核武器的原理

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　　核武器是指利用爆炸性核反应释放出的巨大能量对目标造成杀伤破坏作用的武器。爆炸性核反应是利用能自持快速进行的原子核裂变或聚变反应，瞬间释放出巨大能量产生的核反应爆炸而形成巨大杀伤破坏效应。

　　核弹爆炸时，释放的能量比采用化学炸药的常规弹药大得多。1千克铀裂变释放的能量相当于2万吨TNT炸药爆炸时放出的能量。核武器按作战任务使用范围可分为战略核武器、战役战术核武器；按当量大小可分为千万吨级、百万吨级、十万吨级、万吨级、千吨级和百吨级，美苏于80年代末开始研制当量小到10吨级、大到百吨级的微型超微型核弹头及当量可调核弹头。通常核武器的分代按其原理目前可分为四代。

　　第一代：原子弹（裂变弹）

　　20世纪四五十年代利用铀或钚等易裂变重原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器称为原子弹或裂变弹，即为第一代核武器。

　　链式反应　 能自持进行的原子裂变反应叫链式反应。在裂变装置（核弹头或反应堆）中，要实现自持核反应，必须用裂变核释放出的中子去轰击其它重核引起裂变，新的裂变又释放出新的中子，新的中子又去轰击其它重核引起裂变，依此不断进行。如铀235的核吸收一个中子后发生裂变，平均能放出2.56个中子，钚239平均能放出2.9～3.0个中子。在被释放出的中子群中，一部分被没有裂变的原子核所俘获，引起进一步裂变，未被俘获的中子从物质中逃逸。假如每次裂变能有一个以上的中子保留下来继续参与裂变反应（即被其它原子核俘获），那么下一“代”所能取得的裂变数就要比前一代的多，也才能形成自持链式反应。也就是说，为了在核爆炸中取得高效率，在核装置的设计上要尽量减少中子从裂变系统中逃逸，同时要尽力避免裂变材料中掺入能吸收中子的杂质。

　　裂变材料　 是指能裂变反应并大量释放原子能的物质。许多重原子核都能被分裂，但其中只有一小部分是易裂变的，即在慢中子（能量较低的中子）或快中子（高能中子）的轰击下能发生裂变。由于核裂变所产生中子的能量范围很宽，如果仅靠俘获快中子时才能裂变的原子核，通常不能实现自持链式反应。从实用观点来说，裂变武器只能用易裂变材料（即在慢中子轰击下也能发生裂变）来制造。目前世界各国的原子弹全都采用铀235和钚239，或者是它们的某种组合。

　　铀　 自然界的铀主要由两种同位素铀235和铀238组成，其中主要含量是铀238（约占99.3%），铀235含量极少（约占0.7%）。理论上，铀235的浓度在6%～10%才能制成铀弹。也就是必须把天然铀矿经筛选、粉碎、酸性浸析成矿浆、提炼获取铀的氧化物、进一步处理变成四氟化铀或六氟化铀，随后进行铀的浓缩。美国在二战中耗资10多亿美元建造了浓缩铀的气体扩散厂，通过泵使六氟化铀气体撞击上面设有数百万个小孔的障碍物，由于铀235和铀238原子质量有轻微不同，含有铀235原子的分子比含有铀238的分子以稍微大一点的速率渗出，最终的产品是武器级铀。目前各国使用的核武器的铀235浓度为93.5%。60年代末，武器级铀每磅（0.45千克）需5 500万美元，而天然铀每磅才12美元。

　　钚　 自然界中钚的蕴藏量极少，也不能自然产生，只能用中子轰击铀238而得到钚239。大量生产钚239需要高密度中子源轰击铀238，而中子源由核反应堆中的连锁反应提供。二战中，美国建立了多处核反应堆每年生产大量钚239。理论上，钚239含量为6%～10%就可以用来制造原子弹。目前各国使用的核弹头钚239纯度约为93.5%。

　　铀235和钚239的基本区别是铀是天然的，由采矿浓缩而得；而钚239要用人工方法在原子反应堆中得到。制造相同当量的铀弹比钚弹的用钚量要多，尽管钚239比铀235要贵，但钚239裂变弹可获得较高的当量-重量比，可使武器重量更轻、体积更小。据报道，美国大部分原子弹都含有铀235和钚239两种材料。

　　临界质量　 为维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量称为临界质量。少量的裂变材料不能维持链式反应（绝大多数中子逃逸了）。临界质量的大小取决于裂变材料的种类、结构密度、几何形状以及核装置中有无中子反射层结构等。在固态物质形状中，球形的体积与表面积的比值最大，从单位球形裂变材料中逃逸出来的中子数最少，因此球形是临界质量最小的一种形状。如采用裸球，铀235和钚239的临界质量分别为52和10千克（铀235的密度小于钚239）。

　　降低临界质量有多种方法：一是用中子反射层作为包壳材料把裂变材料包起来，以使一部分向外逃逸的中子反射回裂变材料中，增加了中子数量以轰击重核。中子反射层可使裂变材料临界质量减小到原来的1/3到1/2，也就是在正常密度下，铀235和钚239的临界质量可分别减至13～15和5～10千克，这就为减小核弹头体积和重量乃至制造原子炮弹提供了方便。二是压缩核材料，增加其密度。临界质量近似与密度平方的倒数成正比。三是巧妙的结构设计以使裂变材料发挥最大作用。

　　原子弹的设计　 裂变链式反应可视为一系列的“代”的雪崩式延续，每一“代”的标志是前一“代”产生的中子使核进一步裂变，一“代”的时间约10-8秒。裂变弹能量的释放要经历若干“代”，其“代”数取决于一“代”裂变产生的中子数有多少能保留下来并引发下一“代”裂变反应。如果一个原子核裂变仅能放出2.5到3个中子、并有2个能保留下来引起新的裂变，那么当量在1千吨到10万吨之间的一枚核弹能量释放约要经历53～58“代”。其中99.9%的能量大约是在最后7“代”释放出来的，即约在爆炸的最后0.07秒内。

　　要获得大的当量，裂变材料组合后的质量就必须比临界质量大若干倍，才能达到和维持快速增殖链式反应，这可通过把两个或多个亚临界质量块（小于临界质量）合到一起。

　　原子弹的设计原理　 是使处于亚临界状态的裂变装料瞬间达到超临界状态，有两种基本方式，即内爆式和枪式。内爆式又称压紧型，如一枚内爆式核弹可由处于亚临界质量（一般为临界质量的几分之一）的球形裂变装药构成，在球形装药的外面包一层其外围是高能炸药的重元素（铀238）反射层。爆炸时，高能炸药形成的内聚爆轰波压缩装药，使其密度增大一倍到几倍达到超临界质量。铀235、钚239或二者组合的核武器，一般采用内爆式。美国1945年7月16日试验的第一颗原子弹和投在日本长崎的第二颗原子弹“胖子”，都采用内爆法使钚239由亚临界状态瞬间压缩成超临界状态，而参与链式反应的仅为1千克。

　　枪式又称压拢型，即把2～4块处于亚临界状态的裂变材料，在化学炸药爆炸力的推动下迅速合拢而形成超临界状态。例如，沿着一管子可以把亚临界的裂变材料推进到另一块球状亚临界裂变材料块中，也就是射进“枪管”，投在日本广岛的铀235弹“小男孩”就用此法。枪式结构比较简单，设计起来比较有把握。枪式结构只能用铀235，不能用钚239，主要原因是枪式结构对过早点火特别敏感，而钚239正好比较敏感。此外，由于内爆式核装置比枪式核装置效率高，所以美国核弹大多数采用铀235内爆式。

　　第二代：氢弹（聚变弹）

　　60年代以后，利用氢的同位素氘、氚等轻原子的聚变反应，瞬时释放出巨大能量的核武器，又称聚变弹、热核弹、氢弹，即为第二代核武器。

　　聚变反应　 除了重原子核铀235、钚239等的裂变能释放核能外，还有另一种核反应，即轻原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时也能放出巨大能量。核聚变的原理是：在标准的地面温度下，物质的原子核彼此靠近的程度只能达到原子的电子壳层所允许的程度。因此，原子相互作用中只是电子壳层相互影响。带有同性正电荷的原子核间的斥力阻止它们彼此接近，结果原子核没能发生碰撞而不发生核反应。要使参加聚变反应的原子核必须具有足够的动能，才能克服这一斥力而彼此靠近。提高反应物质的温度，就可增大原子核动能。因此，聚变反应对温度极其敏感，在常温下其反应速度极小，只有在1 400万到1亿度的绝对温度条件下，反应速度才能大到足以实现自持聚变反应。所以这种将物质加热至特高温所发生的聚变反应叫作热核反应，由此做成的聚变武器也叫热核武器。要得到如此高温高压，只能由裂变反应提供。

　　热核材料　 核聚变反应一般只能在轻元素的原子核之间发生，如氢的同位素氘和氚，它们原子核间的静电斥力最小，在相对较低的温度（近千万摄氏度）即可激发明显的聚变反应生成氦，而且反应释放出的能量大，一千克聚变反应装药放出的能量约为核裂变的七倍。但在热核武器中不是使用在常温下呈气态的氘和氚。氘采用常温下是固态化合物的氘化锂，而氚则由核武器进行聚变反应过程中由中子轰击锂的同位素而产生。1942年，美国科学家在研制原子弹过程中，推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃轻核引起聚变，并以此制造威力比原子弹更大的超级弹。1952年1月，美国进行了世界上首次代号“迈克”的氢弹原理试验，爆炸威力超过1 000万吨当量，但该装置以液态氘作热核材料连同贮存容器和冷却系统重约65吨，不能作为武器使用，直到固态氘化锂作为热核装料的试验成功，氢弹的实际应用才成为可能。中国于1966年12月28日成功进行了氢弹原理试验，1967年6月17日由飞机空投的300万吨级氢弹试验圆满成功。

　　热核武器的设计　 在热核武器中，聚变材料既可直接加到（或靠近）裂变装药中心，也可安置在裂变装药的外面，或两种方法同时采用。在后一种情况下，需将裂变产生的辐射控制起来，以使其能量转换用于压缩并点燃分离装配的聚变材料的部分。这个专门设计用作起爆的裂变装药就叫做初级，通常称为起爆氢弹的“扳机”。初级外面的聚变材料部分叫次级。因此，这种武器可以说有两级核反应。

　　虽然铀238不能进行自持链式反应，但由于裂变和聚变反应产生的大量高能中子可使铀238发生持续裂变。所以在热核外面再包一层铀238（天然铀或贫化铀）就可以提高核武器的当量。在热核武器中，这层铀238有时被称为第三级。没有这层铀，就是两级武器。

　　通常一枚大当量热核武器都是三相弹，即爆炸时所放出的能量有3个来源：第一级裂变链式反应；第二级热核材料的聚变反应；第三级铀238外层的裂变反应。粗略估计，释放的总能量中聚变和裂变各占一半。但为了获取特殊的核爆炸效应，或满足核武器一定的重量或尺寸要求，可以采取不同的裂变与聚变当量比，包括从纯裂变到聚变当量占很大比例的武器。

　　核弹头的基本结构　 不管核武器样式多么繁多，核弹头的基本构造通常由壳体、核装药和热核装药、引爆控制系统（引信）和电源等组成。其中壳体用于盛装核弹的各种装置并能防止其机械损坏。在弹道导弹核弹头壳体外壳还涂有特殊涂料或隔热层，以防弹头再入大气层时受高速气动加热使弹头壳体及内部装置因过热而烧毁。核装药和热核装药，由裂变和聚变材料构成，以氢弹为例：核装药（裂变装药）置于由普通炸药构成的球形装药的中央部位，在球形装药外面四周安装了许多电雷管。引信传来的敏感信号通过引爆控制系统产生的高压电起爆各电雷管，使普通炸药以“枪法”或“内爆法”使裂变材料迅即达到最大超临界质量而实施核裂变爆炸，并使爆炸产生的部分辐射能量转换用以加热和点燃（高能中子的轰击）热核装药产生聚变反应，形成整个氢弹的核爆炸。引控系统是保证核弹到达预定炸点时发出起爆核装药指令并可靠起爆的装置。电源是给弹头各组件提供能源的小型一次性使用的蓄电池，在导弹发射准备时激活蓄电池，导弹发射起飞时才能用弹上蓄电池供电。

　　当量可调　 核弹的当量是可以调节的。在纯裂变装置中，若改变链式反应的引发时间或变换弹芯，就能改变当量。链式反应是由中子源引发的，如改变中子源状态，也可实现当量可调。在具有一级或多级聚变反应的热核武器中，控制氚的用量或更换弹芯，即可改变当量。此外，也可采用控制附加的聚变级是否点火的机械措施，即控制是否点燃聚变装药，便可调节核爆炸当量的大小。

　　核武器的重量和当量　 世界上第一个核爆炸装置，代号“大男孩”的钚装药约重6.1千克。由重约2 268千克高能炸药内向爆炸将其压缩到一起，于1945年7月16日上午5时24分，在新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”试验场内的一个30米高的铁塔上进行试验，当量为2.2±0.2万吨。钚装药实际大小同柚子差不多，而铀反射层和高能化学炸药使爆炸装置尺寸重量大大增加。核装药、反射层和高能炸药固定在一个由12块五边形构成的金属球内，各五边形用螺栓互相连接组成一个球体。

　　1945年8月6日上午8点15分投在日本广岛上空、估计爆高580米的原子弹“小男孩”，它装有60千克高浓缩铀235，采用枪法结构。枪管直径约15厘米，长1.8米，重约半吨。核弹本身连同外壳长3米，直径71厘米，重约4吨，当量1.2～1.5万吨（有报道1.25万吨）。

　　1945年8月9日上午11点零2分，投在日本长崎上空估计爆高503米的原子弹“胖子”，它所采用的设计和“大男孩”一样，只是名称不同。“胖子”装有稳定翼和一个保护性的直径为1.5米的蛋形外壳（弹壳），核弹全重约4.9吨，长3.6米，当量2.2±0.2万吨，钚装药约6.1千克。两枚内爆式原子弹核装药的利用率约17%，而“小男孩”只有约1.3%。在美国首批核武器设计中，化学炸药和反射层重量占了绝大部分：“胖子”的当量重量比是4.5吨/千克，“小男孩”为3吨/千克，与现代核武器相比，都非常低。当量在10万吨以上的现代化热核武器，其当量重量比一般为1 000～3 000吨/千克，（这一数值远比氘氚材料完全聚变所能达到的8万吨/千克的理论极限低得多），例如美国库存核武库中当量最大的弹头B53核弹（以及在“大力神”Ⅱ导弹上使用的弹头W53），当量900万吨，重约4吨，当量重量比约2 200吨/千克，相当于“胖子”的500倍。美国现役洲际导弹“民兵”Ⅲ弹头为3个33.55万吨当量分导式弹头MK-12A，总当量100.65万吨，弹头重955千克，当量重量比为1 054吨/千克。当量大于10万吨的战略导弹弹头和核炸弹，当量重量比为300～2 500吨/千克。低当量的战术核武器的当量重量比约为4～100吨/千克。