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氢弹的基本原理

2014-08-21  漫步月球路

氢弹的基本原理
(上)
1945年8月,美国分别在日本的广岛和长崎投下了原子弹,猛烈的爆炸几乎把这两座城市夷为平地。原子弹巨大的威力引起了世界的震惊,然而,与氢弹相比,原子弹的威力还真就是个“小男孩”罢了。
原子弹的能量“源泉”是利用重核裂变,而氢弹则是与之相反的轻核聚变。氢弹使用的“燃料”是氢的同位素氘和氚而不是普通的氢,所以严格地说氢弹应该叫做氘氚弹。氘和氚聚合的方程式为:2D+3T—→4He+1n,放出的能量约为17.6MeV,平均每个核子放出3.5兆,而核裂变中平均每个核子放出的能量还不到1兆。400克氘和600克氚的混合物聚变放出的能量相当于4千克铀裂变或12000吨标准煤燃烧的能量。

原子核内部是由带正电荷的质子和不带电的中子组成。那么带正电的质子为什么不会相互排斥而造成原子核破裂呢?原来,在原子核内部的核子之间,存在着宇宙间最为强大的作用力——强(相互)作用力,要比质子之间静电的排斥力还要大一百多倍。如果一张纸完全由这种强作用力控制的话,那要撕开这张纸就必须要好几百辆火车头同时开足马力地工作了。原子核之所以是稳定的,完全就是强作用力的结果。不过强作用力的作用范围仅限于原子核内部(约10-14米),超过了则迅速减为0。也就是说,宇宙中最强大的大力士却没有胳膊,只有贴近才能感受到它巨大的威力。
电荷之间的作用力是与它们距离的平方成反比的,当两个带正电的原子核很靠近时,强大的斥力会使它们无法彼此接近,只有当它们之间的距离小于10-14米时,强作用力显现出来,两个原子核便会发生聚变而合为一体,同时放出核能。那么怎样才能克服电荷之间的排斥力而使这两个原子核足够接近而发生核聚变呢?
如果把原子核比作飞速的汽车的话,那么正电荷之间的斥力就是汽车的保险杠。只有汽车的速度特别大,才能克服保险杠的作用而撞到一块。有一个很简单的让原子核加速的方法,那就是加热。当加热到大约6000万度时(这个温度发生的聚变能量不可控,要想实现可控的核聚变,温度还要再高),一些原子核就可以发生聚变了,所以核聚变也称为热核反应。不过这6000万度的温度可比一般的化学燃烧的温度热上万倍,怎么才能实现呢?科学家们想到了原子弹,利用原子弹爆炸产生的超高温来促使聚变的发生。
    这样看来,氢弹的基本原理也并不深奥,先利用常规炸药引爆原子弹,在利用原子弹爆炸产生的高温高压引发氘和氚的热核聚变,从而引爆氢弹。虽然氢弹爆炸的时间极短,但这三个步骤却很分明。不过说归说,实现这个原理的技术却相当复杂。别的不说,就是引爆氢弹的原子弹的技术就相当的复杂。而且原子弹爆炸以后会急速地膨胀,温度下降,这样参与聚变的氘和氚也会被炸开,即便能发生聚变反应,马上也就熄灭了,这个充其量就是个加强型原子弹。所以直到现在,各核大国政府还是把氢弹的设计技术列为高度的机密,一些科普书籍和网络上的氢弹结构示意图都是一些爱好者从一些公开的资料中分析而来的。
氢弹的基本原理
(下)
1952年,美国进行了人类历史上第一次氢弹理论试验。这次爆炸的威力大约相当于1040万吨TNT当量,约为广岛原子弹的700多倍。由于氘和氚在常温下是密度很小的气体,为了提高密度,就要使用庞大而精密的制冷设备将其转变成液体(约-253℃),所以这种氢弹也称为“湿式氢弹”。这颗氢弹被命名为“迈克”,竟重达65吨,根本无法用飞机或导弹进行投放。
科学家们通过研究发现氘化锂-6作为氢弹的核燃料是最合适的。氘化锂-6是一种稳定的固体化合物,所以用它做燃料的氢弹被称为“干式氢弹”。在原子弹爆炸所产生的高温高压下,氘化锂-6会分解,而原子弹爆炸产生的中子轰击锂-6原子核,会生成聚变所需要的氚(6Li+1n—→4He+3T)。而氚和氘发生聚变反应也能释放中子,这中子又可以和锂-6作用产生氚,于是就形成了循环。随着温度的升高,锂-6本身都会参与聚变(2D+6Li—→24He+22.4MeV),放出的能量也很可观,每公斤的氘化锂-6在聚变中约能产生4~5万吨TNT当量。由于氘化锂-6便于常温保存,不需要使用制冷设备,所以氢弹的体积和重量大大减小,能用飞机或导弹进行投放,可以用于实战。1967年6月,我国第一颗可用于实战的氢弹试爆成功,威力相当于330万吨TNT当量。

    科学家们还发现,氘氚聚变产生的中子能量很大,竟能引发铀-238的裂变,而且铀-238也没有临界质量的问题。于是在氢弹外层加装铀-238外壳,利用氢弹爆炸的高能中子引发铀-238外壳的裂变,这就形成了三相弹,又称为氢铀弹。三相弹的步骤是裂变→聚变→裂变三个明显的过程,威力要比普通氢弹大得多。其中裂变产生的能量很大,能达到核爆炸能量的一半甚至75%以上。但是,铀-238裂变产生的放射性物质很多,三相弹中裂变的比例越高,放射性污染也就越严重,因而三相弹也被称为“肮脏”的氢弹。1954年美国在比基尼岛附近进行了一次三相弹爆炸试验,威力相当于1500万吨TNT当量。有一些放射性尘埃降落到了一艘日本渔船福龙号上,当时船上有23名渔民,全患上了放射病。

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