二戰(zhàn)中德國原子彈研究失敗的原因，有兩個著名的迷案，一個是“海森堡之謎”，也就是德國當(dāng)時的原子彈研制負(fù)責(zé)人，偉大的量子力學(xué)締造者之一的海森堡到底是故意算錯了鈾的比例還是真的算錯了，這個可能在無法了解真相！除此外，還有另一個謎案，1940年德國在挪威的重水工廠被英國“紅魔”特種部隊(duì)炸上了天！
而詭異的是1943年德國修復(fù)了挪威的重水工廠后，被美國第八航空聯(lián)隊(duì)的轟炸機(jī)再次摧毀，更讓德國人抓狂的是存量的重水在轉(zhuǎn)移途中又雙叒叕的被定時炸彈炸毀，讓德國人的原子彈夢想一而再，再而三破滅，最終德國到戰(zhàn)敗也沒有制造出原子彈！重水怎么會如此重要？
氫的同位素有三種，分別是氕氘氚，氫原子核只有一個質(zhì)子，氘的原子核是一個質(zhì)子一個中子，氚的原子核是一個質(zhì)子，兩個中子！氫是唯一一種同位素不同名字命名的元素！
這三種同位素化學(xué)性質(zhì)幾乎一樣，與氧結(jié)合形成對應(yīng)的水是H2O（普通水），D2O（重水）和T2O（超重水），這是氫的同位素和氧結(jié)合形成的化合物，重水在自然界含量很低，大約只有0.02%，而氚的比例就極低了，因?yàn)樗嬖诎胨テ冢约词褂幸矡o法長期保存。
哪種原子彈更容易制造？
原子彈的原理是利用可裂變材料受到中子撞擊時會裂變成兩個原子核，在虧損質(zhì)量釋放巨大能量的同時也會釋放出2-3個中子，這些釋放出來的中子又會撞擊其它原子核，以此類推，一直到中子能撞擊到的原子核全部裂變?yōu)橹梗?/p>
再來聊聊原子彈有哪幾種？就從核材料上來區(qū)分，現(xiàn)有的原子彈有兩種，一種鈾-235為裂變材料的鈾彈，另一種則是钚-239為裂變材料的钚彈，兩種原子彈都威力巨大，結(jié)構(gòu)也類似，但兩種核材料的取得卻不一樣！
鈾礦其實(shí)在自然界還是比較容易尋找的，但其中的鈾元素主要都是鈾-238，很難引起裂變！而容易裂變的鈾-235，則在提煉出來的鈾中只有約0.7%左右，因此需要將兩者分離，但同位素化學(xué)性能都差不多，只有兩者原子量有細(xì)微的差異，因此大都都是用逐級氣體離心分離法來提純鈾-235！這種方式費(fèi)時費(fèi)力，而且成本極高，有別的路子嗎？
當(dāng)然有，那就選用钚-239作為裂變材料，而且制造一枚钚彈的裝藥量大約只有數(shù)千克（鈾-235的臨界質(zhì)量比較高（鈾235裸球的臨界質(zhì)量為52千克），钚-239的臨界質(zhì)量比較低（α相钚239裸球的臨界質(zhì)量約為10千克），一枚原子彈的核裝藥即使有中子反射層，也還是要盡量接近臨界質(zhì)量），但問題是钚元素在自然界極少，這也難不倒工程師，用鈾裂變堆來制造钚元素！在上文中沒有價值的鈾-238吸收一個中子后會變成鈾-239，然后又會衰變成钚-239！
這就是快中子增殖堆的原理，理論上非常完美，因?yàn)楹瞬牧狭炎儠r就會產(chǎn)生多余的中子，不用也就浪費(fèi)了！
為什么要用減速劑，哪種減速劑最好？
但這些熱中子能量很高，需要將其減速才能被鈾-238吸收，這減速劑常見的就有兩種，一種是輕水，就是我們常見的H2O（當(dāng)然是處理過的，并不是自來水），另一種則是重水，也就是D2O！兩種減速劑都可以使用，但優(yōu)缺點(diǎn)卻不一樣！
輕水非常容易取得，對中子也能減速，但有兩個問題，因?yàn)檩p水減速效率比較差，因此只有足夠濃度的鈾-235才能讓那為數(shù)不多的中子撞擊到下一個鈾-235原子核，保持裂變產(chǎn)生中子再減速，再碰到下一個原子核裂變，維持裂變反應(yīng)。
輕水反應(yīng)堆那多余的中子也能讓鈾增值成钚，但增值生成的钚中同位素钚-240比例比較高，而钚-240有一個毛病，就是自發(fā)裂變比率很高，假如生產(chǎn)的钚中钚-240的比例很高的話，還沒裝成原子彈，自己就爆掉了！因此必須要將钚-240的比例控制在7%以內(nèi)，以達(dá)到武器級钚的程度！
要滿足這個要求，必須是重水減速才能滿足這個需求，而且重水減速效率很高，放在核反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料濃度可以很低（甚至可以用鈾礦石）。并且生產(chǎn)的钚元素中钚-240的比例很低，利用重水來讓礦石級（當(dāng)然核反應(yīng)堆中不可能真的用礦石）的鈾來生產(chǎn)钚-239，因此重水是一種絕佳的減速劑，它就成了原子彈制造時的戰(zhàn)略物資！
假如是直接來制造一枚鈾裝藥的原子彈時，那就跟重水沒啥關(guān)系了，需要的只是無數(shù)將鈾提純和分離的方法，而離心機(jī)則是大規(guī)模分離用得最多設(shè)備，當(dāng)然還有其它方式，但工業(yè)生產(chǎn)還是離心機(jī)居多。
剛上文說明了重水的重要作用是作為中子的減速劑，但同時重水也是核裂變堆中重要的熱量傳遞介質(zhì)，它將裂變的熱量通過管道加熱水，形成的蒸汽推動蒸汽輪機(jī)，然后這些蒸汽冷凝后再重新被送回鍋爐，完成一次蒸汽循環(huán)！而重水則一直封閉在管道內(nèi)，循環(huán)流動，將裂變堆的熱量源源不斷的帶出核反應(yīng)堆。
輕水堆用的則是經(jīng)過凈化的普通水，有壓水堆和沸水堆兩種，壓水堆的熱循環(huán)和重水堆差不多，但沸水堆則是讓輕水直接沸騰，用蒸汽去推動蒸汽輪機(jī)，很顯然沸水堆無法將放射性污染隔離在反應(yīng)堆內(nèi)。
自然界中的水中都含有0.02%的重水，問題只是如何分離。利用重水的特性可以將兩者分離，重水的沸點(diǎn)比水要高2.5℃，因此不斷精餾，最后富集的大部分將是重水（當(dāng)然也有雜質(zhì)，但可以用其他手段將雜質(zhì)濾除）！
另一種是利用D-O鍵鍵能比H-O鍵鍵能稍高，D2O的化學(xué)反應(yīng)速率比H2O慢（也就是同位素效應(yīng)），通過化學(xué)反應(yīng)將水去除，最終得到重水，比如電解法就可以，得到氫氧的同時，副產(chǎn)品就是重水！
還有一種就是利用兩者微小的密度差，重水密度1.105g/mL（水的密度是1），用離心分離取得，但這種成本實(shí)在太高了，幾乎沒有人選用，當(dāng)年德國在挪威被炸的那個重水工廠就建在一個水電站附近，顯然他們用的是電解水方式，大量氫氧被消耗后，剩下的就是富集的重水。
其實(shí)真正有用的不是超重水，而是其組成元素中的氚，氚是氫彈和核聚變堆中必不可少的原料！聚變用的輕核聚合成重核，利用其結(jié)合后的質(zhì)量差轉(zhuǎn)換而成的巨大能量，可控的話就是核聚變堆，如果不可控的話就成了氫彈！
什么樣的元素才可能聚變？
相信大家都知道太陽燃燒的原因就是氫聚變，但氫元素有氕氘氚三種同位素，哪種是太陽能燒的？其實(shí)按質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈來看，太陽上真正大量釋放能量的反應(yīng)并不是氕氕反應(yīng)，而是氕氘反應(yīng)，因?yàn)殡馁|(zhì)子聚合成一個質(zhì)子+中子的氘其實(shí)是一個吸能反應(yīng)，而且還需要量子隧穿效應(yīng)這種極低概率下才能聚合成氘，不過好在是太陽內(nèi)核的氕氕數(shù)量大到難以想象，所以生產(chǎn)的氘還是能滿足太陽燃燒的需要！
根據(jù)元素比結(jié)合能來看，對于人類的技術(shù)層面，氕氘聚變反應(yīng)要求的條件太苛刻了，所以我們退而求其次，選擇了氚氘反應(yīng)來降低條件，但有一個問題，氚存12.5年的半衰期，因此這種物質(zhì)在自然界幾乎就不存在，因此必須用別的方法來制造。
一般氚可以通過中子轟擊鋰-6產(chǎn)生，在氫彈中的核裝藥是氘化鋰，在氫彈的扳機(jī)原子爆炸產(chǎn)生的高溫高壓和中子反射層反射的中子產(chǎn)生的氚和氘聚變，所以氫彈中的氘和氚是臨時生產(chǎn)的，并不是氣態(tài)或者液態(tài)的氘和氚（美國第一個氫彈裝置是液態(tài)的氘和氚，體積龐大，高達(dá)65噸）
6-Li在熱中子輻照下發(fā)生6-Li(n，α)3-H(T)反應(yīng)，反應(yīng)截面高達(dá)942b。
反應(yīng)生成的氘與氚發(fā)生聚變反應(yīng)：
D+T→4He+n+17.62MeV
反應(yīng)點(diǎn)火溫度4×10^7K，是各類元素（同位素）聚變反應(yīng)中點(diǎn)火溫度最低的。1千克的6-LiD爆炸力與50000噸TNT相當(dāng)！
氚的成本大約是3000萬美元/千克，因此在商業(yè)核聚變堆中，也可以用氚氘反應(yīng)的多余中子轟擊鋰-6來產(chǎn)生氚來自持！不過到現(xiàn)在為止，ITER還在為商業(yè)化聚變堆努力，至于自持現(xiàn)在看來還不是特別重要，未來如果能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后，那么自持產(chǎn)生氚的反應(yīng)必定會提上日程，否則氚實(shí)在是太貴了。
這就是重水和超重水兩種物質(zhì)在人類核能利用道路上的重要作用！
