环类似于重水堆，而沸水堆直接将轻水煮沸，用蒸汽驱动汽轮机。显然，沸水反应堆无法隔离反应堆中的放射性污染。

如何准备重水？自然界的水含有0.02%的重水，问题只是如何分离。利用重水的特性，两者可以分离。重水的沸点比水高2.5℃。所以大部分重水经过连续蒸馏后会被富集(当然也有杂质，但杂质可以通过其他方式过滤掉)！

另一种是D-O的键能略高于H-O，D2O的化学反应速度比H2O慢(即同位素效应)，这样就可以通过化学反应除去水，最后得到重水，比如电解。得到氢气和氧气，副产品就是重水！

另一种是利用两者之间微小的密度差异。重水的密度为1.105g/mL(水的密度为1)，通过离心分离得到。但是，成本太高，几乎没人选。德国在挪威轰炸的重水工厂就建在水电站附近。很明显，他们用的是电解水。大量的氢气和氧气被消耗后，剩下的就是浓缩重水。

超重水能做什么？其实真正有用的不是超重水，而是氚，是氢弹和核聚变反应堆必不可少的原料！用于聚变的轻核聚合成重核，结合后利用质量差转化的巨大能量，可控的话就是核聚变反应堆，不可控的话就是氢弹！

什么样的元素可以融合？相信大家都知道太阳燃烧的原因是氢聚变，但是氢有氘氚三种同位素，太阳能燃烧的是哪一种？其实根据质子-质子反应链，真正在太阳上释放大量能量的反应不是反应，而是氘反应，因为氘从质子聚合成质子+中子其实是一个吸能反应，需要量子隧穿效应，聚合成氘的概率非常低，但好在是太阳的核心。

根据元素的特定结合能，氘聚变反应所需要的条件对人类的技术来说太苛刻了，所以我们选择氚氘反应来降低条件，但是有一个问题是氚的半衰期是12.5年，所以这种物质在自然界几乎不存在，所以必须用其他方法制造。

一般氚可以通过中子轰击锂-6产生。氢弹中的核装料是氘化锂。氢弹触发原子爆炸产生的高温高压与中子反射层反射的中子产生的氚和氘发生聚变，所以氢弹中的氘和氚是暂时产生的，而不是气态或液态的氘和氚(美国第一个氢弹装置是液态氘和氚，体积巨大，65吨)。

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

反应产生的氘和氚发生聚变反应；

D+T→4He+n+17.62MeV

反应点火温度为4×10^7K，是各种元素(同位素)聚变反应中最低的。1公斤6-LiD的爆炸威力相当于5万吨TNT！

氚的成本约为3000万美元/千克，所以在商用核聚变反应堆中，还可以用氚-氘反应产生的过剩中子轰击锂-6，产生氚自持！但到目前为止，ITER仍在为商用聚变反应堆而努力。至于自持，现在看来也不是特别重要。如果将来能商业化，自持产生氚的反应肯定会提上日程，否则氚太贵了。