散文網(wǎng) » 科技 »人文歷史 » 核武器的設(shè)計①（物理部分——構(gòu)型）

核武器的設(shè)計①（物理部分——構(gòu)型）

2022-06-30 23:30 作者:閃秞 0人讀過 | 我要投稿

ps:本人所在學校沒有物理課，不懂核工程與核技術(shù)，本文僅做探討、娛樂、聊天之用，如有不正請指出。放到現(xiàn)實有一定危險性，擅自模仿本文任意實驗受到傷害后果自負。

原子彈（核彈）

注:原子彈的能量來源源自原子核的裂變，而不是原子整體的能量釋放，所以核彈是最嚴謹?shù)慕蟹?，以此類推，根?jù)氫彈聚變需要的超高溫高壓，則稱之為熱核武器。

一.核彈的理論

? 易裂變核素是核彈的裝藥，如U-235、Pu-239以及U-233。當易裂變核素的原子核受到中子的轟擊時，發(fā)生裂變，產(chǎn)生其他的輕原子核的同時產(chǎn)生能量和額外的中子。額外中子可以轟擊其他原子核，產(chǎn)生鏈式反應(yīng)，巨大能量積累，引發(fā)爆炸。

? 但是，原子核非常小，中子很不容易能撞到原子核，所以，要么核裝藥有一定大?。ㄊ怪凶幽茉谳^大區(qū)域內(nèi)增加遇到原子核的概率），要么核裝藥有一定密度（使中子能在較密的區(qū)域內(nèi)增加遇到原子彈的概率），同樣純度低了，易裂變原子核太少，核彈一樣不能爆。所以，以核材料的形狀，體積，密度，純度等因素，決定了核材料的臨界質(zhì)量。只有核裝藥達到了臨界質(zhì)量+適時注入適量中子這兩個要素，核彈才能爆炸。臨界質(zhì)量設(shè)計中，核裝藥形狀一般為球形，因為同體積下球形的表面積最小，中子泄露少，純度一般大于93%

? 臨界質(zhì)量數(shù)據(jù):

易裂變核素:U-235? 形狀:球形??純度:≥93%? 密度:18.75g/cm3，臨界質(zhì)量:52kg

易裂變核素:Pu-239（晶型:α相）? 形狀:球形? ? 純度:≥94.5%? 密度:19.5g/cm3，臨界質(zhì)量:15.61千克

易裂變核素:Pu-239（晶型:δ相）形狀:球形 ?純度≥93％ ?密度:17.86g/cm3，臨界質(zhì)量:16.7千克

易裂變核素:U-233? 形狀:球形? 純度:≥93%? 密度:19.2g/cm3，臨界質(zhì)量:15kg

此外，核彈需要中子反射層，把泄露的中子反射回核裝藥，這樣節(jié)約中子，可以大量的減少臨界質(zhì)量。加裝一定厚度的中子反射層的上述易裂變核素，臨界質(zhì)量分別減少為17.84kg、6kg、11kg和5.74kg。（此類材料具體的數(shù)據(jù)下文提到）

核彈還需要中子源。中子源利用α放射體的放射性元素（比如鐳、釙、镅）的α射線轟擊鈹元素，產(chǎn)生快中子的儀器。它存在于核彈最中心，在核裝藥達到臨界質(zhì)量的時候注入中子，引發(fā)核爆炸。

核彈可以把核裝藥分開，科研人員預(yù)先計算好一快核裝藥的臨界質(zhì)量，比如算出一個球形的鈾達到臨界質(zhì)量，生產(chǎn)的時候只生產(chǎn)出兩個半圓的鈾塊，置于核彈兩端，引爆時用炸藥爆炸的推力拼合起來便可以達到臨界質(zhì)量產(chǎn)生核爆，這種以數(shù)塊未達到臨界質(zhì)量的核裝藥，引爆時以結(jié)合來增加體積達到臨界質(zhì)量的核彈，被稱為槍式核彈。（如小男孩）

核彈也可以把核裝藥預(yù)先組裝好，在四周安放炸藥，用沖擊波擠壓核裝藥，讓它體積縮小，密度增加達到臨界質(zhì)量，這種核彈被稱為內(nèi)爆式核彈。我們主要討論內(nèi)爆式核彈

所以，由內(nèi)到外的，最最基本的內(nèi)爆式核彈的材料需要中子源、核裝藥、中子反射層與炸藥。

二.核彈的具體構(gòu)造

槍式核彈

? 上圖是美軍重要的鈾核彈mk-1原子彈“小男孩”的構(gòu)造?？梢钥闯觯谛∧泻⒑藦椫泻搜b藥（紅色）并不是以球形來設(shè)計的。在臨界質(zhì)量下，核裝藥是一個圓柱體，總重64kg，未引爆時分開，“嵌套”（空心鈾塊）部分位于彈尾，后裝有無煙炸藥（黃色部分，主要成分是硝化纖維，產(chǎn)氣量巨大，利于“嵌套”部分的推進），“靶標”（實心鈾塊）位于頭部，在靶標四周（空心鈾塊轟擊的位置）固定了10個釙_鈹（α，n）中子源，每個中子源包含釙-210 0.2毫克，外殼為鈹金屬。中子源為雙層結(jié)構(gòu)，外殼和內(nèi)膽由高鈹?shù)弯X的鈹鋁合金制成，外殼的內(nèi)側(cè)預(yù)先貼合金箔，用阿爾法粒子探傷后，用化學法在氯化釙溶液中加入還原劑沉淀0.2毫克的釙附著在箔上，外殼和內(nèi)膽之間留有空間，讓α粒子盡可能被空氣阻隔不與靶材料發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)膽上貼金箔隔離。每個中子源大約在10Ci左右（細節(jié)與下文的胖子的中子源比較相似）當精確電子雷管（核彈用的是微秒級電橋式電雷管）引爆炸藥，“嵌套”以每秒約300米的速度撞擊頭部的鈾塊后，核裝藥達到臨界質(zhì)量，同時在擠壓下，中子源內(nèi)部的金箔被壓破，釙和鈹?shù)靡越嚯x壓合，反應(yīng)后產(chǎn)生大量的中子，射入核裝藥中，引發(fā)核爆炸。

藍色的部件是碳化鎢，一種中子反射材料，厚厚地包裹在核裝藥四周反射泄露的中子，增加核材料的利用率。

但是槍式核彈的利用率極低，在64kg核裝藥中，只有約600g發(fā)生了裂變，簡單的解釋是因為中子在核裝藥的一部分發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生大量熱量。由于熱脹冷縮，周圍的核裝藥受熱膨脹密度下降，達不到臨界質(zhì)量，鏈式反應(yīng)來不及波及每一顆原子核，核裝藥就會被炸散，因此槍式核彈的利用率奇低。

暫時的，槍式核彈大多只使用U-235作為核裝藥。因為Pu-239裂變后，釋放的中子比U-235多，慢中子與Pu-239原子核的反應(yīng)（裂變）截面也比U-235多出163巴的面積（快中子的裂變截面也較大）因此更容易裂變。簡單又不那么嚴謹?shù)慕忉尀?，中子有一定的射程，Pu-239裂變后的中子能飛行一段距離，如果射入另一塊核裝藥，也會同樣引發(fā)裂變。所以槍式核彈兩塊核素都自個兒隔得遠遠的，這是為了防止“提前點火”造成爆炸失效，正因為Pu-239裂變中子產(chǎn)額大，同時里面會有反應(yīng)堆中殘余且難以清除的钚同位素Pu-240，這種核素不需要中子轟擊，自己就能裂變，放出中子禍害還沒有裂變的核裝藥，所以槍式钚核彈極其容易提前點火，甚至在兩塊核材料還沒有接觸到一起的時候，它們之間的“中子互動”構(gòu)建了它們的整體性，于是預(yù)先核爆，直接炸開了，結(jié)果就是當量非常低甚至不能爆炸。解決這個問題的方法是使用其他核裝藥，或者把“槍管”加長，精準計算膛壓，讓钚塊達到一定的速度（遠遠高于上面的300m/s，一說為960m/s）才能爆炸，然而經(jīng)計算，這樣的钚核彈設(shè)計長達六米（如美國的mk-2核彈）大大減少了實戰(zhàn)價值。

內(nèi)爆式核彈

以“胖子”為例，由內(nèi)到外介紹。

美軍設(shè)計的第一款內(nèi)爆式核彈“胖子”核彈（mk-3原子彈），最內(nèi)層是一顆直徑為2cm的Po_Be中子源。中子源強度約為75Ci。點火中子源由兩個部分組成，外殼和內(nèi)膽。其中內(nèi)膽直徑為4mm寬，都由鈹制成。外殼被設(shè)計成楔形橫向槽形狀，實際是為了用較長的空間用空氣隔離鍍在外殼內(nèi)側(cè)的釙-210放出的α粒子，以預(yù)防提前點火。外殼內(nèi)側(cè)貼合金箔后，用沉淀法沉淀1.5毫克的釙-210（在氯化釙溶液中使用還原劑氯化亞錫溶液沉淀釙，還可以提前在氯化釙溶液中加入碲酸為載體，使用氯化亞錫沉淀以后釙會和碲單質(zhì)共沉淀，利于操作）

中子源外面一層是核裝藥Pu-239（途中灰黑色部分），總重6.1kg，直徑92mm。當钚的晶型為α相的時候，雖然臨界質(zhì)量小，但是容易脆斷不利于機械加工，在核彈內(nèi)部容易發(fā)生事故，或者因為碎裂無法起爆。所以在熔煉期間需要添加3～3.5摩爾分數(shù)的鎵單質(zhì)（換算成重量百分比為1～2％），使钚變成不易脆斷的δ相。雖然根據(jù)上文δ相钚臨界質(zhì)量不是很低，但是在厚厚的鈾-238包裹作為中子反射層時，已經(jīng)十分接近臨界質(zhì)量。同時，在外層炸藥的爆轟波擠壓核裝藥時，δ向钚密度驟增，會立刻轉(zhuǎn)化為α相钚，加速鏈式反應(yīng)。因為鎵有腐蝕性，所以需要在核裝藥上用蒸汽法鍍鎳，同時起到保護的效果。包裹核裝藥的紅色部分是U-238單質(zhì)，作為中子反射層。共同直徑為22.2cm。為了防止游離中子禍害核裝藥，反射層外殼包裹了一層3mm厚的硼聚乙烯塑料殼，硼的中子吸收截面極大，能有效保護核裝藥免受外界中子的影響。

更外層（銀白色部分）是鋁單質(zhì)做成的“推體”，共同直徑47cm。核彈中推體的英文是temper，有“夯”的意思。鋁單質(zhì)容易變形，可以將炸藥的沖擊波有效的傳遞到內(nèi)層，效果更好。

最外層的黃色部分是高爆炸藥，共同直徑140cm。炸藥是足球形狀的幾何體，一共32塊炸藥。