核能开发及应用06 核能的军事应用

核能开发及应用
第二章 核能的军事应用
美国当地时间1945年7月16日凌晨5:29’45”，位于美国新墨 西哥州荒漠的阿拉莫戈多空军基地，代号为“三一试验 ”(Trinity Test)的世界上第一枚原子弹爆炸成功。这是一枚选 用239Pu作为裂变材料、长3.3m、直径1.5m、重达5吨的“内爆 式”原子弹。爆炸装臵(原子弹)事先放臵在一个高达30.5M、 重达上百吨的钢架上。爆炸威力远远超出了人们事先预计的 结果：原子弹释放出了大约相当于1.9万吨TNT炸药完全爆炸 所释放出来的总能量：钢架被部分地“蒸发”了，爆心附近 的沙子被烧成了琉璃状。放臵在不同距离处的摄像、录像器 材被全部损坏：人们惊呼爆炸生成的火球“比一千个太阳还 亮”。弹坑深8米，直径为365米，半径1.6公里的范围内，所 有有生命的东西都被破坏无遗。爆炸震破了300公里外城市建 筑物的玻璃。
助爆式原子弹
助爆式原子弹当中聚变材料的选取不同于氢弹当中聚变材料 的选取。在氢弹中，首选的聚变材料6LiD，而对于助爆型原 子弹来说这不是最好的选择。因为Li要吸收裂变中子以后才 能产生造氚反应 n+6Li→T+4He+4.78 MeV 这使得系统中的中子数减少。用液态的D和T做为聚变材料也 是不合适的，因为为了使 D和T液化，要用到庞大的加压和冷 却设备，从而导致武器的体积和质量大幅度增加。唯一的选 择是选用气态或固态的D和T的混合物。由于D是一种放射性 材料，并且它的半衰期只有12.3年，因此武器中的“助爆’’ 材料需要定期更换。
助爆式原子弹
就是在原子弹裂变材料的中心形成一个较小的聚变反应，依 靠聚变反应所提供的高温、高压条件和大量中子增大裂变爆 炸的威力。这种技术目前大量应用于先进的核武器当中。 在裂变武器爆炸时，中心部分处于极高的温度和压力下，（ 几百亿个大气压，几千万度）。如果在爆炸中心放臵一些聚 变材料的话，可以引发聚变反应。由于聚变反应所产生的中 子具有14MeV以上的能量，当它们与可裂变核碰撞时，就可 以使得可裂变核产生裂变反应并放出更多的中子。 这两种反应共同作用，使原来的链式裂变反应比没有聚变反 应时增殖的更快，从而发生更多的裂变反应。 助爆式原子弹与末助爆的原子弹相比，威力可增大2-10倍。 气体助爆：聚变材料在武器中以D、T气体的形式存在。 固体助爆：聚变材料在武器中以某种固态化合物形式存在。
1945年8月6日，一枚代号为“小男孩”Little Boy)的原子弹 在日本的广岛上空爆炸．其爆炸威力大约为2万吨TNT当 量。这是枚以235U为裂变材料的“枪式”原子弹。原子弹 的爆炸直接导致了大约70000多人的死亡，致伤68000多人 ，在面积为13km2的地区内，2/3的建筑物被彻底摧毁。 同年8月9日，另一枚代号为“胖子”(Fat Man)的原子弹在 日本九州岛的长崎上空爆炸，炸死大约35000多人，炸伤 60000多人，在4.7km2的区域内，40％以上建筑物被摧毁。 这枚原子弹以239Pu为核材料，属于内爆式原子弹，爆炸威 力大约为2.1万吨TNT当量。
原子弹的基本原理
按核燃料分： 铀弹：以235U为核装药，浓度在90%以上 钚弹：以239Pu为核装药，浓度在93%以上 原子弹的基本组成部分: 核燃料—链式裂变反应 中子源—点火（扳机） 引爆装臵—原子弹的控制机构（使用前，核材料次 临界，使用时，使核材料迅速变成超临界） 中子反射层—中子慢化 外壳体
核武器分类
按照核装臵的原理结构划分：可分为原子弹、氢弹和特殊 性能核弹。后者包括中子弹(增强辐射弹)、减少剩余放射 性弹(冲击波弹)、感生放射性弹、核爆激励x射线激光器 、核爆激励射线激光器、核爆激励高功率微波武器等。 按照投掷发射系统划分：核导弹、核炸弹、核炮弹、核深 水炸弹、核鱼雷、核地雷等。
几个概念
增值系数—引起下一代核裂变的中子属于引起本代核裂 变的中子数之比叫做增值系数k 临界：k=1，链式裂变反应可以维持进行，并且以固定不 变的功率释放能量。核反应堆工作时 次临界：k<1,损失的中子数超过产生的中子数，链式裂变 反应不能维持进行。反应堆停堆时、原子弹储存时 超临界：k>1,链式裂变反应快速维持进行，核能瞬间释放 出来。原子弹爆炸时 “现场快速装配技术”：核材料的临界质量与其几何形 状和物理密度有关，在平时分为若干块，或密度降低， 核材料处于次临界状态。使用时，通过雷管引发普通的 爆轰把核材料快速压在一体，同时提供“点火中子”。 “现场快速装配技术”要求：快速完成装配(0.1ms)、精 密同步（1µ s）、高密度状态时表面积小、球形。 核系统处于临界状态时(K＝1)易裂变材料的质量称为临界 质量M ，它所占有的体积称为临界体积。
根据上面的题目得到结论： 核系统在超临界状态下链式反应是s级 中子增殖因数k值越大，反应速度越快 能量绝大部分是在反应后期放出。以k=1.2为例。裂 变0.1kg的235U需要2.86s的时间。而裂变1kg的235U则 只需要2.99 s的时间，时间仅仅增加了0.13s ，而 裂变的量却增加了9倍! 原子弹爆炸时，铀利用率仅仅为10％左右，所以如 果能设法延长链式反应的时间，就可以大大提高核 材料的利用率
超临界链式反应的特点：超快
假设一个由235U核材料组成的超临界系统，裂变一次所 需要的时间为10-8s，当中子增值因数k=1.2时，由一个 中子引发的链式反应，求裂变完1kg的235U所用的时间 ， k=1.3时呢？画出放出能量与时间之间的关系。假设 裂变一次所放出的能量为200MeV。1MeV=1.60210-13J 、一公斤TNT爆炸可产生420万焦耳的能量。
两个理论问题
当整个核装臵的外径尺寸确定时，怎样选取内部的 结构尺寸，可以使得被驱动部件获得最大的动能呢? 当发生冲击碰撞时，飞层内层材料中的压力与飞层 的能量体积密度成正比。要提高被碰撞物体中的压 力，获得较大的材料压缩比，必须提高飞层撞击时 的速度，或者选用较高密度的飞层材料。为了使飞 片充分吸收爆轰产物的能量，必须保证飞片有足够 的飞行距离。实验证明：飞片的加速过程是十分迅 速的。一般的加速过程在40-60 mm长的空腔内即可 完成。飞层起了“能量泵”的作用，使金属从爆轰 产物中吸收更多的能量。
原子弹基本构造
枪式原子弹：又称压拢形原子弹，是将一小块核材 料用炸药推进到两块处于次临界状态的核材料之间 ，使核材料系统变为超临界，从而引起核爆炸。
Little Boy
枪式原子弹的特点
制造技术简单，易于制造，只能采用铀-235装料。 缺点：核材料装量多，利用率低 一般2万吨TNT当量的原子弹需25公斤铀-235，利用率<10%。 美国投在广岛的就是一颗枪式原子弹，装64公斤铀-235，爆炸 当量1.5万吨，利用率仅为1.2%.
内爆式原子弹
使用内爆技术，用炸药爆炸产生强大的向心力，将处于次临界 状态的核材料压紧变成高密度的超临界核材料而产生核爆炸的 原子弹。又称向心聚爆式原子弹。
内爆式原子弹的特点
所需要的核材料相对较少，核材料的利用率可高达10％-20 ％。目前世界上服役的原子弹大都为内爆式原子弹。 把核材料做成空心球壳形状、这样做的结果不仅不会使核 装臵体积增大，反面会使装臵的体积减小，质量减轻。原 因:留出的空间为外层部件的加速留出了余地，外层的金属 部件经过这一段距离的加速，可以使得撞击速度大大提高 ，从而获得很大的核材料压缩比。它甚至比全部用炸药填 充这部分空间的结构形式所能获得的核材料压缩比还要大 得多。 多点起爆，提高了对核燃料的压缩效果。 同步性要求高，同步性小于1微妙。 起爆点数的疏密、雷管起爆同步性、炸药纯度、炸药装药 密度的均匀性、结构部件加工误差等都会影响同步性。 核材料的压缩成高密度，可减少核装药量，降低成本。 超临界速度加快，核爆成功率加大，提高核材料利用率。 技术难度、储存难度比枪式高得多。 核材料一般不能少于1公斤，“胖子”就是一颗内爆式的钚 弹，爆炸当量2万吨TNT。
影响临界质量的因素
核材料的种类。由于不同核材料的中子裂变截面不同、每 次裂变放出的中子数不同等诸多因素造成不同材料临界质 量不一样。235U材料裸球的临界质量大约是50kg；239Pu材料 裸球的临界质量大约是16kg。 核材料的密度。密度越高，临界质量越小。压缩后密度增 加，单位体积内的原子核数增加，中子引起的核裂变数增 加，同时表面积减小，中子泄露的可能性减小。球形核材 料的临界质量与核材料密度的平方根成反比，密度增加一 倍，则临界质量就减少为原来的1/4。 核材料的几何形状。核材料的几何形状决定了它的表面积 ，因而也就决定了逃逸出核系统的中子数，所以就决定了 其临界质量的大小。 核材料的纯度。核材料的纯度决定了被杂质核所俘获吸收 的中子的数量。
美国“小男孩”
原子弹爆炸后现场长崎被轰炸后的街道广岛，曾经的一条繁华大道
长崎一家被轰炸后的工厂
广岛被破坏的程度比长崎要厉害得多
广岛被炸后的废墟
广岛市区远景
走在这里，确实会让人怀疑自己是人是鬼
一家被轰炸后的工厂
英军官兵乘卡车穿行于长崎市区
俄罗斯的核武器博物馆
氢弹
氢弹是利用轻元素原子核的聚变反应，在瞬间释放出 巨大能量，起杀伤破坏作用的爆炸性核武器。 氢弹的物理基础：借助于原子弹爆炸时产生的高温和 高压条件，实现轻核材料的聚变反应。 泰勒一乌拉姆模型：原子弹初始爆炸的主要产物是x 射线，以光的速度传播，比任何爆炸中产生的粒子状 物质要快得多。用x射线(而不是中子) 作为从裂变扳机 到聚变燃料的能量输运的主要手段。 另一个关健因素：先利用千吨级核装臵的爆炸来引发 几十万吨级核装臵的爆炸，再接着用几十万吨级核装 臵的爆炸来引发百万吨级、甚至千万吨级核装臵的爆 炸，这就避免了直接从较小的千吨级扳机引爆具有百 万t威力核装臵爆炸的困难。
影响临界质量的因素
中子反射层。在核材料的外表面加上一层可以反射中子的 物质以后，逃逸出系统的中子就有可能与这层物质(原子核) 发生碰撞，从而反射回核系统继续参与核反应，使得系统 中的中子数增加。实验和计算表明：如果在活性材料的外 表面加上5cm厚的238U材料作为反射层的话，235U材料的临 界质量就将由50kg减小为大约24kg，239Pu材料的临界质量 由16kg减小为大约只有8kg。在所有的中子反射层材料当中 ，9Be是最好的。这是因为一方面9Be是单位体积中原子核 数最高的核素，另一方面是因为它除了可以反射中子以外 ，还能够增殖中子。所以在其他条件允许的情况下，一般 武器中部选用9Be作为中子反射层材料。