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核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

2019-11-07  漫步之心情

      引言

      核弹小型化单从字面上去分析其实就是利用尽可能少的重量达到尽可能大的威力,比如轰炸广岛的小男孩原子弹,其重量4吨,爆炸威力却只有约1.5万吨TNT,而美国目前最先进的W88型核弹头,重量约360千克,爆炸威力却高达47.5万吨!而在核物理学上有一个专门形容单位重量核弹威力的专业名词叫做:比威力(比当量)!广岛原子弹的比威力只有3.75吨TNT/千克,而W88核弹头的比威力高达1319吨TNT/千克!也就是说比威力越大,同等重量的核弹总威力也就越大,所以实现核弹小型化的关键奥义就是提高比威力!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (沙皇炸弹与胖子原子弹的威力对比)

      原子弹的枪式与内爆式结构优缺点

      那怎样才能提高原子弹的的威力呢?如果只是原子弹的话,那么首先就应该从枪式结构进化到内爆式,小男孩作为人类历史上第一颗参与实战的原子弹,就是是典型的枪式起爆结构,通过炸药爆炸冲击波将一块小的铀235材料快速推向另一块大的铀235材料,从而让两者结合,密度和质量急剧增加,从而达到超临界状态而发生不可控的链式核裂变反应,从而爆炸释放出大量能量!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (枪式原子弹原理)

      然而枪式结构的缺点很明显:

      第一、必须将核材料放置在一根长长的钢管之内,导致枪弹外观都是长长扁扁的,体积很大

      第二,枪弹的两块铀235材料在相互撞击结合的过程中会发生大量的提前自发型裂变,这就导致不仅中子利用率低,还会让很多核材料在没有发生裂变的情况下就被直接炸飞,即使在铀块外面包裹上中子反射层,核装药的利用率依旧低得可怕!根据统计,广岛原子弹的核材料重量约为66.6千克,但是最后利用率只有约1.6%,这两个缺点就让枪式的广岛原子弹体积非常大,但威力却也提不上去!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (内在决定外在,小男孩原子弹外形也是长长的)

      从上面我们也能知道,长条形并不是原子弹的最佳构型,所以就诞生了另外一种内爆式球形原子弹!内爆式原子弹核心是一团整体的次临界状态的铀235或者钚239材料,外部则是围绕铀材料环绕布置的一层TNT炸药,最外层就是一个球形的钢结构外壳!在炸药爆炸后,爆炸冲击波高压将内部核材料挤压到超临界状态从而发生核爆炸!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (内爆式原子弹原理)

      内爆式原子弹的优势显而易见,由于没有加速距离,弹体可以做到更小,球形的核材料整体布置,可以让链式反应中的中子充分撞击原子核,提高核材料的利用率和反应速度,降低核装药的临界质量!经过了这样设计的胖子原子弹,重量与小男孩相当,但是威力却提高到2万吨TNT,而且钚239核材料只有约16千克,不到小男孩的1/4!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (依旧是结构决定外形,胖子原子弹外形就是胖胖圆圆的)

      原子弹再小型化,也只能当做战术型核武器使用

      虽然胖子原子弹看起来先进了不少,但是最关键的指标比当量却没有提高多少!胖子重4吨,总威力为2万吨TNT,比当量只有5吨/千克,只比小男孩高了1/3左右!造成胖子比当量低的主要原因是其实是当时内爆式原子弹的不成熟,炸药填充的过多,整个胖子一共有50厘米厚的炸药,重量超过2吨!现代的内爆式原子弹通过改进炸药成分,优化结构比例,已经与当年不可同日而语!比如美军的M388型核炮弹(原子弹),重量只有23千克,威力高达250吨TNT,比当量已经接近11吨TNT/千克,这也算是核武器的小型化了吧?但即使按照这样的比当量,以胖子4吨的体积计算,其总威力也不过4.4万吨TNT而已,很难用作战略核打击武器使用!那怎么做出体积小,威力又大的核武器呢?

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (裂变型战术核炮弹体积是小了,但是威力也差了好几个数量级)

      核裂变的局限性

      从M388型核炮弹身上我们也能看出,核裂变武器的体积和重量已经能够做到极小,但是威力却始终提不上去!这是为什么?因为核裂变武器本身就有其局限性:

      第一、核裂变相比传统的炸药来说,确实威力很大,但是和核聚变比起来,依旧弱爆了,一千克核聚变材料释放的能量是核裂变的四倍以上,并且利用率也更高,两种因素叠加,最终的差别高达数十倍乃至数百倍!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      第二、核裂变有一个所谓的临界质量上限,一旦原子弹内部堆砌的核裂变材料过多就会引发自发性核裂变,所以原子弹的核装药也有上限,原子弹的威力上限基本也就在50万吨TNT徘徊,再也无法增加。而氢弹利用的核材料的聚变反应释放能量,所使用的的氚化锂6也没有所谓的临界质量,通过材料堆加,可以让威力理论上无限叠加!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (氢弹爆炸后蘑菇云)

      总结:核弹头要实现小型化与大威力的并存,必须突破氢弹技术

      所以要实现核弹头的小型化,并且尽可能的提高威力,那么就必须实现氢弹技术的突破!目前全世界五常国家所使用的战略核弹头都是典型的氢弹(热核弹头),其重量基本都在800千克以下,威力平均在20万吨TNT以上,比当量平均300吨TNT/千克,已经达到广岛原子弹的接近100倍!当然了,核弹头也并不是比当量越大越好,比如美国在上世纪五六十年代生产的W56和W59核弹头就是典型例子,W56重量272千克,总威力为120万吨TNT,比当量为4400吨TNT/千克,W59核弹头重250千克,总威力100万吨TNR,比当量4000吨TNT/千克。如果单论小型化,他们比目前世界上任何型号核弹头都做得好,但是由于早期核弹头性能不稳定,安全性较差,最终被加装了多种保险装置和换装引爆结构的重量更大的W87和W88核弹头所取代!

      核武器的小型化是如何实现的?氢弹技术是核弹头小型化的关键

      (W87式小型化分导核弹头)

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