核武器是怎样引爆的

有些核裂变材料,如铀或钚等,1个核裂变时会释放出2~3个中子。这些中子有的会飞离材料,有的会被非裂变材料俘获,但也有些会在材料内撞击其他原子核,引发下一次裂变,再放出些中子。这样材料内的中子数就会变化。

“枪法”装置示意图

投在广岛的“小男孩”原子弹采用的是“枪法”装置

中子总数是不断增多还是逐渐减少,与材料的质量有直接关系。当裂变材料的质量或体积超过一定界限时,中子数就会不断增多,以至于裂变会自发地进行下去,这就是“链式反应”。产生链式反应的质量界限被称为“临界质量”。引爆原子弹的过程就是如何让裂变材料在短时间内达到并超越临界质量,以便以最快的速度通过链式反应释放出大量能量。

链式反应示意图

根据这个原理,似乎只要把刚超过临界质量的裂变材料切成两块,要核爆炸时将它拼起来。但实验证明,这样做只会放出致命的射线和大量热量,并不会发生核爆炸,那是因为没有注入点火中子。经过复杂的计算,科学家发现,如果在核材料中央挖洞,中子就会在这个洞里散失,这样就能将超过1倍原临界质量的核材料组装在一起而又不会产生链式反应。挖下来的那些总计不到临界质量的材料可以做成一个弹头。将挖空了的核材料放在“枪”口。需要产生链式反应的时候,“枪”点火,将那个“弹头”发射到大材料的中央,就能瞬间组装成几倍临界质量的一块裂变材料,从而产生快速链式反应,释放出大量的能量,原子弹就能爆炸了。其间也要及时注入点火中子,否则也不会发生核爆炸。

这种装置称为“枪法”装置,使用的核材料大多是铀-235,这样可靠性较高,因此未经试验就用在了第一个核武器上(即那颗投放在广岛的原子弹)。但这种设计严重浪费裂变材料,而且非常危险,于是科学家想到了另一个引爆原子弹的方法,就是所谓的“内爆法”,用的核材料主要是钚-239。

投在长崎的“胖子”原子弹采用的是“内爆法”

内爆法原理示意图

“内爆法”的原理与核材料的临界质量有关。核材料的临界质量不是完全固定的,而是与核材料密度有关,也与核材料的形状有关(球体的临界质量最小),而且还与所处的环境有关。核材料密度大时,裂变产生的中子在裂变材料内碰到另一个原子核并引发裂变的机会就会增加,这样临界质量就可以变小。工程师们发现用炸药可以像压缩空气那样压缩金属。他们用炸药将一个只有0.9倍临界质量的裂变材料球包裹起来,炸药引爆后,冲击波会把这个球压缩到原来的几分之一大小,密度随之上升,使它变成一块相当于3倍以上临界质量的核材料球。这时,只要有人工中子源适时提供足量中子进入这块高密度材料,就会立刻引发链式反应,产生核爆炸。不过,要用炸药完美地压缩一个金属球并非易事,因此在实际制造之前,设计中往往需要进行多次的分解爆轰实验。

聚变反应示意图

1942年,美国科学家在研制原子弹的过程中,推断原子弹爆炸提供的能量可以激发类似恒星核心的热核聚变反应,于是产生了研制氢弹的构想。氢弹由两部分组成,一部分是和原子弹功能相近的核裂变装置,另一部分是核聚变装置,由铀-238等高密度物质包裹的含氘(重氢)和氚(超重氢)等聚变材料组成。引爆氢弹时,裂变装置首先引爆,产生数千万摄氏度的高温,包裹聚变材料的高密度物质在这种高温下迅速蒸发,产生的蒸气将剩余的外壳连同里面包裹的聚变材料一起加速,以7千米/秒的速度向中央压缩,产生上千万摄氏度的高温并持续一段时间,以充分引发核聚变释放能量。而核聚变中产生的高能中子会轰击外层的铀-238引发核裂变,释放出更多的能量。所以氢弹又被称为“三相弹”,即发生的反应是“裂变—聚变—裂变”。

由于核聚变没有临界质量限制,只要能够有效压缩和点火,就可以做成无限大的规模,而聚变材料外层的铀-238也没有临界质量限制,可以做得很厚,所以氢弹的威力可以达到原子弹的数百倍。

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