炸弹工作原理之核弹

核弹工作原理

1引言

你或许从历史书中知道第二次世界大战中使用了原子弹。你也可能在科幻电影中看到过核弹发射或者被引爆（例如《核子战争》（Fail Safe）、《奇爱博士》（Dr. Strangelove）、《浩劫之后》（The Day After）、《证言》（Testament）、《“胖子”与“小男孩”》（Fat Man and Little Boy）、《和平制造者》（The Peacemaker）等等）。在新闻报道中，许多国家都在谈判以裁撤自己的核武库，而与此同时，另一些国家/地区则正在发展核武器研究计划。

美国国家档案与文件署供图 原子大炮试射，1953年

我们已经见识过这些装置所拥有的令人难以置信的破坏力，那么它们的原理是怎样的呢？在这篇文章中，你将了解使核弹威力如此巨大的物理学原理以及核弹的设计、核爆炸的后果等方面的知识。

核弹利用了强和弱的相互作用力，正是这些力将原子（特别是原子核不稳定的原子）的原子核束缚在一起（有关详细信息，请参见核辐射揭秘）。核能从原子中释放出来的基本方式有两种：

• 核裂变——你可以使用中子将一个原子的原子核分裂成两个小一点的碎片。这种方法通常涉及铀（铀-235、铀-233）或者钚-239的同位素。
• 核聚变——你可以将两个较小的原子，通常是氢或者氢的同位素（氘、氚），结合在一起形成更大的原子（氦或氦的同位素）。这正是太阳能量的来源。

不论裂变还是聚变，任一种过程中都有大量的热能和辐射被释放出来。

要制造一颗原子弹，你需要：

• 可裂变或可聚变的燃料
• 触发装置
• 使大部分燃料在爆炸前发生裂变或聚变（否则炸弹的爆炸将会失败）的途径

第一批核弹都是裂变装置，而之后出现的聚变炸弹需要用裂变炸弹来触发。我们下面将要讨论的装置有：

• 裂变弹（大体介绍）。
• 枪触发式裂变弹（“小男孩”），它于1945年在日本广岛上空被引爆。
• 内爆触发式裂变弹（“胖子”），它于1945年在日本长崎上空被引爆。
• 聚变弹（大体介绍）。
• 泰勒-乌拉姆型氢聚变弹，它于1952年在埃留吉拉布岛（Elugelap Island）上试爆。

裂变弹使用像铀-235这样的元素来制造核爆炸。如果你阅读过核辐射揭秘，那么你已经了解了放射性衰变和裂变背后的基本过程。铀-235有一种额外的特性，这种特性使它既可以用于核能发电也可以用于制造核弹——铀-235是少数能够发生诱发裂变的材料之一。如果一个自由中子撞击铀-235的原子核，它的原子核将会立即吸收这个中子而变得不稳定，并马上分解。

这幅图展示了一个中子从上部接近铀-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它马上分解为两个轻一些的原子，同时释放出两个或三个新的中子（发射出的中子的个数取决于铀-235原子分解的方式）。两个新的原子释放出伽马射线并稳定到新的状态（请查看核辐射揭秘）。有三件事情让诱发裂变过程变得有趣：

• 铀-235原子捕捉一个正在穿过的中子的概率非常之高。在正常爆炸的核弹中，每个裂变事件释放出的中子中都有一个以上导致了另一次裂变的发生。这种条件被称为超临界。
• 捕捉中子并发生分解的过程非常迅速，数量级为皮秒（即1*10E-12秒）。
• 当原子分解时，有令人难以置信的能量通过热和伽马辐射的形式释放出来。单个裂变反应能够释放出能量是因为裂变产物和中子加在一起的质量比原来的铀-235原子的质量要小。
• 质量的差异转化为能量的比率是由方程e = m * c²决定的。0.45公斤用在核弹中的高浓铀所产生的能量在量级上等于约379万升的汽油所产生的能量。如果考虑到一斤铀的尺寸比一个棒球还小，而379万升的汽油却能够装满边长为15米（约五层楼高）的立方体，你就能对那么一小点铀-235所蕴含的能量有个概念了。

为使铀-235的这些特性得到发挥，铀样品必须得到浓缩。武器级的铀至少含有90%的铀-235。

临界质量
在裂变弹中，燃料必须被分开保存为多个不会发生裂变的亚临界质量，以避免过早引爆。临界质量是可裂变物质维持核裂变反应所需的最小质量。这样分开保存给裂变弹设计带来了几个必须解决的问题：

• 两块或多块亚临界质量的材料必须结合在一起才能形成一块超临界质量，这样才能提供足够多的中子以在引爆时维持裂变反应。
• 自由中子必须被引入超临界质量中才能引发裂变。
• 炸弹爆炸前必须有尽可能多的材料发生裂变以避免核爆失败。

将亚临界质量组合在一起形成超临界质量，可以使用两种技术：

• 枪触发
• 内爆触发

中子通过中子发生器引入。这个发生器是位于可裂变燃料核内部的用箔片隔开的一小团钋和铍。在这个发生器中：

1. 当亚临界质量的燃料块结合时箔片被弄破，钋自发地释放出阿尔法粒子。
2. 这些阿尔法粒子撞击铍-9生成铍-8和自由中子。
3. 这些中子将诱发裂变。

最终，裂变反应被限制在叫做反射层的一厚层材料中，它通常由铀-238组成。反射层被裂变核加热和膨胀。反射层的膨胀向裂变核施加压力并减慢核的膨胀。反射层还将中子反射回裂变核，提高裂变反应的效率。

 

2核弹的类型

枪触发式裂变弹
将多个亚临界质量的燃料块结合在一起的最简单的方法是将一块燃料用枪发射到另一块中。球形的铀-235分布在中子发生器的周围，一小块铀-235子弹被移出。这个子弹被放置在长管子的一端，后部装有炸药，而燃料球则被放置在另一端。气压感应器决定引爆的适当高度并触发下列一连串的事件：

1. 炸药爆炸驱动子弹沿枪管向下运动。
2. 子弹撞击燃料球和发生器并引发裂变反应。
3. 裂变反应开始。
4. 核弹爆炸。

“小男孩”就是这类核弹。它有14.5千吨当量（等价于14500吨的TNT炸药），效率约为1.5%。就是说，在爆炸将裂变材料炸开之前有1.5%的材料发生了裂变。

内爆触发式裂变弹
早在曼哈顿计划（即美国开发原子弹的秘密计划）中，参与这个计划的科学家们就意识到通过内爆将多个亚临界质量压缩成球形是一个制造超临界质量的好办法。这个想法有很多问题，特别是应该怎样控制和引导冲击波以使之均匀地分布在球形中。不过，曼哈顿计划的团队解决了这个问题。内爆装置由铀-235球壳（反射层）和被高强度炸药包围的钚-239燃料核组成。当炸弹被引爆，将发生如下的事件：

• 炸药点火引爆，制造冲击波。
• 冲击波压缩燃料核。
• 裂变反应开始。
• 核弹爆炸。

“胖子”就是这类核弹。它有23千吨当量，效率为17%。这类炸弹在几分之一秒内爆炸。而裂变则通常发生在5600亿分之一秒内。

现代内爆触发设计
在最新的改进型内爆触发设计中，引爆的过程如下：

• 炸药爆炸并制造冲击波。
• 冲击波驱动钚碎片形成一个球。
• 钚碎片撞击位于球心的铍/钋弹丸。
• 裂变反应开始。
• 核弹爆炸。

 

聚变弹
裂变弹能够爆炸，但是它们的效率不高。聚变弹，也称热核弹，有比裂变弹更高的当量和效率。要设计聚变弹，需要解决下列问题：

• 聚变的燃料氘和氚都是气态的，这使得它们难以存储。
• 氚供应短缺并且半衰期很短，所以将不得不持续地补充炸弹中的燃料。
• 为引发聚变反应，氘或氚必须处于高温高压的状态下。

首先，为存储氘，气态的氘可以与锂进行化合形成固态的化合物氘化锂。为解决氚的问题，核弹设计者意识到裂变反应产生的中子可以将锂转化为氚（锂-6与一个中子作用生成氚和氦-4，锂-7与一个中子作用生成氚、氦-4和一个中子）。这就意味着氚并不需要被存储在核弹中。最后，斯坦尼斯罗·乌拉姆（Stanislaw Ulam）意识到，在裂变反应中释放出来的大多数辐射是X射线，而这些X射线能够提供引发聚变反应的高温高压。因此，通过在聚变弹中装入一枚裂变弹，这几个问题就能得到解决。

泰勒-乌拉姆型聚变弹
为理解这种核弹的设计，想像弹壳内有一枚内爆的裂变弹和圆筒形的铀-238套管（反射层）。反射层内的是氘化锂（燃料）和位于圆筒轴心的中空的钚-239棒。将圆筒和内爆弹分离开的是铀-238护罩和填充核弹套管剩余空间的塑料泡沫。核弹的引爆导致如下事件顺序发生：

1. 裂变弹爆炸，释放出X射线。
2. 这些X射线加热核弹内部和反射层，而护罩则避免燃料过早引爆。
3. 热量导致反射层膨胀并被烧尽，同时向内部的氘化锂施加压力。
4. 氘化锂被挤压到大约原来的三十分之一。
5. 压缩冲击波引发钚棒的裂变。
6. 裂变中的钚棒释放出辐射、热量和中子。
7. 中子进入氘化锂，与锂结合生成氚。
8. 高温和高压的结合足以引发氘-氚和氘-氘聚变反应，从而生成更多的热量、辐射和中子。
9. 聚变反应释放出的中子导致反射层和护罩中的铀-238碎片裂变
10. 反射层和护罩碎片的裂变将生成更多的辐射和热量。
11. 核弹爆炸。

所有这些事件在6000亿分之一秒内发生（其中裂变弹内爆需要5500亿分之一秒，聚变事件需要500亿分之一秒）。结果是比“小男孩”的威力高700倍以上的巨大爆炸：它有1,0000千吨当量。

 

3核爆的威力

在如人口稠密的城市这类目标上空引爆核弹能够带来巨大的破坏和杀伤。破坏程度取决于离炸弹爆炸中心，即所谓爆心或者爆心投影点的距离。离爆心越近，损害越严重。破坏和杀伤由如下几个原因造成：

• 爆炸带来的强烈的热浪。
• 爆炸产生的冲击波所带来的压力。
• 辐射。
• 放射性沉降（细小放射性尘土微粒和炸弹碎片组成的云降落回地面）。

在爆心，所有东西都因为高温（超过3亿摄氏度）而被瞬间蒸发。在爆心以外，大多数的人员伤亡原因包括热烧伤、被冲击波击倒的建筑物的碎片所造成的损伤以及严重暴露在高强度的辐射中造成的损伤。在直接爆炸区域以外，伤亡是由热量、辐射和热浪诱发的火灾引起的。在长期影响中，放射性沉降因为盛行风而在更大范围的地区出现。放射性沉降微粒进入供水系统，而被远离爆炸地点的人吸入和食入。

科学家研究了广岛和长崎的核爆幸存者以理解核爆对人类健康的短期和长期的影响。辐射和放射性沉降影响体内分裂活跃的那些细胞（头发、肠道、骨髓和生殖器官）。对健康状况的一些影响包括：

• 恶心、呕吐和腹泻
• 白内障
• 头发脱落
• 血液细胞减少

这些状况经常增加了如下疾病的风险：

• 白血病
• 癌症
• 不孕
• 出生缺陷

科学家和医生们仍然在研究日本核爆中的幸存者，期望随着时间的推移能够有更多的发现。

在20世纪80年代，科学家评估了核战争（许多核弹在世界不同地方爆炸）可能导致的后果，并提出了将出现核冬天的理论。在核冬天理论描绘的场景中，许多枚核弹的爆炸将扬起巨大的由尘土和放射性材料组成的云，并且飘移到很高的地球大气层中。这些云将遮蔽太阳光。太阳光水平的降低将导致地球表面温度的下降，减少植物和菌类的光合作用。光合作用的减少将扰乱食物链，导致大量生命（包括人类）的灭绝。这个情景类似于为解释恐龙灭绝而被提出的小行星假说。核冬天理论的支持者们指出了美国圣海伦斯火山和菲律宾的皮纳图博（Pinatubo）火山在火山爆发后形成的云作为佐证，这些由尘土和碎片组成的云在地球上飘移了很远的距离。

核武器拥有令人难以置信的、长期的破坏力，这种破坏力已经远远超出了它们的设计初衷。这就是为什么世界各国政府正试图控制核弹制造技术和材料的传播，并削减在冷战中部署的核武器。