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美國在日本廣島首枚核彈效率太低:60公斤裝藥只有700克裂變

 漫步之心情 2017-02-13

目前所知道的起動裂變燃料的裂變爆炸的方法有三種。第一種叫“槍法”,這種方法是非常迅速地將兩塊或多塊次臨界的裂變物質(它們每塊都不能依靠自身起動非可控的裂變反應)推在一起(無多大壓縮)達到超臨界狀態(tài)。這一方法的最著名的例子是用在1945年8月6日在日本廣島上空爆炸的“小男孩”炸彈的設計中。這枚炸彈的尾部有一個鈾一235的塞子(它構成臨界質量的42%),這個塞子通過直徑3英寸的管子、通過彈殼的長度,射入武器頭部的一系列鈾一235同心環(huán)(它們構成臨界質量的其余58%)中。據(jù)報道,這個特殊裝置的60公斤核裝藥中大約只有700克(約25盎司)發(fā)生裂變,效率約為1.2%。槍法技術本質上是浪費核燃料的,因為它缺乏能減少裂變燃料用量的任何方式的壓縮機制(槍法只是將次臨界物質不加壓縮地合攏在一起)。

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小男孩核彈

第二種起動裂變爆炸的方法是更先進、也更復雜的內爆法。內爆法是用高能炸藥“透鏡”(所謂炸藥“透鏡”,是用特殊形狀和特殊放置的炸藥產生并會聚爆轟波)去“擠壓”(向心爆聚)次臨界的裂變物質。當全部炸藥“透鏡”同時爆炸時,它累積地產生向內的球面沖擊波。這一球面沖擊波快速増大核燃料的密度,能夠在不減少質量的情況下縮小燃料的體積。事實上,爆炸前的金屬這時已成液體),使得裂變物質成為超臨界狀態(tài)。長崎爆炸的“胖子”炸彈總共用了6.2公斤的钚,于1945年8月9日在日本長崎上空爆炸。據(jù)報道,燃料用了6.2kg(13.6磅)钚,約有1.3公斤發(fā)生裂變,效率為21%,大約是廣島爆炸的“小男孩”炸彈效率的17.5倍15。

內爆法武器比槍法武器的優(yōu)越性在于用同樣數(shù)量的裂變材料,內爆法可制造出的彈頭威力是槍法的2?3倍。另一方面,早期的內爆彈頭比早期的槍法武器更龐大、更笨重,因而要求更大的運載工具(飛機或導彈)16。然而,槍法武器的最突出的優(yōu)點是它的性能可靠。比起內爆法武器來它還有另一個優(yōu)點是在相同的威力下,槍法武器的直徑較小,它適合于制造用于表面下爆炸的鉆地武器。例如美國的所有鉆地核彈頭都是槍法核彈頭。槍法武器也有它的缺點。為爆炸成功,內爆法武器要求炸藥與“組合芯”的極復雜的配置;而從每千克裂變材料的威力的觀點看來,槍法武器的效率低得可怕。此外,由于槍法武器是一點起爆系統(tǒng),不如多點起爆系統(tǒng)的內爆武器安全。

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胖子核彈

這兩種裂變反應的方法都要求用一個點火器,即中子源,在準確的時刻放出一束中子脈沖引發(fā)鏈式反應。點火器放出的中子必需非常充足,這才能確保裂變材料充分反應。

應該指出,對于钚,槍法一般不適用,這是因為大多數(shù)钚中都有同位素钚一240,因為它有很高的自發(fā)中子發(fā)射率。還沒有研究出一種槍法設計能使大塊裂變物質的推進速度快到足以排除過早點火(即在最佳狀態(tài)達到之前引發(fā)裂變)。美國當初想研究钚燃料的槍法型原子炮彈,但失敗了。

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看到主體大國想用什么方法了么?

提高裂變武器效率的一個顯而易見的辦法是對于一定量物質,使裂變芯的表面積做得物理上盡可能地小。減小表面積是為了減小中子逃逸的面積。當體積一定時,在所有幾何實心體中,球的表面積最小。因此幾乎所有裂變武器的組合芯都做成球形,以減少核反應過程中中子的漏失。

現(xiàn)代裂變武器或熱核武器的初級,可形容為“球套球”。這些同心球殼,包括最外面的金屬外殼和包在外殼中的一組猛炸藥“透鏡”,其作用是產生一個壓縮組合芯的向心會聚的內爆沖擊波。通常的炸藥用量可達到100磅,做成40?50個透鏡,一個透鏡裝一個雷管,并與通向點火機構的電線相連接(戰(zhàn)后早期的核武器要用幾百磅高能炸藥)圍在這些透鏡里面的是鈾、金或鈹制成的“惰層一反射層”兩用層,它將中子彈回爆炸芯,同時借助于它的質量和慣性阻擋爆炸芯向外膨脹。

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