核武器的设计①（物理部分——构型）

2022-06-30 23:30 作者:闪秞 0人读过 | 我要投稿

ps:本人所在学校没有物理课，不懂核工程与核技术，本文仅做探讨、娱乐、聊天之用，如有不正请指出。放到现实有一定危险性，擅自模仿本文任意实验受到伤害后果自负。

原子弹（核弹）

注:原子弹的能量来源源自原子核的裂变，而不是原子整体的能量释放，所以核弹是最严谨的叫法，以此类推，根据氢弹聚变需要的超高温高压，则称之为热核武器。

一.核弹的理论

易裂变核素是核弹的装药，如U-235、Pu-239以及U-233。当易裂变核素的原子核受到中子的轰击时，发生裂变，产生其他的轻原子核的同时产生能量和额外的中子。额外中子可以轰击其他原子核，产生链式反应，巨大能量积累，引发爆炸。

但是，原子核非常小，中子很不容易能撞到原子核，所以，要么核装药有一定大小（使中子能在较大区域内增加遇到原子核的概率），要么核装药有一定密度（使中子能在较密的区域内增加遇到原子弹的概率），同样纯度低了，易裂变原子核太少，核弹一样不能爆。所以，以核材料的形状，体积，密度，纯度等因素，决定了核材料的临界质量。只有核装药达到了临界质量+适时注入适量中子这两个要素，核弹才能爆炸。临界质量设计中，核装药形状一般为球形，因为同体积下球形的表面积最小，中子泄露少，纯度一般大于93%

临界质量数据:

易裂变核素:U-235 形状:球形纯度:≥93% 密度:18.75g/cm3，临界质量:52kg

易裂变核素:Pu-239（晶型:α相）形状:球形纯度:≥94.5% 密度:19.5g/cm3，临界质量:15.61千克

易裂变核素:Pu-239（晶型:δ相）形状:球形纯度≥93％密度:17.86g/cm3，临界质量:16.7千克

易裂变核素:U-233 形状:球形纯度:≥93% 密度:19.2g/cm3，临界质量:15kg

此外，核弹需要中子反射层，把泄露的中子反射回核装药，这样节约中子，可以大量的减少临界质量。加装一定厚度的中子反射层的上述易裂变核素，临界质量分别减少为17.84kg、6kg、11kg和5.74kg。（此类材料具体的数据下文提到）

核弹还需要中子源。中子源利用α放射体的放射性元素（比如镭、钋、镅）的α射线轰击铍元素，产生快中子的仪器。它存在于核弹最中心，在核装药达到临界质量的时候注入中子，引发核爆炸。

核弹可以把核装药分开，科研人员预先计算好一快核装药的临界质量，比如算出一个球形的铀达到临界质量，生产的时候只生产出两个半圆的铀块，置于核弹两端，引爆时用炸药爆炸的推力拼合起来便可以达到临界质量产生核爆，这种以数块未达到临界质量的核装药，引爆时以结合来增加体积达到临界质量的核弹，被称为枪式核弹。（如小男孩）

核弹也可以把核装药预先组装好，在四周安放炸药，用冲击波挤压核装药，让它体积缩小，密度增加达到临界质量，这种核弹被称为内爆式核弹。我们主要讨论内爆式核弹

所以，由内到外的，最最基本的内爆式核弹的材料需要中子源、核装药、中子反射层与炸药。

二.核弹的具体构造

枪式核弹

上图是美军重要的铀核弹mk-1原子弹“小男孩”的构造。可以看出，在小男孩核弹中核装药（红色）并不是以球形来设计的。在临界质量下，核装药是一个圆柱体，总重64kg，未引爆时分开，“嵌套”（空心铀块）部分位于弹尾，后装有无烟炸药（黄色部分，主要成分是硝化纤维，产气量巨大，利于“嵌套”部分的推进），“靶标”（实心铀块）位于头部，在靶标四周（空心铀块轰击的位置）固定了10个钋_铍（α，n）中子源，每个中子源包含钋-210 0.2毫克，外壳为铍金属。中子源为双层结构，外壳和内胆由高铍低铝的铍铝合金制成，外壳的内侧预先贴合金箔，用阿尔法粒子探伤后，用化学法在氯化钋溶液中加入还原剂沉淀0.2毫克的钋附着在箔上，外壳和内胆之间留有空间，让α粒子尽可能被空气阻隔不与靶材料发生反应，内胆上贴金箔隔离。每个中子源大约在10Ci左右（细节与下文的胖子的中子源比较相似）当精确电子雷管（核弹用的是微秒级电桥式电雷管）引爆炸药，“嵌套”以每秒约300米的速度撞击头部的铀块后，核装药达到临界质量，同时在挤压下，中子源内部的金箔被压破，钋和铍得以近距离压合，反应后产生大量的中子，射入核装药中，引发核爆炸。

蓝色的部件是碳化钨，一种中子反射材料，厚厚地包裹在核装药四周反射泄露的中子，增加核材料的利用率。

但是枪式核弹的利用率极低，在64kg核装药中，只有约600g发生了裂变，简单的解释是因为中子在核装药的一部分发生反应后，产生大量热量。由于热胀冷缩，周围的核装药受热膨胀密度下降，达不到临界质量，链式反应来不及波及每一颗原子核，核装药就会被炸散，因此枪式核弹的利用率奇低。

暂时的，枪式核弹大多只使用U-235作为核装药。因为Pu-239裂变后，释放的中子比U-235多，慢中子与Pu-239原子核的反应（裂变）截面也比U-235多出163巴的面积（快中子的裂变截面也较大）因此更容易裂变。简单又不那么严谨的解释为，中子有一定的射程，Pu-239裂变后的中子能飞行一段距离，如果射入另一块核装药，也会同样引发裂变。所以枪式核弹两块核素都自个儿隔得远远的，这是为了防止“提前点火”造成爆炸失效，正因为Pu-239裂变中子产额大，同时里面会有反应堆中残余且难以清除的钚同位素Pu-240，这种核素不需要中子轰击，自己就能裂变，放出中子祸害还没有裂变的核装药，所以枪式钚核弹极其容易提前点火，甚至在两块核材料还没有接触到一起的时候，它们之间的“中子互动”构建了它们的整体性，于是预先核爆，直接炸开了，结果就是当量非常低甚至不能爆炸。解决这个问题的方法是使用其他核装药，或者把“枪管”加长，精准计算膛压，让钚块达到一定的速度（远远高于上面的300m/s，一说为960m/s）才能爆炸，然而经计算，这样的钚核弹设计长达六米（如美国的mk-2核弹）大大减少了实战价值。

内爆式核弹

以“胖子”为例，由内到外介绍。

美军设计的第一款内爆式核弹“胖子”核弹（mk-3原子弹），最内层是一颗直径为2cm的Po_Be中子源。中子源强度约为75Ci。点火中子源由两个部分组成，外壳和内胆。其中内胆直径为4mm宽，都由铍制成。外壳被设计成楔形横向槽形状，实际是为了用较长的空间用空气隔离镀在外壳内侧的钋-210放出的α粒子，以预防提前点火。外壳内侧贴合金箔后，用沉淀法沉淀1.5毫克的钋-210（在氯化钋溶液中使用还原剂氯化亚锡溶液沉淀钋，还可以提前在氯化钋溶液中加入碲酸为载体，使用氯化亚锡沉淀以后钋会和碲单质共沉淀，利于操作）

中子源外面一层是核装药Pu-239（途中灰黑色部分），总重6.1kg，直径92mm。当钚的晶型为α相的时候，虽然临界质量小，但是容易脆断不利于机械加工，在核弹内部容易发生事故，或者因为碎裂无法起爆。所以在熔炼期间需要添加3～3.5摩尔分数的镓单质（换算成重量百分比为1～2％），使钚变成不易脆断的δ相。虽然根据上文δ相钚临界质量不是很低，但是在厚厚的铀-238包裹作为中子反射层时，已经十分接近临界质量。同时，在外层炸药的爆轰波挤压核装药时，δ向钚密度骤增，会立刻转化为α相钚，加速链式反应。因为镓有腐蚀性，所以需要在核装药上用蒸汽法镀镍，同时起到保护的效果。包裹核装药的红色部分是U-238单质，作为中子反射层。共同直径为22.2cm。为了防止游离中子祸害核装药，反射层外壳包裹了一层3mm厚的硼聚乙烯塑料壳，硼的中子吸收截面极大，能有效保护核装药免受外界中子的影响。

更外层（银白色部分）是铝单质做成的“推体”，共同直径47cm。核弹中推体的英文是temper，有“夯”的意思。铝单质容易变形，可以将炸药的冲击波有效的传递到内层，效果更好。

最外层的黄色部分是高爆炸药，共同直径140cm。炸药是足球形状的几何体，一共32块炸药。