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2019-07-21 12:59 来源:互动百科

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利用重原子核裂变反应提供的能量,使氘、氚等轻核产生自持聚变反应 , 瞬时释放巨大能量的核武器。又称聚变武器或热核武器。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但其威力可大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨梯恩梯当量,氢弹的威力则可大至几千万吨梯恩梯当量。此外,通过设计还能增强或减弱氢弹的某些杀伤破坏因素。因此,它的战术技术性能比原子弹更好,用途也更广泛。

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    1原理

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    聚变反应是带电原子核之间发生聚合的反应。参加反应的原子核必须具有足够的动能,才能克服静电斥力而彼此靠近,聚变反应也才有可能发生。提高物质的温度,是使大量原子核增大动能的重要途径。氢弹就是把热核装料加热至几千万开[尔文]以上使之发生聚变反应的。这种把物质加热至高温发生的聚变反应叫热核聚变反应或称热核反应。

    选择合适的热核装料,是人工实现热核反应的重要环节。氘和氚是氢的同位素,原子核间的静电斥力最小,较低的温度(数百万开)即可激发明显的聚变反应,而且反应释放的能量较大。因此,选用含氘、氚的物质作氢弹的装料较为合适。在氘、氚原子核之间发生的聚变反应主要是氘氘反应和氘氚反应,其核反应式为:

    D+D→T+p+4.03MeV

    D+D→He+n+3.27MeV

    D+D→He+n+17.6MeV

    式中D、T分别表示氘核和氚核,n、p分别表示中子和质子,He、He分别表示氦3核和氦4核。当热核装料的温度为数百万至数亿开时,氘氚反应的速率约比氘氘反应快100倍。因此,氘氚混合物比纯氘更容易发生聚变反应。但在氢弹中大量使用氘氚气体(或液体),会给设计和使用带来不便。一种较为实用的热核装料是固态氘化锂6,其密度可达0.8克/厘米左右。当氘化锂6燃烧时,其间主要进行氚—中子循环反应,即

    n+ Li→He+T

    n+He←D+T

    循环反应中氘氚反应放出中子,产生的中子很快又造出氚。两个反应都是放能的,氚、中子循环一代,消耗一个氘核和一个锂6核,放出约22.4兆电子伏的能量。在氢弹中,烧掉1千克氘化锂6,释放的能量可达4~5万吨梯恩梯当量。由于氘化锂6中造氚和烧氚的过程结合得非常好,它比纯氘容易燃烧,一般氢弹都用它作热核装料。

    热核反应的先决条件是高温,但要使热核装料燃烧充分,还必须使燃烧区的高温维持足够长的时间。为此,就需创造一种自持聚变的条件,使燃烧区中能量释放的速率大于能量损失的速率。这种条件除与热核装料的性质、装量、密度、几何形状有关外,还与燃烧区的温度和系统的结构密切相关。氢弹中自持聚变反应所必需的高温、高密度等条件,现在只能由原子弹爆炸来创造。因此,氢弹里都装有一个专门设计的起引爆作用的原子爆炸装置,通常被称之为“初级”或“扳机”。

    有关氢弹的具体结构是保密的。但有许多书刊曾对它作过种种描述。美国科学家E.泰勒曾对氢弹爆炸过程作过如图所示的描述。图中①为氢弹爆炸前状态 ,表明氢弹是由一枚裂变装置来点燃热核爆炸;②为氢弹裂变装置爆炸过程,表明在梯恩梯炸药爆炸压力压缩下,铀235达到超临界而发生链式裂变反应,释放出大量中子,并使温度上升至数百万开;③为氢弹聚变过程,表明由裂变装置释放的中子与热核装料氘化锂中的锂核发生反应,形成氦与氚,氚与氘的聚变,释放出更多的中子;④为氢弹裂变过程,表明一些中子打在铀238外壳上,使其发生裂变,释放出更多的能量。

    2简史

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    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有可能激发大规模的轻核聚变反应,并想以此来制造一种威力比原子弹更大的超级核弹。10年后,2019-07-21,美国进行了世界上首次氢弹原理试验 ,试验代号为 “迈克”(Mike)。试验装置以液态氘作热核装料,爆炸威力在1000万吨梯恩梯当量左右。但该装置连同液氘冷却系统重约65吨,不能作为武器使用。苏联于2019-07-21进行了氢弹试验。试验装置中使用了氘化锂6作热核装料,因而重量和体积相对较小,便于用飞机或导弹投放。中国是继英国之后第4个掌握氢弹技术的国家。2019-07-21,中国成功地进行了氢弹原理试验,2019-07-21由飞机空投的330万吨梯恩梯当量的氢弹试验又获圆满成功。到20世纪80年代末为止,世界上已有美国、苏联、英国、中国、法国宣布拥有氢弹。

    3发展

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    氢弹是一种有巨大杀伤破坏力的武器。美、苏等国在掌握了氢弹原理之后,都不惜花费巨大的人力物力来提高它的性能。总的来看,对氢弹的研究与改进主要在以下几个方面:①提高比威力,实现小型化 ;②提高突防能力 、生存能力和安全性能;③研制各种特殊性能的氢弹。

    热核装料没有临界质量的限制,氢弹的威力原则上可以设计得很大。美、苏两国为了显示核威慑力量,在50年代和60年代初期,曾研制过一些威力高达数千万吨梯恩梯当量的热核武器。1961年,苏联试验了一个5800万吨梯恩梯当量的热核装置,这是威力最大的一次核爆炸。从技术上讲,要研制威力更大的氢弹也并不十分困难,因此一般不把威力的大小作为衡量氢弹技术水平的标志。氢弹的运载工具一般是有控火箭(图3)或飞机。为使武器系统具有良好的作战性能,要求氢弹自身必须重量轻、体积小、威力大。因此比威力的大小是衡量氢弹技术水平的重要标志之一。20世纪60年代中期,大型氢弹的比威力已达到了很高的水平。美国1962年开始部署的“大力神”Ⅱ洲际弹道核导弹,弹头重约3700千克,威力为900万吨梯恩梯当量,比威力达2400吨梯恩梯当量/千克。苏联在1965年部署的SS—9洲际弹道核导弹,弹头重约6100千克,威力近2000万吨梯恩梯当量,比威力约3300吨梯恩梯当量/千克。60年代以来,随着导弹多弹头技术的发展,对氢弹的小型化提出了迫切的要求。小型氢弹经过60年代和70年代的发展,比威力也有了大幅度的提高。美国在80年代初期研制的“和平卫士”洲际导弹,每个子弹头重约200千克,其威力却可达50万吨梯恩梯当量,比威力与大型氢弹接近,约为2500吨梯恩梯当量/千克。但一般认为,无论是大型氢弹还是小型氢弹,比威力都已接近极限。在现有的核武器中,尺寸最小的氢弹是美国研制的中子弹,它可以用203毫米甚至155毫米的榴弹炮来发射。

    在实战条件下和核战争环境中,氢弹必须具有生存能力和突防能力(见核武器战术技术性能)。因此,对氢弹进行抗核加固是一个重要的研究课题。此外,还必须采取措施,确保氢弹在贮存、运输和使用过程中的安全。

    到80年代末,已装备的氢弹多数为普通氢弹,也称三相弹。为了达到特殊的作战目的,需要武器具有特殊的性能。通过调整设计,选用不同的热核装料和结构材料等手段,可以较大幅度地增强或减弱氢弹的某种杀伤破坏因素。同时,在特殊性能氢弹的研究上,也取得了重要进展。已研制成功的有以中子杀伤效应为主的中子弹(也称增强辐射弹);以冲击波毁伤效应为主、降低污染的减少剩余放射性弹等。正在探索研究的有以电磁脉冲效应为主的核电磁脉冲弹等。

    70年代末80年代初,随着第三代核武器概念的提出,氢弹的一个新的应用前景便是用作这类新型核武器的驱动源。第三代核武器一般由核驱动源和转换器组成,通过转换器可以把核爆炸能量沿着某一特定方向发射出去,从而有可能对数千千米以外的目标构成威胁。由于驱动源都必须是经过特殊设计的,因此研制各种类型的驱动源是氢弹发展的一个新方向。

    4类型

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    三相弹

    能量释放过程经历由裂变到聚变再到裂变3个阶段的一种氢弹,又称氢铀弹。是最早被用作武器的一种普通氢弹。在各国的核武库中,绝大多数战略武器都属于这种类型。它在结构上的显著特点是以天然铀或浓缩铀作热核燃料的外壳。当氢弹爆炸时,热核聚变反应产生的大量中子 (特别是高能中子) 将进入壳体,引起铀核裂变,释放出能量和裂变中子,同时裂变中子也进入热核区,与锂6核发生核反应造氚。因此, 这种氢弹结构可为热核燃烧创造更为良好的条件,加之铀壳本身释放的大量能量,使得氢弹的威力和比威力成倍地提高。所以,高比威力是三相弹的主要优点。

    三相弹的不足之处是裂变能量所占的份额大,因而放射性沾染较严重。2019-07-21,美国在马绍尔群岛的比基尼环礁上进行了一次威力约为1500万吨梯恩梯当量的三相弹试验,由于是地面核爆炸,爆后在南太平洋7000平方海里(约24000平方千米)地区的上空笼罩着致命的放射性尘雾,使得236名马绍尔群岛居民,31名美国人,23名日本渔民受到意外的放射性伤害,其中还有1名日本渔民于当年9月死亡。同年美国试爆的另一枚氢弹,代号为MK—17,也是一枚三相弹,弹长7.47米,重21×10千克,威力约1100万吨梯恩梯当量(见图)。这两次三相弹试验引起了美国对研制“干净”氢弹(裂变份额很小的氢弹)的关注。通常,三相弹的裂变份额随威力的增大而缓慢减小。当威力为几百万吨梯恩梯当量或更高时,裂变份额大都在50%左右。

    中子弹

    以高能中子为主要杀伤因素 , 相对减弱冲击波和光辐射效应的一种特殊设计的小型氢弹 。 为确切的名称是增强辐射武器 (enhanced radiation wea-pon)。

    20世纪50年代末,美国在研制减少放射性沉降的“干净”战术核武器时,就提出了中子弹的概念 。1959年在劳伦斯 ·利弗莫尔研究所( Lawrence Livermore Laboratory )开始研究。1962年进行中子弹试验,1963年取得成功。1977年美国参议院通过了生产中子弹的拨款。1978年4月由于国内外激烈的争议,卡特总统决定推迟生产中子弹,只生产主要部件。1981年8月,里根政府主张全面加强军事力量,下令生产和储备“长矛”导弹的中子弹头和203毫米榴弹炮发射的中子炮弹。155毫米榴弹炮发射的中子炮弹也已研制成功。1980年法国总统德斯坦宣布进行了中子弹试验。据联合国1980年的资料,苏联也曾试验过中子弹。

    中子弹的特点是爆炸释放的能量不高,但核辐射很强。根据美国核物理学家S.T.柯恩提供的资料,在150米高度爆炸时,中子弹的辐射杀伤半径与威力大10倍的裂变武器相当,约为同威力裂变武器杀伤半径的2倍,即杀伤面积的4倍(表1)。适当提高爆炸高度,在核辐射的杀伤半径基本不变的情况下,中子弹对建筑物的破坏半径还可以大大减小。表1中所列的两种辐射剂量参数,是根据美国的估计:8000拉德(等于80戈)是使人员立即永久性丧失战斗能力所需要的剂量;650拉德(等于6.5戈)是人员受辐射后2小时内生理功能受到损伤的剂量;同时,4磅力/吋(相当于27580帕)是对城市建筑造成中等破坏的冲击波超压。杀伤半径是从爆心的地面投影点到辐射剂量、超压参数等于相应值处的距离。

    核武器各种杀伤破坏效应的作用半径,都随武器爆炸能量的增大而增大。对于低空核爆炸,光辐射与冲击波的杀伤破坏半径分别与爆炸能量的平方根和立方根成正比;中子与γ射线的杀伤破坏半径则近似地与爆炸能量的对数成正比,比光辐射与冲击波的杀伤破坏半径随爆炸能量的增长慢得多,这是因为核辐射在空气中衰减很快。当核武器的爆炸能量增大到一定程度时,冲击波与光辐射的杀伤破坏半径必定大于核辐射的杀伤破坏半径。这时,武器的强辐射特性不再能保持。因此,近地面使用的中子弹的爆炸能量一定是不高的(约1000吨梯恩梯当量)。

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    参考资料

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    [1].我国的第一颗氢弹爆炸试验成功
    [2].军事百科全书(97版):氢弹
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