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原子弹

热度278票  浏览2183次 【共0条评论】【我要评论 时间:2010年1月30日 06:45

  核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量,产生爆炸作用,并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要利用铀235(厬U) 或钚239(厱Pu)等重原子核的裂变链式反应原理制成的裂变武器,通常称为原子弹;主要利用重氢(dao H,氘)或超重氢(chuan H,氚)等轻原子核的热核反应原理制成的热核武器或聚变武器,通常称为氢弹。

  煤、石油等矿物燃料燃烧时释放的能量,来自碳、氢、氧的化合反应。 一般化学炸药如梯恩梯(TNT)爆炸时释放的能量,来自化合物的分解反应。在这些化学反应里,碳、氢、氧、氮等原子核都没有变化,只是各个原子之间的组合状态有了变化。核反应与化学反应则不一样。在核裂变或核聚变反应里,参与反应的原子核都转变成其他原子核,原子也发生了变化。因此,人们习惯上称这类武器为原子武器。但实质上是原子核的反应与转变,所以称核武器更为确切。

  核武器爆炸时释放的能量,比只装化学炸药的常规武器要大得多。例如,1千克铀全部裂变释放的能量约8×1013焦耳,比1千克梯恩梯炸药爆炸释放的能量4.19×106焦耳约大2000万倍。因此,核武器爆炸释放的总能量,即其威力的大小,常用释放相同能量的梯恩梯炸药量来表示,称为梯恩梯当量。美、苏等国装备的各种核武器的梯恩梯当量,小的仅1000吨,甚至更低;大的达1000万吨,甚至更高。

  核武器爆炸,不仅释放的能量巨大,而且核反应过程非常迅速,微秒级的时间内即可完成。因此,在核武器爆炸周围不大的范围内形成极高的温度,加热并压缩周围空气使之急速膨胀,产生高压冲击波。地面和空中核爆炸,还会在周围空气中形成火球,发出很强的光辐射。核反应还产生各种射线和放射性物质碎片;向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用,造成电流的增长和消失过程,其结果又产生电磁脉冲。这些不同于化学炸药爆炸的特征,使核武器具备特有的强冲击波、光辐射、早期核辐射放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。核武器的出现,对现代战争的战略战术产生了重大影响。

  原子弹主要是利用核裂变释放出来的巨大能量来起杀伤作用的一种武器。它与核反应堆一样,依据的同样是核裂变链式反应。

  按理,反应堆既然能实现链式反应,那么只要使它的中子增殖系数k大于1,不加控制,链式反应的规模将越来越大,则最终会发生爆炸。也就是说,反应堆也可以成为一颗“原子弹”。实际上也是这样,若增殖系数k大于1而不加控制的话,反应堆确实会发生爆炸,所谓反应堆超临界事故就是属于这样一种情况。

  但是,反应堆重达几百吨、几千吨,无法作为武器使用。而且在这种情况下,裂变物质的利用率很低,爆炸威力也不大。因此,要制造原子弹,首先要减小临界质量,同时要提高爆炸威力。这就要求原子弹必须利用快中子裂变体系,装药必须是高浓度的裂变物质,同时要求装药量大大超过临界质量,以使增殖系数k远远大于1。

  在讲述原子弹的结构原理之前,我们先来介绍一下原子弹的装药。到目前为止,能大量得到、并可以用作原子弹装药的还只限于铀235、钚239和铀233三种裂变物质。

  铀235是原子弹的主要装药。要获得高加浓度的铀235并不是一件轻而易举的事,这是因为,天然铀235的含量很小,大约140个铀原子中只含有1个铀235原子,而其余139个都是铀238原子;尤其是铀235和铀238是同一种元素的同位素,它们的化学性质几乎没有差别,而且它们之间的相对质量差也很小。因此,用普通的化学方法无法将它们分离;采用分离轻元素同位素的方法也无济于事。

  为了获得高加浓度的铀235,早期,科学家们曾用多种方法来攻此难关。最后“气体扩散法”终于获得了成功。

  我们知道,铀235原子约比铀238原子轻1.3%,所以,如果让这两种原子处于气体状态,铀235原子就会比铀238原子运动得稍快一点,这两种原子就可稍稍得到分离。气体扩散法所依据的,就是铀235原子和铀238原子之间这一微小的质量差异。

  这种方法首先要求将铀转变为气体化合物。到目前为止,六氟化铀是唯一合适的一种气体化合物。这种化合物在常温常压下是固体,但很容易挥发,在56.4℃即升华成气体。铀235的六氟化铀分子与铀238的六氟化铀分子相比,两者质量相差不到百分之一,但事实证明,这个差异已足以使它们分离了。

  六氟化铀气体在加压下被迫通过一个多孔隔膜。含有铀235的分子通过多孔隔膜稍快一点,所以每通过一个多孔隔膜,油235的含量就会稍增加一点,但是增加的程度是十分微小的。因此,要获得几乎纯的铀235,就需要让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。

  气体扩散法投资很高,耗电量很大,虽然如此,这种方法目前仍是实现工业应用的唯一方法。为了寻找更好的铀同位素分离方法,许多国家做了大量的研究工作,已取得了一定的成绩。例如目前离心法已向工业生产过渡,喷嘴法等已处于中间工厂试验阶段,而新兴的冠醚化学分离法和激光分离法等则更有吸引力。可以相信,今后一定会有更多更好的分离铀同位素的方法付诸实用,气体扩散法的垄断地位必将结束。

  原子弹的另一种重要装药是钚239。钚239是通过反应堆生产的。在反应堆内,铀238吸收一个中子,不发生裂变而变成铀239,铀239衰变成镎239,镎239衰变成钚239。由于钚与铀是不同的元素,因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚,但钚与铀之间的分离,比起铀同位素间的分离来却要容易得多,因而可以比较方便地用化学方法提取纯钚。

  铀233也是原子弹的一种装药,它是通过钍232在反应堆内经中子轰击,生成钍233,再相继经两次β衰变而制得。

  从上面我们可以看到,后两种装药是通过反应堆生产的。它们是依靠铀235裂变时放出的中子生成的,也就是说,它们的生成是以消耗铀235为代价的,丝毫也离不开铀235。从这个意义上来说,完全可以把铀235称作“核火种”,因为没有铀235就没有反应堆,就没有原子弹,就没有今天大规模的原子能利用。

  有了核装药,只要使它们的体积或质量超过一定的临界值,就可以实现原子弹爆炸了。只是这里还有一个原子弹的引发问题,也就是如何做到:不需要它爆炸时,它就不爆炸;需要它爆炸时,它就能立即爆炸。这可以通过临界质量或临界尺寸的控制来实现。

  从原理上讲,最简单的原子弹采用的是所谓枪式结构。两块均小于临界质量的铀块,相隔一定的距离,不会引起爆炸,当它们合在一起时,就大于临界质量,立刻发生爆炸。但是若将它们慢慢地合在一起,那么链式反应刚开始不久,所产生的能量就足以将它们本身吹散,而使链式反应停息,原子弹的爆炸威力和核装药的利用率就很小,这与反应堆超临界事故爆炸时的情况有些相似。因此关键问题是要使它们能够极迅速地合在一起。

  这可以象旁图所示的那样,将一部分铀放在一端,而将另一部分铀放在“炮筒”内,借助于烈性炸药,极迅速地将它们完全合在一起,造成超临界,产生高效率的爆炸。为了减少中子损失,核装药的外面有一层中子反射层;为了延迟核装药的飞散,原子弹具有坚固的外壳。

  1945年8月,美国投到日本广岛的那颗原子弹(代号叫“小男孩”)采用的就是枪式结构,弹重约4100公斤,直径约71厘米,长约305厘米。核装药为铀235,爆炸威力约为14000吨梯恩梯当量。

  在枪式结构中,每块核装药不能太大,最多只能接近于临界质量,而决不能等于或超过临界质量。因此当两块核装药合拢时,总质量最多只能比临界质量多出近一倍。这就使得原子弹的爆炸威力受到了限制。

  另外在枪式结构中,两块核装药虽然高速合拢,但在合拢过程中所经历的时间仍然显得过长,以致于在两块核装药尚未充分合并以前,就由自发裂变所释放的中子引起爆炸。这种“过早点火”造成低效率爆炸,使核装药的利用率很低。一公斤铀235(或钚239)全部裂变,大约能释放18000吨梯恩梯当量的能量,一颗原子弹的核装药一般为15~25公斤铀235(或6~8公斤钚239),以此计算,“小男孩”的核装药利用率还不到百分之五。

  铀在正常压力下的密度约为19克/厘米³。在高压下,铀可被压缩到更高的密度。研究表明,对于一定的裂变物质,密度越高,临界质量越小。

  根据这一特性,在发展枪式结构的同时,还发展了一种内爆式结构。在枪式结构中,原子弹是在正常密度下用突然增加裂变物质数量的方法来达到超临界,而内爆式结构原子弹则是利用突然增加压力,从而增加密度的方法达到超临界。

  在内爆式结构中,将高爆速的烈性炸药制成球形装置,将小于临界质量的核装料制成小球,置于炸药中。通过电雷管同步点火,使炸药各点同时起爆,产生强大的向心聚焦压缩波(又称内爆波),使外围的核装药同时向中心合拢,使其密度大大增加,也就是使其大大超临界。再利用一个可控的中子源,等到压缩波效应最大时,才把它“点燃”。这样就实现了自持链式反应,导致极猛烈的爆炸。

  内爆式结构优于枪式结构的地方,在于压缩波效应所需的时间远较枪式结构合拢的时间短促,因而“过早点火”的几率大为减小。这样,内爆式结构就可以使用自发裂变几率较大的裂变物质,如钚239作核装药;同时使利用效率大为增。

  美国投于日本长崎的那颗原子弹(代号叫“胖子”),采用的就是内爆式结构,以钚239作核装药。弹重约4500公斤,弹最粗处直径约152厘米,弹长约320厘米,爆炸威力估计为20000吨梯恩梯当量。

  原子弹的进一步发展就是氢弹,或称为热核武器。氢弹利用的是某些轻核聚变反应放出的巨大能量。它的装药可以是氘和氚,也可以是氘化锂6,这些物质称为热核材料。按单位重量的物质计,核聚变反应放出的能量比裂变反应更多,而且没有所谓临界质量的限制,因而氢弹的爆炸威力更大,一般要比原子弹大几百倍到上千倍。

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