核彈是利用易裂變元素進行鏈式反應，將虧損的質(zhì)量以質(zhì)能方程：E=MC2轉(zhuǎn)化成如沖擊波、輻射等形式的能量，在幾百萬分之一秒內(nèi)釋放出來，從而造成巨大破壞的武器，下面，我們將詳細介紹一枚核彈的設計過程。

第一章?認識裂變物質(zhì)

首先允許我小小地科普一下，按照宇宙物理學的圖景，我們的宇

宙產(chǎn)生于一個奇點，起初并沒有物質(zhì)，只有能量與弦，在弦與能量交匯的節(jié)點產(chǎn)生了光子，高能光子又分裂為正負電子對，隨著弦的波動與能量的糾纏誕生出強子及電子、中微子等各種物質(zhì)，這些物質(zhì)如夸克、電子等以精細對稱的形式結(jié)合成穩(wěn)定的基團，也就是我們熟知的各類元素，在大質(zhì)量的天體如恒星的中央，較輕的元素比如氫，在巨大的壓力下進行聚變反應產(chǎn)生出新的更重的元素，如氦、鋰，同時釋放出能量，這一自持聚變?nèi)紵磻獙υ有驍?shù)在鐵之前的元素是有效的，對于鐵之后的物質(zhì)，則可能是晚年恒星坍縮爆炸的產(chǎn)物，所以平衡性減小，如果原子核受到新的粒子如中子、或者質(zhì)子等擾動，則新基團的勢壘將高于核子結(jié)合能，核子將分裂開來，并釋放出多余的結(jié)合能，這就是核能的來源。

第二章?核反應簡介

在這里我們主要探討中子所造成的核反應，當一個自由中子入

射到原子核附近時，按照不同的幾率，會產(chǎn)生如下幾種反應：

1.?彈性散射（EL），就像兩個乒乓球相撞，然后又互相彈開了，改變的僅僅是各自的速度和運動方向，我們通過經(jīng)典力學就足夠了解它們了。

2.?非彈性散射(NON)，當發(fā)生非彈性散射時，中子首先被原子核吸收形成激發(fā)狀態(tài)的復合核，然后復合核通過發(fā)射伽馬射線放出中子而回到基態(tài)，發(fā)生這一反應的前提是中子的動能必須達到原子核的第一激發(fā)態(tài)。

3.?吸收(INL)，吸收反應就是中子被原子核吸收掉了，產(chǎn)生出一個不穩(wěn)定的復合核，通過發(fā)射各種物質(zhì)如：γ、α、氫離子等來消耗多余的能量來回到基態(tài)，有一類元素在吸收低能中子后有很大概率分裂成幾個較小的原子核，并釋放2個以上的中子，引發(fā)新一輪的裂變反應，反應式為：

（1）

這種元素被稱為易裂變元素，在核反應工程中具有重要的意義，如鈾-235、钚-239就屬于此類物質(zhì)。

當不同能量的中子入射到不同物質(zhì)中時，發(fā)生每種反應的幾率是不一樣的，稱之為核反應截面，現(xiàn)在網(wǎng)絡上有詳細的評價核數(shù)據(jù)庫供我們使用。例如鈹-9的總截面譜為：?

第三章?邊界條件：核臨界及彈芯設計

下面我們來正式進入核彈的理論設計工作，我們知道核彈的爆

炸來自于鏈式反應（1）放出的巨大能量，而如何使（1）持續(xù)地進行下去，我們就要引入“核臨界”這個概念，即單位時間內(nèi)穿過單位體積的中子數(shù)保持恒定，即中子通量守恒。在沒有外中子源的情況下，核燃料內(nèi)部的中子擴散方程為（我們假定只有快群中子參與反應）：

（2）

?在反射層內(nèi)部，中子擴散方程為：

?（3）

?

??（4） ??????

?????（5）

???（6） ?????

??????（7）

首先，方程（2）有通解：，

由條件（6）知AC=0，故有;

在反射層中（3）有通解：

，由于邊界條件（7），故有：

因此有：

。A為新的參數(shù)。

由條件（4）、（6）可得：

將以上兩式相除，我們就可得到帶有反射層的球型核彈臨界方程：

（8）式給出了帶有反射層的彈芯在核臨界時各種材料的物理性質(zhì)與他們半徑的關系。經(jīng)計算，在帶有足夠厚度的鈹中子反射層時，鈾-235的臨界質(zhì)量為13KG。在我們的設計中，彈芯材料選為鈾235，反射層為鈹9，彈芯由幾層球狀的金屬殼構(gòu)成，中心部位是一個半徑為3cm的聚變材料球，它是一個鈹制的空心金屬球，里面填充氘化鋰固體，用來發(fā)生聚變反應，外部為3.2cm厚的鈾235燃料層（鈾-235總重量為18.5KG），以及6cm厚的鈹制反射層，我們將一部分反射層布置在外圍，以保證未點火前核彈處于次臨界狀態(tài)，通過查詢評價核數(shù)據(jù)庫并計算，容易得到如下參數(shù)：

DC=1.02cm,BC=0.3059m，R=7cm,Dr=0.25/cm,

代入計算（6）式計算，易得當T=4cm時，彈芯是亞臨界的，當T=6cm時，彈芯處于超臨界狀態(tài)，故而我們將2.5cm厚的鈹布置在緊貼著鈾-235表面，其余的放在爆轟驅(qū)動機構(gòu)中去，為了使反射層具有足夠的中子屏蔽性能及動量，我們在外圍布置3cm厚的鈹加1cm厚的鈾-238金屬，總質(zhì)量大約為50KG,當然最后不能忘記在彈芯中間插上一根半徑約2cm的中子管（具體設計見后文），這樣我們就完成了彈芯的臨界設計（當然出于材料的考慮，我們完全可以換成钚-239,這樣只需要根據(jù)中子截面重新算一遍參數(shù) 就可以了）。結(jié)構(gòu)示意圖如下：

第四章?綜合設計

然而光有臨界狀態(tài)的彈芯尺寸還不夠，為了能安全地操作并滿

足顧客的需要，我們需要為彈芯裝上一套驅(qū)動裝置（即能迅速地將彈芯由次臨界狀態(tài)變?yōu)槌R界狀態(tài)的動力裝置）及相應的遙控系統(tǒng)，這樣，恐怖份子大帝就可以躺在綠洲上操縱世界了。

4.1??驅(qū)動裝置我們選用一個球形爆轟驅(qū)動裝置，示意圖如下：

?

該裝置的原理是由布置在最外側(cè)的一組炸藥透鏡均勻地引爆主炸藥柱1產(chǎn)生一個向心爆轟波，推動4cm厚的中子反射層2向鈾-235燃料球3迅速壓縮，當反射層與核燃料之間緊密結(jié)合時，延時電路啟動中子管釋放出中子來點燃處于超臨界狀態(tài)的核燃料，從而引發(fā)鏈式反應。要取得良好的爆轟壓縮效果，我們必須對每個過程及參數(shù)進行周密地計算。

? 首先 我們需要求得中子反射層即飛板被炸藥1驅(qū)動后能達到的最高加速度以及加速的時間，設t=0時，密度為，長度為l，質(zhì)量為m，爆速為D的炸藥在外圍被均勻起爆，t=l/D時，爆轟波到達反射層M表面，根據(jù)文獻【15】，粒子的速度u滿足關系：

（7）

?

其中 ?（8）

??????

????????(9)

我們可以算出，u的極限值大約是D/3，為了盡可能地提高壓縮效果，m/M取7~8左右，飛行空腔不宜過長，否則會造成較大的變形，按常規(guī)取為4.5cm就足夠了，我們要推動的反射層內(nèi)徑為13.2cm,外徑為17.2，其中包括3cm厚的鈹金屬，1cm厚的鈾238,總重量為40kg，這樣向心壓縮時，它們就可以完美地親吻到核燃料球上，主炸藥1的質(zhì)量取為400kg，材料可以選用JO-9159，該種炸藥密度為1.86g/cm3,正常爆速為8.86km/s,爆壓為36.8Gpa，Gurney速度為2.85km/S，與美國的PBX-9404炸藥性能相當，屬于我國軍方最好的炸藥。我們可以將反射層制成如下圖的錐體均勻布置在球面上：

經(jīng)計算，主炸藥的外徑為38.5cm，炸彈總質(zhì)量約一噸左右。爆轟波從主炸藥外端傳播至反射層共耗時t=S/U=2.39X10-5秒，隨后反射層金屬通過4.5cm的自由空腔被加速到接近Gurney速度，約3KM/s撞擊核燃料球，飛行耗時1.5X10-5秒，兩者共計耗時3.85X10-5秒。

4.2 ?炸藥透鏡

在炸藥中，爆轟波是以電子雷管為點爆散心的，而我們所設

計的裝置是一個直徑一米多的球體，為了將球面波轉(zhuǎn)化成我們所需的平面波，均勻地投射到主炸藥表面，我們可以仿效光學折射原理，利用兩種高低爆速的炸藥組合成炸藥透鏡，即平面波發(fā)生器。如圖（十）所示： ??

?????

在這里，我們以Baratol(TNT/Ba(NO3)2作為低速炸藥，

鑄裝TNT/RDX（40/60）作為高爆速炸藥，兩者交界面處理成圓滑雙曲面，錐頂角β符合如下公式：

帶入計算得頂角為為53°，為了在球面上保持對稱，我們

將32個多邊形炸藥透鏡對稱裝在主炸藥的表面，就像一個個突起的足球皮，1945年胖子核彈就是采用類似的炸藥透鏡，由于對爆炸時間計算的需要，該炸藥透鏡的工作高度可近似看成是軸線處（即尖頂處）低速炸藥Baratol高度的1.4倍左右，所以爆轟波通過炸藥透鏡的時間是1.5X10-5秒。

最后為了將中子管部件插入裂變材料中心，我們需要拆掉一

塊炸藥透鏡組件，這對其產(chǎn)生的不均衡度不到10%，是可以接受的。

第五章 ?中子管組件

5.1 商品中子管的使用

中子管是為核彈提供中子源的關鍵部件，它是利用penning放電原理，將氫離子通過引出電極并高壓加速后轟擊在靶材料上，進行D-D、D-T反應，即：

從而產(chǎn)生17Mev或者3Mev的中子，對于核彈專用中子源，最重要的指標是中子產(chǎn)額。

一個很簡便的辦法就是，我們只要弄到實驗室或大學的批文就可以購買成品，用途就注明是探傷檢測。目前市面上可以買到的中子管大致有如下幾種型號，

5.2 自己研發(fā)的產(chǎn)品

如果買不到成品，或者不合要求，也可以自己來組裝一個，并且投產(chǎn)后還可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益，下面來介紹一種目前通用的高效中子管，圖片來自文獻【10】：

?

主要由

?????1.空腔penning離子源2.加速電極3.鋯-石墨儲氘器4.銅-鈦靶5.真空陶瓷外殼6.高壓電源控制系統(tǒng)，等6個主要部分組成，目前美國最先進的中子管產(chǎn)額可穩(wěn)定達到1014n/S,而我們因為材料及真空工藝的原因，目標定在1010n/s也能湊合用了。

設計并制造一個精密的電子產(chǎn)品并非易事，我們可以根據(jù)已有的產(chǎn)品及理論來優(yōu)化細節(jié)，盡量少走彎路，節(jié)省投資。

一種可靠的中子管結(jié)構(gòu)圖如下：

?

為了跟我們所設計的核彈相匹配，離子源的陽極為φ14mm的鉬電極筒，靠末端是空腔鉬陰極，其中空腔結(jié)構(gòu)為：2mmX10mm的凹槽，這種結(jié)構(gòu)可以增大軸線處等離子體密度。參考文獻【11】，靠近加速極的是對陰極，中間開一4mm的孔，兩極間距為2mm,極間用絕緣子絕緣。外面分別用絕緣子固定在φ17mm的可伐金屬筒上，再把可伐金屬筒與1.5mm厚的氧化鋁陶瓷外殼焊接在一起，這樣做的好處是將強磁場限制在筒內(nèi)，并加強了結(jié)構(gòu)強度。0.5T的強磁場由兩塊釤鈷鎳永磁體提供，在200°以內(nèi)場強穩(wěn)定。氣壓控制裝置與儲氘器相整合，工作時用一根鎢燈絲加熱，功率為5V，6A。靶做成頂角為120°的圓錐以增加聚變反應面積，靶基為無氧銅，靶膜為0.74~0.78mg/cm2的鈦靶，采用電子槍蒸鍍工藝制成。平時管內(nèi)壓強為10-5Pa，工作時為10-3Pa。

5.2.1中子管高壓電源系統(tǒng)【12】

中子管電路共需要三路電源，5KV/20mA的離子源電源，5V/6A的燈絲電源,以及200KV/5mA的靶極電源。在這里，我們可以直接購買市場成品然后組裝起來，為了便于核彈的機動部署，整枚核彈用高能電池組統(tǒng)一供電，通過逆變器及開關電源轉(zhuǎn)換后提供給其他用電部門，需要注意的是，中子管高壓電極開啟時間應設定在常規(guī)炸藥點火后5.35X10-5秒。

例如：天津東文高壓廠的高壓電源模塊可以穩(wěn)定達到5KV，20mA的技術條件，有民用，工業(yè)，軍品三種型號可選擇，模塊外形如圖：

5.3 電子雷管及手機遙控裝置

下面我們來確定電子雷管及手機遙控開關，為了降低設計成本，直接采購市場成品。

電子雷管是國際上成熟發(fā)展并逐漸走向普及應用的一種先進的引爆產(chǎn)品，目前仍有較大發(fā)展?jié)摿?，與傳統(tǒng)的延時火藥雷管相比，具有安全性高，誤爆率低達10-12，定時精度可達0.1ms，擁有不可替代的優(yōu)勢，電子雷管的基本原理如圖【14】：

?

從開關穩(wěn)壓電源上接一路15VDC電線給控制器儲能電容C1及起爆儲能電容C2充電，C2采用一個68uf/50V的陶瓷電容，在已充電情況下，當單片機判斷起爆器傳來“起爆”脈沖信號時，即啟動K3，引爆雷管， K3采用一個裝有兩級反相器驅(qū)動的MOS-FET物理開關，可高效迅速地將電容C2中的能量導入點火橋絲。

為方便起見，我們可購買現(xiàn)有產(chǎn)品加以適當改裝。

例如：日本旭化成工業(yè)公司在二十世紀八十年代開發(fā)的EDD高精度電子雷管，示意圖如下:

5.32???手機遙控電路

手機遙控開關作為核彈的總開關，要求在宇宙中任何一個有手機信號覆蓋的城市均能遙控起動核彈引爆程序，手機遙控器可選用國內(nèi)某公司相關產(chǎn)品，外型及參數(shù)如圖：

?

這樣，通過將上述部件組裝在一起，一枚絕對可以起爆的低成本高效率的核彈就誕生了，希望能對大家有所幫助：）

參考文獻

1.?閻昌琪.核反應堆工程.哈爾濱工程大學出版社.2004

2.?黃祖洽.核反應堆中子動力學基礎.北京大學出版社.2007

3.?韓銀錄.中子與裂變核238U反應雙微分截面的理論分析.期刊論文.2004.28(2)

4.?朱士堯.核聚變原理.中國科學技術大學出版社.1992

5.?蔡章生.核動力反應堆中子動力學.國防工業(yè)出版社.2005

6.?л.п.ОРЛЕНКО.Explosion Physics.ФИЗМАТЛИТ.2002.

7.?孫承緯.多級炸藥爆轟驅(qū)動技術的Gurney模型優(yōu)化分析.期刊論文.2004.24(4)

8.?孫承緯.平面二級炸藥強暴轟驅(qū)動裝置的優(yōu)化設計.期刊論文.2009.23(2)

9.?趙鋒，炸藥強爆轟驅(qū)動高速飛片的實驗及理論研究.2005

10.?王啟新.強度為2.5X109中子管的研制.期刊論文.1993.27(3)

11.?Л.М夏寧.等離子體發(fā)射帶電粒子束源.國防工業(yè)出版社.2000

12.?楊喜峰.便攜式1010中子發(fā)生器電路的研制.2004

13.?韓秀鳳.對炸藥驅(qū)動飛片速度的理論計算方法及評價.期刊論文.2005.28(1)

14.?劉星.幾種典型電子雷管簡介.期刊論文.2003.12

15.?炸藥爆炸理論。

謹記

哈恩發(fā)現(xiàn)了核裂變反應

至今已過去68個年頭

你在圖書館，正凝視著書上的字母

我卻在一旁計算你嘴邊弧線的方程，

?

聚變、裂變、散射、俘獲，那是誰的發(fā)現(xiàn)

我像孤獨的中微子，已在銀河中穿梭了幾十萬光年

加速器加速了我的心跳

離心機分解了我的夢想

?

思念像鏈式反應般蔓延

當時空已經(jīng)被電離

聚變就是你我唯一的宿命

?

我給你的愛寫在核彈發(fā)射之前

想不起幾個世紀前造成了穿越

只因無力看見你離去的身影

我眼底的等離子體燃起了火焰

卻無法擊穿灰色的空氣，吻上你冰冷的陰極。