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  利用铀-235或钚-239等重原子核裂变反应,瞬时释放出巨大能量的核武器。亦称裂变弹。原子弹的威力通常为几百至几万吨级梯恩梯当量,有巨大的杀伤破坏力。它可由不同的运载工具携载而成为核导弹、核航弹、核地雷或核炮弹等。

目录

基本原理

  铀-235、钚-239这类重原子核在中子轰击下,会分裂成两个中等质量数的核(称裂变碎片),同时放出2~3个中子和约180兆电子伏能量(相当于2.9×10-11焦耳)的核能。放出的中子,有的损耗在非裂变的核反应中或漏失到裂变系统之外,有的继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一代裂变的中子数平均多于1个,裂变系统中就会形成自持的链式裂变反应,中子总数将随时间成指数增长。例如,当引起下一代裂变的中子为两个时,则在不到百万分之一秒内,就可以使1千克铀-235或钚-239内的约2.5×1024个原子核发生裂变,并释放出 17500吨梯恩梯当量的能量。此外,在裂变碎片的衰变过程中,还会陆续释放约2000吨梯恩梯当量的能量。因此,1千克的铀-235或钚-239如果完全裂变,总共可释放约 20000吨当量的能量。

  要使链式反应自持地进行下去,原子弹中裂变装料必须大于一定的数量,这个最低限量称临界质量。临界质量的大小与裂变装料的种类、密度、形状及环境有关。铀-235裸球的临界质量约为50千克,δ相钚-239(密度为15.7克/立方厘米)裸球的临界质量约为16千克,而ɑ相钚-239(密度为19.4克/立方厘米)裸球的临界质量只有10千克左右。如果在裂变装料外面包上反射中子性能良好的铀-238或铍作反射层,则可减小其临界质量,如在δ相钚-239包上 2厘米厚的铀-238球壳,其临界质量可减小到约11千克。此外,提高裂变装料的密度,也能有效地减小其临界质量,如密度提高一倍,其临界质量约可减小到原来的 1/4。原子弹要装足够量的裂变装料(亦称核装料),但它在平时必须处于次临界状态,否则裂变装料中自发裂变产生的中子或空气中游荡的中子,会引起链式反应而造成核事故。

结构和裂变装料

  原子弹的设计原理,是使处于次临界状态的裂变装料瞬间达到超临界状态,并适时提供若干中子触发链式反应。超临界状态可以通过两种方法来达到:一种是“枪法”(gun method),亦称压拢型。即把2~3块处于次临界的裂变装料,在化学炸药爆炸产生的力推动下迅速合拢而成为超临界状态。另一种是“内爆法”(implosion method),亦称压紧型。即用化学炸药爆炸产生的内聚冲击波及高压力,压缩处于次临界的裂变装料,使裂变装料的密度急速提高,而处于超临界状态。与“枪法”相比,“内爆法”可少用裂变装料,因而被广泛采用。

  原子弹主要由引爆系统、炸药层、反射层、核装料和中子源等部件组成。引爆系统用来起爆炸药;炸药是推动、压缩反射层和核装料的能源;反射层由铍或铀-238构成。铀-238不仅能反射中子,而且密度较大,可以减缓核装料在释放能量过程中的膨胀,使链式反应维持更长的时间,从而能提高原子弹的爆炸威力。核装料主要是铀-235或钚-239。铀-235存在于天然铀中,但含量只有0.72%。原子弹需用含量达90%以上的高浓铀。钚-239在中子轰击下发生裂变的几率比铀-235大,裂变后放出的中子数也较多,用它作核装料对提高核武器的比威力和使核武器小型化较为有利。钚-239在自然界中不存在,是通过核反应堆用中子照射铀-238生成的。但生成物中还有钚-240,它的自发裂变几率很高。钚-240含量越多,过早点火的危险就越大,即核装置可能在尚未达到预定的超临界状态就发生链式裂变反应,因而使威力达不到设计指标。内爆法原子弹所用的钚中,钚-240含量一般不允许超过10%。含钚-240达20~30%的钚,只能制造低当量或当量范围要求不太严格的原子弹。枪法原子弹中不宜用钚作核装料,因为压拢的速度较慢,过早点火几率太大。镅、锔等超钚元素也有用作核装料的前景。裸球锔-245的临界质量只有 3千克左右,这对原子弹的小型化有重要意义。但超钚元素的产量太低,成本昂贵,目前还未实际使用。

  为了触发链式反应,必须有中子源提供“点火”中子。核装置的中子源可采用:氘氚反应中子源、钋-210-铍源、钚-238-铍源和锎-252自发裂变源等。

爆炸过程

  核装置在接到起爆指令后,引爆系统的雷管使炸药起爆,炸药的爆轰产物推动并压缩反射层和核装料,使之达到超临界状态,中子源适时提供若干点火中子,于是核装料内发生链式反应,并猛烈释放能量。随着能量的积累,温度和压力迅速升高,核装料便逐渐膨胀,密度不断下降,最终又成为次临界状态,链式反应趋向熄灭。从雷管起爆到中子点火前是爆轰、压缩阶段,通常要几十微秒;从中子点火到链式反应熄灭是裂变放能阶段,只需零点几微秒。原子弹在如此短暂的时间内放出几百至几万吨梯恩梯当量的能量,使整个弹体和周围介质都变成了高温高压的等离子体气团,其中心温度可达几千万摄氏度,压力达几百亿大气压。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、γ射线和裂变碎片,最终形成冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲等杀伤破坏因素(见核武器杀伤破坏效应)。

研究与发展

  原子弹是科学技术的最新成果迅速应用到军事上的一个突出例子。从1939年发现核裂变现象到1945年美国制成原子弹,只花了 6年时间。

  1939年10月,美国政府决定研制原子弹,1945年造出了三颗。一颗用于试验,两颗投在日本。1945年 8月6日投到广岛的原子弹,代号为“小男孩”(Little Boy),是一颗“枪法”铀弹,长约 2.5米,直径0.71米,重约4.1吨,威力不到20000吨。同年8月9日投到长崎的原子弹,代号为“胖子” (Fat Man),是一颗“内爆法”钚弹,长约3.3米,直径1.5米,重约4.5吨,威力约20000吨。

  其他国家爆炸第一颗原子弹的时间如下:苏联──1949年8月29日;英国──1952年10月3日;法国──1960年 2月13日;中国──1964年10月16日;印度──1974年5月18日。

  中国第一次核试验以塔爆方式进行,用的是“内爆法”铀弹。1965年 5月14日第二次核试验时,核装置用飞机空投。1966年10月27日第四次核试验时,核弹头由导弹运载。

  自1945年以来,原子弹技术不断发展,体积、重量显著减小,战术技术性能日益提高。美国1963年服役的155毫米榴弹炮的核炮弹,长度不到1米,直径只有15厘米,重量约54千克,当量约在1000吨以下。原子弹小型化对于提高核武器的战术技术性能和用作氢弹的起爆装置(亦称“扳机”)具有重要意义。为适应战场使用的需要,发展了多种低当量和威力可调的核武器。为改进原子弹的性能,发展了加强型原子弹,即在原子弹中添加氘或氚等热核装料,利用核裂变释放的能量点燃氘或氚,发生热核反应,而反应中所放出的高能中子,又使更多的核装料裂变,从而使威力增大。这种原子弹与氢弹不同,其热核装料释放的能量只占总当量的一小部分。炸药的起爆方式和核装置结构也在不断改进,目的是提高炸药的利用效率和核装料的压缩度,从而增大威力,节省核装料。此外,提高原子弹的突防和生存能力以及安全性能,也日益受到重视。

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