核彈是利用易裂變元素進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，將虧損的質(zhì)量以質(zhì)能方程：E=MC2轉(zhuǎn)化成如沖擊波、輻射等形式的能量，在幾百萬分之一秒內(nèi)釋放出來，從而造成巨大破壞的武器，下面，我們將詳細(xì)介紹一枚核彈的設(shè)計(jì)過程。

第一章 認(rèn)識裂變物質(zhì)

首先允許我小小地科普一下，按照宇宙物理學(xué)的圖景，我們的宇

宙產(chǎn)生于一個(gè)奇點(diǎn)，起初并沒有物質(zhì)，只有能量與弦，在弦與能量交匯的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了光子，高能光子又分裂為正負(fù)電子對，隨著弦的波動與能量的糾纏誕生出強(qiáng)子及電子、中微子等各種物質(zhì)，這些物質(zhì)如夸克、電子等以精細(xì)對稱的形式結(jié)合成穩(wěn)定的基團(tuán)，也就是我們熟知的各類元素，在大質(zhì)量的天體如恒星的中央，較輕的元素比如氫，在巨大的壓力下進(jìn)行聚變反應(yīng)產(chǎn)生出新的更重的元素，如氦、鋰，同時(shí)釋放出能量，這一自持聚變?nèi)紵磻?yīng)對原子序數(shù)在鐵之前的元素是有效的，對于鐵之后的物質(zhì)，則可能是晚年恒星坍縮爆炸的產(chǎn)物，所以平衡性減小，如果原子核受到新的粒子如中子、或者質(zhì)子等擾動，則新基團(tuán)的勢壘將高于核子結(jié)合能，核子將分裂開來，并釋放出多余的結(jié)合能，這就是核能的來源。

第二章 核反應(yīng)簡介

在這里我們主要探討中子所造成的核反應(yīng)，當(dāng)一個(gè)自由中子入

射到原子核附近時(shí)，按照不同的幾率，會產(chǎn)生如下幾種反應(yīng)：

1. 彈性散射（EL），就像兩個(gè)乒乓球相撞，然后又互相彈開了，改變的僅僅是各自的速度和運(yùn)動方向，我們通過經(jīng)典力學(xué)就足夠了解它們了。

2. 非彈性散射(NON)，當(dāng)發(fā)生非彈性散射時(shí)，中子首先被原子核吸收形成激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合核，然后復(fù)合核通過發(fā)射伽馬射線放出中子而回到基態(tài)，發(fā)生這一反應(yīng)的前提是中子的動能必須達(dá)到原子核的第一激發(fā)態(tài)。

3. 吸收(INL)，吸收反應(yīng)就是中子被原子核吸收掉了，產(chǎn)生出一個(gè)不穩(wěn)定的復(fù)合核，通過發(fā)射各種物質(zhì)如：γ、α、氫離子等來消耗多余的能量來回到基態(tài)，有一類元素在吸收低能中子后有很大概率分裂成幾個(gè)較小的原子核，并釋放2個(gè)以上的中子，引發(fā)新一輪的裂變反應(yīng)，反應(yīng)式為：

（1）

這種元素被稱為易裂變元素，在核反應(yīng)工程中具有重要的意義，如鈾-235、钚-239就屬于此類物質(zhì)。

當(dāng)不同能量的中子入射到不同物質(zhì)中時(shí)，發(fā)生每種反應(yīng)的幾率是不一樣的，稱之為核反應(yīng)截面，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上有詳細(xì)的評價(jià)核數(shù)據(jù)庫供我們使用。例如鈹-9的總截面譜為： 

第三章 邊界條件：核臨界及彈芯設(shè)計(jì)

下面我們來正式進(jìn)入核彈的理論設(shè)計(jì)工作，我們知道核彈的爆

炸來自于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（1）放出的巨大能量，而如何使（1）持續(xù)地進(jìn)行下去，我們就要引入“核臨界”這個(gè)概念，即單位時(shí)間內(nèi)穿過單位體積的中子數(shù)保持恒定，即中子通量守恒。在沒有外中子源的情況下，核燃料內(nèi)部的中子擴(kuò)散方程為（我們假定只有快群中子參與反應(yīng)）：

（2）

在反射層內(nèi)部，中子擴(kuò)散方程為：

（3）

（4）       

（5）

（6）      

（7）

首先，方程（2）有通解：，

由條件（6）知AC=0，故有;

在反射層中（3）有通解：

，由于邊界條件（7），故有：

因此有：

。A為新的參數(shù)。

由條件（4）、（6）可得：

將以上兩式相除，我們就可得到帶有反射層的球型核彈臨界方程：

（8）式給出了帶有反射層的彈芯在核臨界時(shí)各種材料的物理性質(zhì)與他們半徑的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，在帶有足夠厚度的鈹中子反射層時(shí)，鈾-235的臨界質(zhì)量為13KG。在我們的設(shè)計(jì)中，彈芯材料選為鈾235，反射層為鈹9，彈芯由幾層球狀的金屬殼構(gòu)成，中心部位是一個(gè)半徑為3cm的聚變材料球，它是一個(gè)鈹制的空心金屬球，里面填充氘化鋰固體，用來發(fā)生聚變反應(yīng)，外部為3.2cm厚的鈾235燃料層（鈾-235總重量為18.5KG），以及6cm厚的鈹制反射層，我們將一部分反射層布置在外圍，以保證未點(diǎn)火前核彈處于次臨界狀態(tài)，通過查詢評價(jià)核數(shù)據(jù)庫并計(jì)算，容易得到如下參數(shù)：

DC=1.02cm,BC=0.3059m，R=7cm,Dr=0.25/cm,

代入計(jì)算（6）式計(jì)算，易得當(dāng)T=4cm時(shí)，彈芯是亞臨界的，當(dāng)T=6cm時(shí)，彈芯處于超臨界狀態(tài)，故而我們將2.5cm厚的鈹布置在緊貼著鈾-235表面，其余的放在爆轟驅(qū)動機(jī)構(gòu)中去，為了使反射層具有足夠的中子屏蔽性能及動量，我們在外圍布置3cm厚的鈹加1cm厚的鈾-238金屬，總質(zhì)量大約為50KG,當(dāng)然最后不能忘記在彈芯中間插上一根半徑約2cm的中子管（具體設(shè)計(jì)見后文），這樣我們就完成了彈芯的臨界設(shè)計(jì)（當(dāng)然出于材料的考慮，我們完全可以換成钚-239,這樣只需要根據(jù)中子截面重新算一遍參數(shù) 就可以了）。結(jié)構(gòu)示意圖如下：

第四章 綜合設(shè)計(jì)

然而光有臨界狀態(tài)的彈芯尺寸還不夠，為了能安全地操作并滿

足顧客的需要，我們需要為彈芯裝上一套驅(qū)動裝置（即能迅速地將彈芯由次臨界狀態(tài)變?yōu)槌R界狀態(tài)的動力裝置）及相應(yīng)的遙控系統(tǒng)，這樣，恐怖份子大帝就可以躺在綠洲上操縱世界了。

4.1  驅(qū)動裝置我們選用一個(gè)球形爆轟驅(qū)動裝置，示意圖如下：

該裝置的原理是由布置在最外側(cè)的一組炸藥透鏡均勻地引爆主炸藥柱1產(chǎn)生一個(gè)向心爆轟波，推動4cm厚的中子反射層2向鈾-235燃料球3迅速壓縮，當(dāng)反射層與核燃料之間緊密結(jié)合時(shí)，延時(shí)電路啟動中子管釋放出中子來點(diǎn)燃處于超臨界狀態(tài)的核燃料，從而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。要取得良好的爆轟壓縮效果，我們必須對每個(gè)過程及參數(shù)進(jìn)行周密地計(jì)算。

首先 我們需要求得中子反射層即飛板被炸藥1驅(qū)動后能達(dá)到的最高加速度以及加速的時(shí)間，設(shè)t=0時(shí)，密度為，長度為l，質(zhì)量為m，爆速為D的炸藥在外圍被均勻起爆，t=l/D時(shí)，爆轟波到達(dá)反射層M表面，根據(jù)文獻(xiàn)【15】，粒子的速度u滿足關(guān)系：

（7）

其中  （8）

(9)

我們可以算出，u的極限值大約是D/3，為了盡可能地提高壓縮效果，m/M取7~8左右，飛行空腔不宜過長，否則會造成較大的變形，按常規(guī)取為4.5cm就足夠了，我們要推動的反射層內(nèi)徑為13.2cm,外徑為17.2，其中包括3cm厚的鈹金屬，1cm厚的鈾238,總重量為40kg，這樣向心壓縮時(shí)，它們就可以完美地親吻到核燃料球上，主炸藥1的質(zhì)量取為400kg，材料可以選用JO-9159，該種炸藥密度為1.86g/cm3,正常爆速為8.86km/s,爆壓為36.8Gpa，Gurney速度為2.85km/S，與美國的PBX-9404炸藥性能相當(dāng)，屬于我國軍方最好的炸藥。我們可以將反射層制成如下圖的錐體均勻布置在球面上：

經(jīng)計(jì)算，主炸藥的外徑為38.5cm，炸彈總質(zhì)量約一噸左右。爆轟波從主炸藥外端傳播至反射層共耗時(shí)t=S/U=2.39X10-5秒，隨后反射層金屬通過4.5cm的自由空腔被加速到接近Gurney速度，約3KM/s撞擊核燃料球，飛行耗時(shí)1.5X10-5秒，兩者共計(jì)耗時(shí)3.85X10-5秒。

4.2  炸藥透鏡

在炸藥中，爆轟波是以電子雷管為點(diǎn)爆散心的，而我們所設(shè)

計(jì)的裝置是一個(gè)直徑一米多的球體，為了將球面波轉(zhuǎn)化成我們所需的平面波，均勻地投射到主炸藥表面，我們可以仿效光學(xué)折射原理，利用兩種高低爆速的炸藥組合成炸藥透鏡，即平面波發(fā)生器。如圖（十）所示：   

在這里，我們以Baratol(TNT/Ba(NO3)2作為低速炸藥，

鑄裝TNT/RDX（40/60）作為高爆速炸藥，兩者交界面處理成圓滑雙曲面，錐頂角β符合如下公式：

帶入計(jì)算得頂角為為53°，為了在球面上保持對稱，我們

將32個(gè)多邊形炸藥透鏡對稱裝在主炸藥的表面，就像一個(gè)個(gè)突起的足球皮，1945年胖子核彈就是采用類似的炸藥透鏡，由于對爆炸時(shí)間計(jì)算的需要，該炸藥透鏡的工作高度可近似看成是軸線處（即尖頂處）低速炸藥Baratol高度的1.4倍左右，所以爆轟波通過炸藥透鏡的時(shí)間是1.5X10-5秒。

最后為了將中子管部件插入裂變材料中心，我們需要拆掉一

塊炸藥透鏡組件，這對其產(chǎn)生的不均衡度不到10%，是可以接受的。

第五章  中子管組件

5.1 商品中子管的使用

中子管是為核彈提供中子源的關(guān)鍵部件，它是利用penning放電原理，將氫離子通過引出電極并高壓加速后轟擊在靶材料上，進(jìn)行D-D、D-T反應(yīng)，即：

從而產(chǎn)生17Mev或者3Mev的中子，對于核彈專用中子源，最重要的指標(biāo)是中子產(chǎn)額。

一個(gè)很簡便的辦法就是，我們只要弄到實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)的批文就可以購買成品，用途就注明是探傷檢測。目前市面上可以買到的中子管大致有如下幾種型號，

5.2 自己研發(fā)的產(chǎn)品

如果買不到成品，或者不合要求，也可以自己來組裝一個(gè)，并且投產(chǎn)后還可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，下面來介紹一種目前通用的高效中子管，圖片來自文獻(xiàn)【10】：

主要由

1.空腔penning離子源2.加速電極3.鋯-石墨儲氘器4.銅-鈦靶5.真空陶瓷外殼6.高壓電源控制系統(tǒng)，等6個(gè)主要部分組成，目前美國最先進(jìn)的中子管產(chǎn)額可穩(wěn)定達(dá)到1014n/S,而我們因?yàn)椴牧霞罢婵展に嚨脑?，目?biāo)定在1010n/s也能湊合用了。

設(shè)計(jì)并制造一個(gè)精密的電子產(chǎn)品并非易事，我們可以根據(jù)已有的產(chǎn)品及理論來優(yōu)化細(xì)節(jié)，盡量少走彎路，節(jié)省投資。

一種可靠的中子管結(jié)構(gòu)圖如下：

為了跟我們所設(shè)計(jì)的核彈相匹配，離子源的陽極為φ14mm的鉬電極筒，靠末端是空腔鉬陰極，其中空腔結(jié)構(gòu)為：2mmX10mm的凹槽，這種結(jié)構(gòu)可以增大軸線處等離子體密度。參考文獻(xiàn)【11】，靠近加速極的是對陰極，中間開一4mm的孔，兩極間距為2mm,極間用絕緣子絕緣。外面分別用絕緣子固定在φ17mm的可伐金屬筒上，再把可伐金屬筒與1.5mm厚的氧化鋁陶瓷外殼焊接在一起，這樣做的好處是將強(qiáng)磁場限制在筒內(nèi)，并加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。0.5T的強(qiáng)磁場由兩塊釤鈷鎳永磁體提供，在200°以內(nèi)場強(qiáng)穩(wěn)定。氣壓控制裝置與儲氘器相整合，工作時(shí)用一根鎢燈絲加熱，功率為5V，6A。靶做成頂角為120°的圓錐以增加聚變反應(yīng)面積，靶基為無氧銅，靶膜為0.74~0.78mg/cm2的鈦靶，采用電子槍蒸鍍工藝制成。平時(shí)管內(nèi)壓強(qiáng)為10-5Pa，工作時(shí)為10-3Pa。

5.2.1中子管高壓電源系統(tǒng)【12】

中子管電路共需要三路電源，5KV/20mA的離子源電源，5V/6A的燈絲電源,以及200KV/5mA的靶極電源。在這里，我們可以直接購買市場成品然后組裝起來，為了便于核彈的機(jī)動部署，整枚核彈用高能電池組統(tǒng)一供電，通過逆變器及開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后提供給其他用電部門，需要注意的是，中子管高壓電極開啟時(shí)間應(yīng)設(shè)定在常規(guī)炸藥點(diǎn)火后5.35X10-5秒。

例如：天津東文高壓廠的高壓電源模塊可以穩(wěn)定達(dá)到5KV，20mA的技術(shù)條件，有民用，工業(yè)，軍品三種型號可選擇，模塊外形如圖：

5.3 電子雷管及手機(jī)遙控裝置

下面我們來確定電子雷管及手機(jī)遙控開關(guān)，為了降低設(shè)計(jì)成本，直接采購市場成品。

電子雷管是國際上成熟發(fā)展并逐漸走向普及應(yīng)用的一種先進(jìn)的引爆產(chǎn)品，目前仍有較大發(fā)展?jié)摿?，與傳統(tǒng)的延時(shí)火藥雷管相比，具有安全性高，誤爆率低達(dá)10-12，定時(shí)精度可達(dá)0.1ms，擁有不可替代的優(yōu)勢，電子雷管的基本原理如圖【14】：

從開關(guān)穩(wěn)壓電源上接一路15VDC電線給控制器儲能電容C1及起爆儲能電容C2充電，C2采用一個(gè)68uf/50V的陶瓷電容，在已充電情況下，當(dāng)單片機(jī)判斷起爆器傳來“起爆”脈沖信號時(shí)，即啟動K3，引爆雷管， K3采用一個(gè)裝有兩級反相器驅(qū)動的MOS-FET物理開關(guān)，可高效迅速地將電容C2中的能量導(dǎo)入點(diǎn)火橋絲。

為方便起見，我們可購買現(xiàn)有產(chǎn)品加以適當(dāng)改裝。

例如：日本旭化成工業(yè)公司在二十世紀(jì)八十年代開發(fā)的EDD高精度電子雷管，示意圖如下:

5.32   手機(jī)遙控電路

手機(jī)遙控開關(guān)作為核彈的總開關(guān)，要求在宇宙中任何一個(gè)有手機(jī)信號覆蓋的城市均能遙控起動核彈引爆程序，手機(jī)遙控器可選用國內(nèi)某公司相關(guān)產(chǎn)品，外型及參數(shù)如圖：

這樣，通過將上述部件組裝在一起，一枚絕對可以起爆的低成本高效率的核彈就誕生了，希望能對大家有所幫助：）

參考文獻(xiàn)

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6. л.п.ОРЛЕНКО.Explosion Physics.ФИЗМАТЛИТ.2002.

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8. 孫承緯.平面二級炸藥強(qiáng)暴轟驅(qū)動裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì).期刊論文.2009.23(2)

9. 趙鋒，炸藥強(qiáng)爆轟驅(qū)動高速飛片的實(shí)驗(yàn)及理論研究.2005

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11. Л.М夏寧.等離子體發(fā)射帶電粒子束源.國防工業(yè)出版社.2000

12. 楊喜峰.便攜式1010中子發(fā)生器電路的研制.2004

13. 韓秀鳳.對炸藥驅(qū)動飛片速度的理論計(jì)算方法及評價(jià).期刊論文.2005.28(1)

14. 劉星.幾種典型電子雷管簡介.期刊論文.2003.12

15. 炸藥爆炸理論。

謹(jǐn)記

哈恩發(fā)現(xiàn)了核裂變反應(yīng)

至今已過去68個(gè)年頭

你在圖書館，正凝視著書上的字母

我卻在一旁計(jì)算你嘴邊弧線的方程，

聚變、裂變、散射、俘獲，那是誰的發(fā)現(xiàn)

我像孤獨(dú)的中微子，已在銀河中穿梭了幾十萬光年

加速器加速了我的心跳

離心機(jī)分解了我的夢想

思念像鏈?zhǔn)椒磻?yīng)般蔓延

當(dāng)時(shí)空已經(jīng)被電離

聚變就是你我唯一的宿命

我給你的愛寫在核彈發(fā)射之前

想不起幾個(gè)世紀(jì)前造成了穿越

只因無力看見你離去的身影

我眼底的等離子體燃起了火焰

卻無法擊穿灰色的空氣，吻上你冰冷的陰極。