原子弹跟氢弹原理

原子弹与氢弹原理如果说核材料生产是一个国家工业能力的考验的话，核武器的设计是对理论物理学家们的挑战。到目前为止在所有的有核武器的国家里头除却安理会五大流氓之外，只有以色列，巴基斯坦，印度，朝鲜。以色列的核弹是和南非搞得，甚至有传言合伙在印度洋进行过核爆试验，后来南非放弃了。印度的核计划很早，1974年和平核爆炸，1998年五次核试验，宣传掌握氢弹，但是从地震波的数据普遍认为只是一个1万吨左右的裂变装置和一个5万吨的增强裂变装置而不是真正的两级氢弹。巴基斯坦为了对抗印度，依赖沙特的大量资金援助和中国的技术支持获得原子弹。朝鲜两次核爆，第二次成功。所以到现在掌握两级氢弹的依然只有安理会五大流氓。原子弹（裂变核武器）是使用化学炸药，把在临界质量以下的铀-235或钚挤压成超越临界质量的一块，然后在中子照射下产生不受控的连锁反应，释放大量能量。起爆的方式可分为枪式和内爆式。美国第一枚投掷在日本广岛的核武小男孩即为枪式起爆的铀弹。第二枚投掷在长崎的胖子为内爆式起爆的钚弹。枪法的局限性很大，消耗材料多，而且只适合高浓缩铀，内爆法要更加先进，可以设计成更大的当量，并且容易发展出助爆加强型原子弹，或者作为氢弹的初级。枪法的小男孩，42：58比例分开的60kg浓缩铀分成子弹和靶子两部分，子弹在直径18厘米的枪管中加速撞击靶子，然后到达临界，中子源在靶子的底部。虽然原子弹的设计已经扩散，卡迪尔汗的扩散网至少包括朝鲜，伊朗和利比亚。DF-2上那个著名的1.5万吨当量的铀内爆弹设计图的副本的副本的副本被利比亚交给IAEA的时候，设计图装在（巴基斯坦首都的一家洗衣店的）洗衣袋里。但是，关于内爆系统的设计，没有什么值得可信的公开资料。以下的内容均是基于《中华人民共和国核两用品及相关技术出口管制条例》所作出的推断核材料的加工很明显，核材料的大小和形状，取决于一系列基于核物理和流体力学的计算结果，由于临界质量的原则，肯定存在一个质量的下限。关于加工精度，可以从对加工设备的要求可以看出。1）加工件大于35毫米，工精度优于0.006毫米，，至少两个不同方向控制加工旋转轴的机床，加工精度达到0.004毫米多轴球形磨床。2）0.2微米/0.00025度以上的精度的测量器材炸药透镜的设计和模拟内爆的关键在于使用不同爆速的高能炸药的配合或者空腔配合的的设计，是多点同时起爆的爆轰波同时到达裂变材料的球状表面（我们在这里单单讨论空心球的设计）。这些高能炸药包括黑索金、奥克托金，三氨基三硝基苯，六硝基芪这类密度大于1.8g/cm3爆速超过8km/s的高能炸药。通过特殊设计的开关装置和脉冲电容器，多点同时起爆爆炸桥型电雷管，在一个信号之下以小于2.5微秒时间差起爆超过5000mm2的炸药面。炸药通过空腔或者不同炸药配合使爆轰波到达材料表面。人类第一颗爆炸的原子弹“小玩意”和落在长崎的“胖子”设计相似，使用是正十二面体的炸药块，使用黑索金为基的B炸药。这些炸药和U238反射层一起装在12块五边形球壳上，用螺栓组合为球体。使用6.2kg的钚装药，B炸药总重量超过了2260千克，使用钋210-铍中子源。有估计说“胖子”设计中20%的当量直接来自铀238惰层/反射层的次级裂变。例如美国在早期原子弹开发中曾使用大量TNT炸药来模拟透镜的压缩效果一样，为了保险起见，通常使用爆炸压缩贫铀这样与核材料物理性质几乎一致的材料，通过X射线照相一类的方法分析炸药爆炸压缩过程的高速照相推测实际爆炸的效果。与此相关的设备也在管制清单之中。原子弹为减少临界质量通常采用铍或者铀238中子反射层，所使用的中子源包括钋-铍中子源，氘铀中子源等等。中国的596使用的是氘化铀源，比钋-铍中子源先进，钋-铍中子源的半衰期比较短。中国的浓缩铀生产得到苏联的大力帮助，包括兰州气体扩散厂，但是仍然有些关键技术如分离膜是自己开发的。钚生产堆刚刚开始土建，苏联就撤走专家，后来整个钚生产和加工都是自己摸索的。苏联援助的重水实验堆和加速器，球形磨床都对中国的核计划起了不小的作用，但是核武器的原理和设计基本是独立自主的研发的（苏联曾经计划给样弹但是取消了）。苏联人帮助我们建设了几个重要的核工厂（虽然不少是半吊子），也给了一部分核原件的图纸，最重要的是帮助我们培养了大量人才。但是苏联给予中国援助的时候是不彻底和限制的，比如说铀的样品，从来没有给过六氟化铀，我们用了山寨加玩命的方法完成了小试和中试，为此还有人伤亡。氢弹：辐射内爆（氢弹内容部分是来自航空航天信息港的帖子《氢弹的推测》《美国核武器结构图：W-80及其分析》，感谢KKTT和JC）氢弹的这种构型和原理是极为复杂的，甚至超过了原子弹的开发，至今只有安理会的五家，这五家中有两家被怀疑是通过间谍等其他手段获取氢弹的秘密的，苏联有可能窃取了美国的资料，法国则受到了英国的指导，并且有可能从中国核试验的尘埃里获得提醒。核聚变的发现是在1922年，早于核裂变，但是科学家在原子弹研究的同时就已经意识到了超级炸弹只有用原子弹才能点燃。1946年4月：爱德华·泰勒在洛斯阿拉莫斯实验室主持会议，回顾二战期间关于热核武器的理论研究工作成果。形成了超级炸弹的经典构形。1949年8月29日：苏联成功试爆第一颗原子弹。1949年10月：美国原子能委员会下属的总顾问委员会召开会议，会议报告中委员们一致反对建造超级炸弹。1950年1月：克劳斯·福克斯(KlausFuchs)在伦敦承认曾向苏联透露核武器情报。1950年1月：杜鲁门总统下令继续开发“超级炸弹”。1950年3月：杜鲁门总统下令全速研制“超级炸弹”。1950年3月至年底，超级炸弹的经典构形被证实无法使用。经典“超级炸弹”的构形就是用一颗大当量原子弹点燃液态氘（装在一个圆柱形容器里），然后以热能的形式把能量传递给剩下的氘。但是原子弹制造的高温无法点燃氘-氘聚变，所以加入了氚。斯坦尼斯垃夫·乌拉姆在1950年计算得出氚用量必须要十分大，极大地降低了超级炸弹的经济性。（能制造1千克氚的反应堆可以用等量的中子生产70千克的钚）由于氘核聚变的反应截面太小，能量无法有效传递至冷区以产生链式聚变反应；产生的能量将小于逃逸的能量。1951年3月：泰勒和乌拉姆写成《OnHeterocatalyticDetonationsI》，提出“流体力学透镜和辐射镜”的概念；泰勒-乌拉姆构形诞生：初级爆轰产生的冲击波和辐射能都可以用来压缩次级中的热核燃料，提高了能量的效率，不再需要大量的氚。（乌拉姆先想出用裂变弹产生的冲击波来压缩，后来他去找泰勒讨论这个方案，后者想出可以用辐射来压缩）1951年5月8日：美国进行了世界上第一次热核聚变核试验，代号George。当时共考虑了3种辐射传能机制，eorge试验最后选中的那种——很幸运地——对发展泰勒-乌拉姆构形起了很大的作用。George是一次热核物理学试验，使用的是一个纯实验性的装置设计方案，并不适合于武器应用。试验装置叫“圆筒（Cylinder）”，由一个浓缩铀核心组件组成；该核心组件将会用一个特殊的圆柱型内爆系统来进行内爆压缩。内爆压缩成的一个管道把热辐射引导至一个装有液态氘-氚混合物的氧化铍小室里。热辐射不仅将小室内的热核燃料加热至聚变温度，还在氧化铍外壁上产生压力，向内挤压氘-氚混合物，加速了燃烧的过程。热辐射将在冲击波前锋之前到达氧化铍小室，使聚变反应可以在裂变火球膨胀吞噬整个装置前发生。与裂变反应相比，聚变反应产生的当量小得可以忽视。重283吨的整套诊断仪器设备通过测量聚变等离子火球发出的热X射线和高能聚变中子，可以对聚变反应的燃烧过程进行观测。幸运地是，George核试验为辐射内爆压缩提供了有益的数据，辐射内爆压缩是两个月前刚刚研究出的泰勒-乌拉姆构形的一个关键部分。1951年9月：泰勒同洛斯阿拉莫斯实验室中的其他人就全当量热核试验的日期产生了争执，前者的意见是1952年5-7月，后者是1952年11月。1952年5月：汉斯·贝特写成《关于热核武器研究史的备忘录》：乌拉姆想出“要压缩热核材料”、George试验所选用的传能机制、泰勒对George试验数据的外推是一系列恰好发生的“意外”，泰勒-乌拉姆构形的发现属于“事故”；难以想象苏联氢弹计划也是走同样的发展路线。1952年11月1日：美国进行了世界上第一次热核装置试验（“Mike”）1953年8月21日：前苏联人爆炸了使用氘化锂的RDS-6S装置，实际是使用千层饼结构的助爆加强原子弹。1954年4月25日：美国进行使用固体热核燃料的核武器试验1955年11月6日：前苏联首次进行了从图―16飞机上投掷氢弹的试验。美国直到1956年5月21日进行了同类试验。英国（1957年5月），法国（1858年8月）也拥有了氢弹。中国于1966年12月28日成功地进行了氢弹原理试验，1967年9月17日由飞机空投的300万吨氢弹试验获得成功。助爆加强原子弹实际上就是在原子弹中心放置氘氚气体或者氘氚化锂，核爆炸的高温会点燃少量的氘和氚，氘氚反应释放的中子使得裂变材料的利用率更高，从而提高比威力和当量。但是和开始的超级炸弹一样，只有少量的氘和氚被点燃，无法做到很高的当量。泰勒-乌拉姆构形，苏联人称之为泽多维奇萨哈罗夫构型，是两级氢弹的基础，目前已知的要点包括热核材料在被点燃前先会被压缩，初级（裂变）能量是通过热X射线传导至次级（聚变）的，初级与次级是分离开的两个结构。这个物理模型是相当复杂的，需要计算机计算验证之后才能进入工程设计。关于“两级热核武器”的所有图纸都是保密的,结果是我们看到的都是“构想图”;只有一个例外:绿色和平组织提供了(公认)唯一的几张“官方的”核武器结构图。自然无法证明其真伪。由外形判断是美国巡航导弹上的热核弹头W80。翻译后的设计图内爆部分的设计裂变燃料钚239，氘/氚助爆设计；接下来就是中子反射层（铀238、铍）、惰层&裂变层（铀238）。对X射线透明的铍作为中子反射层，但是它重量轻必须加入一层铀238加强内爆压缩和约束的效果（惰层）。采用铀238做惰层,还可发生次级裂变，增加释放裂变能”。最新的核武器已经不采用这种多点起爆的方式了，而是简单的两点起爆，这对设计要求更高。关于次级的设计和X射线如何传到至次级，只有试探性的分析，这里就不详细讲了。有可能是这样的，助爆初级释放的X射线经过内部结构的调整后有U238内衬包壳反射至次级，初级和次级之间对X射线透明但对中子不透明，中子经过反射和聚焦之后再进入次级的火花塞。次级受火花塞裂变和初级X射线压缩包裹聚苯乙烯的那种金属层或者外容器导致聚变。聚苯乙烯变成等离子体后，对X射线透明，对其确切功能还是存在争论的。关于苏联核武器是否独立发展存在着不少疑问，按照KKTT（六千）的说法：“苏联分级辐射内爆技术来自间谍并非只有西方人这么说；相反，这说法前面说的斯蒂尔曼在和俄国核科学家聊天时，俄国科学家给斯蒂尔曼的暗示。当然，有可能斯蒂尔曼误解或者故意扭曲了俄国人当时的意思；但是这个说法已经见诸很多公开出版物，却不见俄国方面出来澄清，指出斯蒂尔曼的回忆有误。而且前面也有网友指出了，被称为苏联氢弹之父的萨哈洛夫在回忆录里，对如何突破分级辐射内爆技术也是闪烁其辞，只是模糊地说当时“有一位同事想出了这个点子”，却没有提这人姓名。俄国科学家现在也没有哪位站出来公开说，辐射内爆的构思是我提出的，我是俄国氢弹之父。所以综合来看，我认为苏联氢弹来自间谍基本可以肯定。当然，您对这个观点有异议，也无妨，大家各自保留意见就行。”