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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

我国第二代核武器气态助爆初级的突破  

2016-02-06 22:52:49|  分类: 核武器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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众所周知,在五个核大国中,中国突破氢弹所花的时间是最短的,仅仅用了两年多。但另一个很少被提及的事实是,中国掌握氢弹小型化技术是五个核大国中最晚的,直到1996年全面核禁试前夕才做完了必要的核试验,而美苏英法早在1960s~1970s就已经完成了氢弹的小型化。

中国掌握氢弹小型化技术最晚也最慢,主要有三个原因:
1,氢弹的小型化技术比氢弹技术难度更大,在原理、构型和材料上都需要新突破;
2,由于经济条件的限制,中国的核试验次数最少,而氢弹小型化(尤其是气态助爆初级)在相当程度上依赖核试验得到的经验;
3,“文革”动乱和改革开放初期的社会思潮变化,对核武器研究队伍造成严重冲击,人才大量流失。

我国第二代核武器小型化取得的第一个重大突破是掌握了气态助爆初级原理,其标志是1987年度国家科技进步特等奖“气态引爆弹装置的突破”,邓稼先和于敏分别为第一和第二获奖人。

美苏中等国最初的助爆裂变武器试验,用的是液体或者固体热核材料(低温液氘和液氚、固体氘化锂6或氘氚化锂6),与“气态助爆”并不是一回事。所谓“气态助爆”,即“在裂变材料芯的中央空腔内注入少量氘氚气体,利用氘氚聚变反应放出的大量中子大大增加裂变,从而提高裂变装料利用率和增大威力的一种内爆法原子弹。这种武器的原理是先用炸药内爆使裂变系统达到超临界,由核点火部件(外中子源系统)放出中子引发链式裂变反应,利用裂变反应放出的能量使内爆压缩后的氘氚气体达到高温高密度,发生聚变反应放出大量高能中子,利用高能中子在裂变材料中的快速增殖大大增加裂变数,从而提高了裂变装料的利用率,增加了裂变威力。这种武器的反应过程经历裂变—聚变—裂变三个阶段。由于这种设计可以用低的裂变威力引发聚变反应,因此可减少炸药用量、缩小武器体积,对武器小型化有重要意义。(《国防科技名词大典  核能》,航空工业出版社,2002,第490页)

我国第二代核武器气态助爆初级的突破 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 小型化气态助爆初级只需要10kg左右的炸药,使用几克的氘氚气体

    早在70年代初,于敏就意识到初级小型化的重要性。他选定了小型化初级的类型,提出了主攻方向,对小型化的可能性和小型化的尺寸等都做了分析和粗估,并组织人进行了多年的深入研究和理论设计,正式进行了热试验。
    热实验虽然取得了圆满成功,但是于敏的心中却非常沉重。他忧心忡忡,觉得这样的初级虽然小型化了,但是在性能上还存在一些严重的缺点,不适合武器化的要求,认为那时初级小型化采取的不是一条正确的技术途径。他与许多人讨论,指出问题之所在,提出自己的想法和建议,要求大家探索进一步改进初级的正确技术途径。大家对于敏的分析和意见非常赞成。在上海出差算题的人员,试算了许多物理模型,终于发现了一条新的改进初级的技术途径,对武器小型化大有裨益,正可解决于敏担心的问题。
(《“两弹一星”元勋传(上册)》,清华大学出版社,2001,第108-109页)

张信威院士回忆:“1979年后,……,一次我们几个去上海算题,发现了一种新型初级结构,我把初步计算结果写了个报告托人带回来交给老于(于敏),老于一眼看出它的重要性,……立即进行了相应的组织调整,……不长时间,三下五除二,干净利落,拿到了基本型,奠定了新型初级的基础。”(《于敏院士八十华诞文集》,原子能出版社,2006,第111页)

    氢弹作为战略核武器,其机动性和远距离打击能力是基本要求。这也是氢弹武器化的主要任务。氢弹要武器化,首先要小型化,小型化关键是要实现初级的小型化,只有体积小、重量轻,才能方便运载装置的运载,才有可能突破敌方的防御。单位决定由张信威小组承担提出小型化初级理论原理、作出结构设计的任务。
    导弹运载能力对氢弹的外形尺寸、重量提出了严格要求。确保其爆炸,达到设计的爆炸威力,更是小型化要解决的主要问题。张信威没有急于开始计算,而是理清思路,先做半定量模拟分析(俗称“粗估”),找出要解决问题的关键症结所在,然后再作精确的流体力学—中子计算,以求设计出理想的武器方案。初级要小型化,首先必须把结构优化,尽量提高作为驱动源的炸药的利用率,减少炸药使用量,并最有效地用其来压拢或压缩裂变聚变材料,创造出实现裂变和聚变的条件。要实现这样的工作目标,思维活跃的他有太多太多的想法,用同事们的话来说,他是“不皱眉头”,都会“计上心来”,那么多的理论模型,想算都算不过来。因为当时大型高速电子计算机资源稀缺,每个科研小组根本分不到充足的上机时间。
    张信威对于内爆和核反应动力学进行缜密分析和深入思考后,作了结构上的简化假设。复杂的流体力学偏微分方程组被他化简为非线性常微分方程组,他和计算数学的同事合作,只用了不到20小时的计算时间,就算出了新结构的几百个“模型”,得出了这类结构的作用规律。而通常算一个“模型”都要几个小时甚至几天。他化繁为简,既探索出了新结构,又节约了计算机时间。为检验化简近似的正确性,他用正规的流体力学程序,严格计算了近10个这类真实的模型。经对比表明:简化计算结果正确,以很高的近似程度反映了这类结构的特征。这表明,这类全新结构设想确实具有预想的突出特性和优点,可作为一种新设计的基础。随后,张信威又进一步求证,获得更加透彻的理解。
    新的基本结构确定之后,下一个要解决的关键问题就是如何利用裂变放出的能量点燃聚变反应?聚变反应的速度主要取决于两个因素:温度和密度。特别是温度,只有在几千万摄氏度的高温下,聚变反应才能充分进行。张信威带领全组,和所里其他研究小组一起进行了近一年的研究,共同提出了一个“中心模型”设计方案。
    这个方案在理论上虽然可能实现预想目标,但必须有近于严苛的炸药内爆和裂变放能过程作为条件,稍有差池,就可能导致聚变点火失败。核武器小型化,必须从实战出发,确保可靠性,要保证武器在战争环境下具备作战能力。对张信威他们来说,就是要增大设计中发生充分的聚变反应的保险程度,使设计变得更“皮实”。
    张信威在分析了这个“中心模型”设计之后,认为应尽量避免可靠性偏小的这种设计。在大量的理论模拟的基础之上,他提出了一种全新的理论设计原理和结构设计方案,能够充分调动和利用各个能为聚变材料提供能量的因素,确保温度提升到要求的高度,实现聚变点火,从而具有更强的抗“干扰”能力。最终,这个方案被邓稼先、于敏等确定为核试验的工作模型。
    经过参与理论设计、冷实验、结构和工艺设计、生产、场地试验工程等环节数以万计人员的共同努力,核武器爆炸试验取得了圆满的成功,为小型化核武器初级的作用原理和结构打下了坚实的发展基础。
    张信威和他的科研团队,把“让氢弹变轻”的理想化作了现实,为我国核武器的小型化作出了卓越贡献,也圆了他在国防科技中有所成就的梦。(
《核铸强国梦:60位核科技院士专家访谈录》,原子能出版社,2015,第351-354页)

按照上文的叙述,1979年之前我国已经进行了小型化初级的核试验(可能是1978年3月15日和12月14日两次核试验),但是“性能存在一些严重缺点,不适合武器化的要求”。1979年后,又探索了新的技术方案,经过几次核试验(可能是1982年10月5日、1983年10月6日、1984年10月3日三次核试验)“逼近悬崖”,到1984年终于“二代轻舟已过桥”,掌握了气态助爆初级技术。

由此可见,先进(小型化)、可靠(“皮实”)的气态助爆初级技术是很难的,五个核大国都是经过多次核试验才掌握了这一技术(中国用了至少三次核试验)。库存核武器中问题出得最多的和禁核试后最担心出问题的也都是助爆初级,因此各核大国在核禁试后又采用了非核爆技术手段(如闪光X射线照相)继续进行研究,以确保库存核武器的安全可靠。

1998年5月11日,印度声称进行的助爆裂变初级“氢弹”武器试验当量为约4.5万吨,而外界从地震波推测的试验当量为2.2-3.0万吨,认为助爆初级工作正常,但次级失败。同年5月28日,巴基斯坦声称进行的助爆裂变武器试验当量为约2.5万吨,而外界从从地震波推测的试验当量为几千吨。2016年1月6日,朝鲜声称成功进行了一次“小型化氢弹”试验。以技术难度排序,固体或液体助爆裂变武器<百万吨当量氢弹<小型化气态助爆裂变武器<小型化氢弹。朝鲜这次核试验的当量为1万吨左右,显然不符合百万吨当量氢弹。朝鲜的核武器技术尚处于比较低级的阶段,不可能通过一次核试验就完全掌握小型化的气态助爆技术,况且尚无证据表明朝鲜已经提取出了试验所需的氚(宁边有一个疑似的氚同位素分离设施在建中)。朝鲜此次试验的可能是使用固体氘化锂6的助爆裂变装置,与中国的第三次核试验(1966年5月9日)类似。不同的是,中国的那次核试验当量为20-30万吨,而朝鲜此次核试验的当量只有1万吨左右,比其第三次纯裂变武器试验的当量还小。朝鲜此次平洞核试验的埋深约700米,超过前三次平洞核试验的埋深(300~500米),外界推测朝鲜原本预想要进行一次较大当量的核试验(比如印度和巴基斯坦声称的2~3万吨),但并没有取得完全成功。从上述印度、巴基斯坦和朝鲜核试验情况来看,这三国都只做过一次助爆裂变核试验(不确定是否是气态助爆),其中印度基本成功,巴基斯坦和朝鲜可能不完全成功。综上所述可以推断,目前仅有五个核大国完全掌握了小型化的气态助爆技术。
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