原子弹

  原子弹(nuclear weapon)是核武器之一,是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。主要包括裂变武器(第一代核武,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。亦有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素,以增大辐射强度扩大污染,或加强中子放射以杀伤人员(如中子弹)。 

简介

原子弹
原子弹
  利用铀-235或钚-239等易裂变重原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。又称裂变弹。瞬时释放出巨大能量的核武器。又称裂变弹。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、核航空炸弹、核地雷或核炮弹等,或用作氢弹中的初级(或称扳机),为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。威力通常为几百到几万吨梯恩梯当量,有很大的杀伤破坏力。可单独配置在不同的投射工具中而成为核导弹。核航空炸弹、核地雷和核炮弹等,或用作氢弹中的初级(或称“扳机”),为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。重原子核裂变反应。 

爆炸原理

  铀-235、钚-239这类重原子核在中子轰击下通常会分裂成两个中等质量数的核(称裂变碎器),并放出2-3个中子和200兆电子伏能量(相当于3.2×1011焦耳)。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,有的则继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一代核裂变的中子数平均多于1个,裂变系统就会形成自持的链式裂变反应,中子总数将时间按指数规律增长。例如,当引起下一代裂变的中子数其均为2个时,则在不到1微秒之内,就可以使1千克铀或钚内的2.5×1024个原子核发生裂变,并释放出约2万吨梯恩梯当量的核能。裂变材料的装量必须大于一定的量,称为临界质量,才能使链式裂变反应自持进行下去。原子弹中要放置相当份量的裂变材料,但不使用时,它们必须处于次临界状态。使用时,要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裂变反应。超临界状态可以通过两种方法来达到:一种是“轮法”,又称压拢型,另一种是“内爆法”,又称压紧型。 

结构组成

  原子弹主要由引爆控制系统、炸药、反射层、核装料组成的核部件、核点火部件和弹壳等结构部件组成。引爆控制系统用来适时引爆炸药;是推动、压缩反射层和核部件的能源;反射层由铍或铀-238构成,用来减少中子的漏失;核装料主要是铀-235或钚-239;核点火部件用以提供“点火”中子,以引发链式裂变反应;弹壳用来固定和组合各部件。  

·枪式结构

  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。
  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。
  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。
原子弹的结构
原子弹的结构
  铀在正常压力下的密度约为19克/厘米?。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。 

·内爆式结构

  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。  

主要装药

  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。
  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。六氮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。
原子弹结构图
原子弹结构图
  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。
  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。  

爆炸过程

  原子弹中的引爆控制系统在预定时间或条件下发出引爆指令,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,核点火部件适时提供若干“点火”中子,使核装料内发生链式裂变反应,并猛烈释放能量。随着能量的积累,温度和压力迅速升高,核装料不断膨胀,密度不断下降,最终又成为次临界状态,链式反应趋于熄灭。从炸药起爆到核点火前是爆轰、压缩阶段,通常要几十微秒时间;从核点火到链式裂变反应熄灭是裂变放能阶段,只需要十分之几微秒。原子弹在如此短暂的时间里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高温高压等离子气团,中心温度可达107开[尔文],压力达1015帕[斯卡]。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、r射线和裂变碎器,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。  

研制和试验

  除铀235、钚239等核材料的生产外,核战斗部本身的研制,必须与整个核武器系统的研制程序协调一致。研制过程大致如下:
  从设想阶段开始;经过关键技术课题和部件的预先研究或可行性研究,形成包括重量、尺寸、形式、威力、核材料、核试验要求、研制工期、经费等内容的几种设计方案;
  再经过论证比较和评价,选定设计方案,确定战术技术指标;
  然后进行型号研究设计、各种模拟试验;
  工艺试验与试制,通过核试验检验设计的合理性,最后达到设计定型、工艺定型与批准生产。进行这些工作,要有专门的科技队伍,并配备必要的试验场所,包括核试验场。武器交付部队后,研制和生产部门还要提供维护、修理、更换部件等服务工作,按反馈的信息进行必要的改进,并负责其退役处理或更新。
  核战斗部的设计,必须深入了解其反应过程,弄清其必须具备的条件与各种物理参数,掌握其中多种因素的内在联系与变化规律。为此,要进行原子核物理、中子物理、高温高压凝聚态物理、超音速流体力学、爆轰学、计算数学和材料科学等多学科的一系列科学技术问题的研究,而核战斗部的研制实践又会反过来带动和促进这些学科的发展。
原子弹爆炸
原子弹爆炸
  在研制过程中,以下环节起着重要作用:
  1、要用快速的、大容量电子计算机进行反应过程的理论研究计算,这种计算应尽可能接近实际情况,以便从多种设想或设计方案中找出最优方案,从而节省费用与减少核试验次数。20世纪40年代以来,推动电子计算机技术迅速发展的重要因素之一,正是由于核武器研制的需要。
  2、要按照方案或指标要求,反复进行多方面的模拟试验,包括化学炸药爆轰试验,材料与强度试验,环境条件试验,控制、 点火与安全试验等。 这些都是为达到核武器高度可靠和安全所必不可少的。
  3、要进行必要的核试验。无论是电子计算机上的大量计算,还是相应的模拟试验,总不能达到百分之百地符合核武器方案的真实情况。特别是氢弹聚变反应所必需的高温条件,还只能由裂变反应来提供(利用激光或粒子束的惯性约束技术来创造这种模拟试验条件,直到80年代初仍处于研究阶段)。因此,能否达到设计要求,还必须通过核装置本身的爆炸试验进行检验。当然,核试验所起的作用并不限于此。正是由于核试验在核武器研制中起着关键作用,美、苏两国为限制其他国家研制核武器,于1963年签订了一个并不禁止进行地下核试验的《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》,1974年又签订了一个仍然适合它们需要的限制地下核试验当量的条约。  

各国状况

·美国

  第二次世界大战期间,流亡到美国的科学家西拉德等人为防止德国人抢先造出原子弹,动员着名科学家爱因斯坦上书美国总统罗斯福,信中阐述了研制原子弹对美国安全的重要性,但是起初罗斯福总统对此并不重视,直到1941年12月6日,日本偷袭珍珠港的前一天,才批准了美国科学研究发展局全力进行美国研制原子弹的步伐。1942年8月美国制订了研制原子弹的“曼哈顿计划”随后任命格罗斯将军为负责人。
  制造原子弹的材料是铀235,它在天然铀中只占0.7%,其余的占99.3%的是铀238是制造原子弹的关键。
  美国不惜重金全力投入提取铀235的研究。比较成功的方法是劳伦斯方法和尤里方法。劳伦斯方法也叫电磁法,是采用质谱仪的原理,利用铀235和铀238质量上的差异而使之分离。
  此外,由意大利移居美国的着名科学家费来设计的原子能反应堆生产出来的钚239也能作为制造原子弹的原料。1943年7月在美国洛斯?阿拉莫斯成立了原子弹研究所,物理学家奥本海默为所长,以他为首的很多科学家日以继夜地进行工作,并不断取得重大的发现。
  1945年3月美国成立合并秘密的原子能委员会,奥本海默、费米、劳伦斯、康普顿四位物理学家为该委员会人员。当时,除奥本海默尚未获诺贝尔奖外,其他三人均已获得过诺贝尔奖。
世界上第一颗原子弹爆炸的景象
世界上第一颗原子弹爆炸的景象
  到1945年7月,美国生产出的铀235和钚239已经足够装配成原子弹了。
  1945年7月16日凌晨在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中进行了世界上第一颗原子弹的爆炸实验,使用的是劳伦斯法制取的铀235。估计原子弹的爆炸当量约相当于2万吨TNT炸药。 

·苏联

  苏联在1941年6月遭受德军入侵前,也进行过研制原子弹的工作。铀原子核的自发裂变,是在这一时期内由苏联物理学家Г.Н.弗廖罗夫和Κ.А.佩特扎克发现的。卫国战争爆发后,研制工作被迫中断,直到1943年初才在物理学家И.В.库尔恰托夫的组织领导下逐渐恢复,并在战后加速进行。1949年8月,苏联进行了原子弹试验。  

·中国

  中国在开始全面建设社会主义时期,基础工业有了一定的发展,即着手准备研制原子弹。1959年开始起步时,国民经济发生严重困难。同年6月,苏联政府撕毁中苏在1957年10月签订的关于国防新技术协定,随后撤走专家,中国决心完全依靠自己的力量来实现这一任务。中国首次试验的原子弹取“596”为代号,就是以此激励全国军民大力协同做好这项工作。1964年10月16日,首次原子弹试验成功。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。

实战应用

  由于40年来核武器本身的发展,以及与它有关的多种投射或运载工具的发展与应用,特别是通过上千次核试验所积累的知识,人们对其特有的杀伤破坏作用已有较深的认识(见核武器杀伤破坏效应),并探讨实战应用的可能方式。美、苏两国都制订并多次修改了强调核武器重要作用的种种战略。
1945年在日本长崎投下的核武器,引起高达18公里的蘑菇云
1945年在日本长崎投下的核武器,引起高达18公里的蘑菇云
  有矛必有盾。在不断改进和提高进攻性战略核武器性能的同时,美、苏两国也一直在寻求能有效地防御核袭击的手段和技术。除提高核武器系统的抗核加固能力,采取广泛构筑地下室掩体和民防工程等以减少损失的措施外,对于更有效的侦察、跟踪、识别、拦截对方核导弹的防御技术开发研究工作也从未停止过。60年代,美、苏两国曾部署以核反核的反导弹系统。1972年 5月,美、苏两国签订了《限制反弹道导弹系统条约》。不久,美国停止“卫兵”反导弹系统的部署。1984年初,美国宣称已制订了一项包括核激发定向能武器、高能激光、中性粒子束、非核拦截弹、电磁炮等多层拦截手段的“战略防御倡议”。尽管对这种防御系统的有效性还存在着争议,但是可以肯定,美、苏对核优势的争夺仍将持续下去。
  由于核武器具有巨大的破坏力和独特的作用,与其说它可能会改变未来全球性战争的进程,不如说它对现实国际政治斗争已经和正在不断地产生影响。70年代末,美国宣布研制成功中子弹,它最适于战场使用,理应属于战术核武器范畴,但却受到几乎是世界范围的强烈反对。从这一事例也可以看出,核武器所涉及的斗争的复杂性。
  1945年8月6日美国向日本广岛投下原子弹,弹重4082公斤,弹长3.05米,弹径0.711米,装料为10公斤铀235,当量1.25万吨,因为该弹细长,被称为 “小男孩”。原子弹造成死亡7.1万人,伤6.8万人,遭到破坏的总面积达12平方公里,破坏建筑物5万余所,紧接着,美国又在长崎扔下名为 “胖子”的第二颗原子弹。这颗原子弹是用60公斤钚239制作的,弹长3.25米、弹径1.52米,当量2.2万吨。该原子弹造成的死亡人数约3.5万,伤约6万,毁坏房屋19587所,破坏面积4.7平方公里。
  日本于8月15日宣布无条件投降,第二次世界大战结束。但是核武器从此开始威胁全人类。 

发展趋势

  由于核武器投射工具准确性的提高,自60年代以来,核武器的发展,首先是核战斗部的重量、尺寸大幅度减小但仍保持一定的威力,也就是比威力(威力与重量的比值)有了显着提高。如,美国在长崎投下的原子弹,重量约4.5吨,威力约2万吨;70年代后期,装备部队的“三叉戟”Ⅰ潜地导弹,总重量约1.32吨,共8个分导式子弹头,每个子弹头威力为10万吨,其比威力同长崎投下的原子弹相比,提高135倍左右。威力更大的热核武器,比威力提高的幅度还更大些。但一般认为,这一方面的发展或许已接近客观实际所容许的极限。自70年代以来,核武器系统的发展更着重于提高武器的生存能力和命中精度,如美国的“和平卫士/MX” 洲际导弹、“侏儒”小型洲际导弹、“三叉戟”Ⅱ潜地导弹,苏联的SS-24、SS-25洲际导弹,都在这些方面有较大的改进和提高。
  其次,核战斗部及其引爆控制安全保险分系统的可靠性,以及适应各种使用与作战环境的能力,也有所改进和提高。美、苏两国还研制了适于战场使用的各种核武器,如可变当量的核战斗部,多种运载工具通用的核战斗部,甚至设想研制当量只有几吨的微型核武器。特别是在核战争环境中如何提高核武器的抗核加固能力,以防止敌方的破坏,更受到普遍重视。此外,由于核武器的大量生产和部署,其安全性也引起了有关各国的关注。
280mm加农炮试射的W9型15KT小型核子炮弹
280mm加农炮试射的W9型15KT小型核子炮弹
  核武器的另一发展动向,是通过设计调整其性能,按照不同的需要,增强或削弱其中的某些杀伤破坏因素。“增强辐射武器”与“减少剩余放射性武器”都属于这一类。前一种将高能中子辐射所占份额尽可能增大,使之成为主要杀伤破坏因素,通常称之为中子弹;后一种将剩余放射性减到最小,突出冲击波、光辐射的作用,但这类武器仍属于热核武器范畴。至于60年代初曾引起广泛议论的所谓“纯聚变武器”,20多年来虽然做了不少研究工作,例如大功率激光引燃聚变反应的研究,80年代也仍在继续进行,但还看不出制成这种武器的现实可能性。
  发展方面
  1、原子弹体积重量的小型化;
  2、适应战场使用的多种低威力和威力可调的核装置;
  3、提高安全性、可靠性、有效性、提高核装料的利用效率;
  4、最重要的进展则是发展了“助爆型原子弹”。