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日志

 
 

从朝鲜展示核武器看内爆式原子弹  

2016-04-26 17:59:26|  分类: 核武器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2015年3月,朝鲜公布了最高领导人金正恩视察核工厂的新闻报道和图片,引发世界舆论的广泛关注,其中报道展示的朝鲜原子弹小型化核心部件,更是证明了朝鲜不但在原子弹小型化技术领域取得了突破性成果,而且透露出其原子弹构型属于内爆式原子弹。那么,内爆式原子弹的结构、原理是怎样的?它是怎样实现起爆的?本刊记者为此专门采访了核武器专家陈俊祥和叶本治研究员,请他们来为大家科普介绍内爆式原子弹。

何为内爆式原子弹

问:朝鲜公开报道最高领导人视察核工厂后,核专家们很快便判断出朝鲜研制的是内爆式原子弹,这是基于什么原因?

答:与氢弹不同,原子弹的大体原理和结构实际上已经不是什么秘密了,美国就曾经在学术杂志上公开过最早在日本广岛和长崎投放的两枚原子弹“小男孩”和“胖子”的基本原理和大体结构。所以世界上研制原子弹的国家基本都了解这些。至于进一步的详细结构,除了一些国家是立足自主研发和钻研外,也通过不同的渠道在各个国家之间传播。比如印度的原子弹研制就得益于苏联提供了原子弹的结构和原理技术。原子弹大体上分为枪法原子弹和内爆式原子弹,内爆式原子弹采用球体内爆结构和原理,因此外形上看其核心部件就是一个球体,这也是核专家们仅从外观就可以判断朝鲜原子弹采用结构和原理的根本原因所在。

问:那么什么是内爆式原子弹?

答:我们知道,普通的炸弹是从装药中心点起爆,产生的爆轰波向外传,驱动外壳膨胀破裂,形成弹片飞散,从而产生攻击杀伤力,我们称之为“外爆式炸弹”。而内爆式原子弹恰恰与它相反,是把常规炸药放在球面上,球心布置核装料。从炸药的外表面起爆,爆轰波向内传,使被压缩的物质向中心汇聚,被压缩到很高的密度。再具体些讲,内爆式原子弹是用内聚的冲击波压缩原先处于次临界状态的核装料,通过压缩来提高其密度,使之转变为超临界状态,从而引发链式反应,引爆原子弹。这与枪法原子弹不同,枪法原子弹是把核装料分成次临界状态的两块,在其中一块的后面引爆常规炸药,将其推压向另一块,两块核装料通过挤压效应达到超临界状态,从而引发链式反应,引爆原子弹。

问:内爆式原子弹的引爆原理具体是怎样的?

答:位于内爆式原子弹外球面的常规装药爆炸后,通过爆轰波向内传导能量,使得中心的物质密度、压力和温度数值越来越大。根据资料,炸药爆轰的压力约为30万个大气压,再加上内聚过程中能量的汇聚作用,就可以把作用于核装料的压力提高到数百万个大气压的水平,甚至还可以更高。

这样一来,处在内爆式原子弹球心部分的核装料,在内爆冲击波作用下被压缩到极大的力度状态,这时由于单位体积内原子核数增加而导致原子核间距缩短,从而大大提高了链式反应中中子撞击原子核的几率,从而大大增加了发生裂变和链式反应的几率;与此同时,压缩作用也会使球形装料的外表面积减少,有利于减少从外表面逃逸出去的中子数,从而进一步提高了裂变材料产生裂变的几率。上述两种效应的综合作用,促使核装料朝着深超临界方向快速转变。因此,内爆式原子弹也被形象地称作是“压紧型”原子弹。

问:与枪法原子弹相比,内爆式原子弹有何特点?

答:内爆式原子弹由于结构设计合理,因此可以使用更少的裂变材料,达到与枪法原子弹同样的超临界状态,因此燃耗效率高,在同等条件下爆炸威力也更大。但内爆式原子弹物理设计技术比枪法原子弹难度大,结构复杂得多,技术上更难,还需要大量的试验。两个主要难点就是球面起爆技术和内爆驱动技术。

球面起爆

问:能否介绍一下什么是球面起爆?

答:刚才说过,内爆式原子弹是把常规装药布置在原子弹球体的外部,具体来说,就是在球形炸药外表面均匀布放多个雷管(用于起爆引爆),而炸药的内表面则紧贴着一个由中子反射层和金属材料组成的复合飞层。处于次临界状态的核材料则置于球体的正中心。在复合飞层和球心核材料之间,没有填充其他物质,是空的,我们称之为“空腔”。空腔的作用是给复合飞层提供尽可能长的吸收炸药能量的时间,以提高飞层撞击核材料的速度,从而充分将爆炸能量通过飞层这一介质传导到球心核装药,达到最大程度压缩核装药,使其密度最大、体积最小的目的。

所谓球面起爆,就是通过雷管引爆分布在球形外表面的炸药,炸药爆轰波向内传播,推动复合飞层向内飞行,以极高的速度(约几千米每秒)撞击核材料外表面,从而实现对核材料的压缩。

问:在实际制造的原子弹上,就是使用多雷管来进行起爆的吗?

答:这个问题问得很好。从实用性上考虑,其实多雷管起爆并非是很好的方式。这里主要有两个原因,第一是雷管不太容易保证同时起爆,这样就会影响球面起爆的同步性和同时性,不利于爆轰波能量和飞层向中心汇聚。第二,是可靠性和安全性存在问题,一旦其中一个雷管失效或者起爆不顺利,就会破坏整个球面起爆,所以在具体实践中,往往会专门设计一个叫做“球面起爆器”的装置,把球形外表面分成若干个块区,就像是足球表面分块那样,对每一个块区专门设置一个面起爆元件。所以我们看朝鲜展示的球形关键部件,就是像足球一样分成很多块区的,这就是球面起爆器。

爆轰与爆轰波

问:您前面提到向内传播能量的除了飞层外,还有爆轰波,能否介绍一下什么是爆轰波?

答:要讲什么是爆轰波,先要介绍一些爆轰物理方面的知识和概念。炸药物质中机械振动(机械波)的传播速度我们称之为“声速”,注意这个“声速”跟声音传播的速度“音速”是完全不同的两个概念。TNT炸药中的声速约为2300米/秒。而炸药发生化学反应后反应阵面的传播速度称之为“爆速”,因为反应阵面是由爆炸后形成的气压推动的,因此爆速值与反应阵面后的压强大小有关。我们将爆速低于未反应炸药中声速的化学反应称为燃烧,这很好理解,燃烧反应相对很平和很缓慢。而爆速高于未反应炸药中声速的化学反应就是“爆轰”。由于爆轰的速度高于未反应炸药中的声速传播,所以就会形成“冲击波”现象,爆轰形成的冲击波,就叫“爆轰波”。与燃烧反应相比,爆轰要剧烈得多、速度也要快得多,是一种极其强烈的化学反应。爆轰物理知识,是炸药技术的最重要方面之一。

炸药透镜与球面起爆器

问:在外媒报道评论朝鲜核武器新闻的时候,称其展出的核心元件上分布的类似一块块镜面的部分为“炸药透镜”,您能否介绍一下什么是炸药透镜?刚才您提到球形核心元件外表面的一块块部分是球面起爆器,那么炸药透镜和球面起爆器有没有关系?

答:所谓炸药透镜,其实就是球面起爆器,而且是球面起爆器的一种设计雏形。炸药透镜之所以出现,是跟前面我们提到的爆轰波密不可分的。核物理专家在试验研究中发现,爆轰波的传播与光波的传播有一些相似的规律。如果拿光波的传播规律来作比较的话,球形外表面起爆器起爆产生爆轰波,就好比是光源;爆轰波向内传播的路径,就好比光的直线传播和光的折射。爆轰波本身的传播路径和速度是不一样的,其中有些爆轰波速度快,称之为高爆速炸药体,有的传播速度慢,称之为低爆速炸药体。高、低爆速炸药体既然传播路径不同,速度也不一样,那么怎么样才能让它们最终都同样传至球心呢?这就要通过巧妙的结构设计,由于这一设计结构类似于光学透镜,因此我们就将其称之为“炸药透镜”,它就是球面起爆器。

问:为什么说炸药透镜仅仅是球面起爆器的雏形?

答:炸药透镜从外形看,在外表面是一个球冠面,也就是说它形成的球面起爆器区块是圆形。我们学过几何学都知道,一块一块的球面,是不可能组合拼凑起一个完整的炸药球外表面的,拼凑后的球冠面必然有很多地方是重合的,或者有一些球面还是空白,没有被炸药透镜覆盖。或者重合和空白两种情况兼而有之。这是不行的。

要解决这个问题,就必须把炸药透镜的圆形外沿切成多边形,但这个切法不能是随意的,要利用几何学原理设计出合理的“切”和“拼”的具体方案。虽然这样一来解决了爆炸透镜无法完美覆盖球形外表面的难题,但却出现了新的问题:在切和拼的拼合连接处,会因为边框所占的面积而留下无法引爆的“空白”地带,这是不允许的。所以要把这个影响降到最小,就需要工程师和物理学家协同合作一起解决。所以球面起爆器看似简单,其实一点儿都不简单,炸药透镜造出来并不是万事大吉,必须通过工程师和物理学家的努力,通过完美地切和拼,才能从球面起爆器的雏形变成具备工程可行性的完美球面起爆器。

球形汇聚压缩

问:您前面提到球形表面起爆仅仅是内爆式原子弹设计的第一个难点,那么第二个难点“内爆驱动技术”是怎么一回事?

答:在球形外表面实现引爆之后,就会出现冲击波,冲击波会汇聚压缩球心的核材料,使其从原本的次临界状态达到深超临界状态。这一过程,就是球形汇聚压缩,也叫内爆驱动(或内爆动力学)。我们核武器工程学上,也将其称作“动态装配”。对于动态装配而言,球心核材料是压得体积越小,密度越小越好,从形状上讲,则是球形越规整越好。

那么,冲击波对核材料压得圆不圆,取决于冲击波在压缩过程中是否一致按照球面形状进行收缩;压得紧不紧,取决于冲击波的压力高不高。而这种压力的高低又取决于金属飞层是否充分吸收了爆轰反应所产生的能量。这些,就是内爆动力学所要解决的中心问题。

问:那么怎样才能做到压得圆和压得紧呢?

答:要做到压得圆,得靠冲击波向内汇聚时每点前进的步伐要相同,也就是同步性要高。所谓同步,就是要求单位时间冲击波的传播距离要相同。举个例子,我们在操场上画许多个同心圆,每圆之间相隔一步,圆圆相套。在外圈圆上均匀排列许多个士兵,一声令下让他们向圆心齐步前进,每个士兵每一步都要同时踏进里面一圈,这就叫同步前进或同步性。但实际上在工程实践中,内爆式原子弹的外球面因为装配误差和拼接产生的“不起爆区”的关系,必然跟理想球面形状有偏差(我们理论上称为波形差)。在存在波形差的情况下,每向中心接近一步,队形就会从理想圆形不断变成歪歪扭扭的形状,走得步数越多,变形就越厉害,最终到达圆心区域的时候可能已经成了“扁形”或“歪嘴形”。

既然我们知道在工程实践中,不可能出现完美的理论球形压缩和完美的同步,那么就要把握和控制住一个度,在内爆式原子弹爆炸装置设计之初,就把误差和不起爆区等影响考虑进来,将其控制在可以允许的范围内,让核材料尽量压得圆。

具体而言,如果炸药的爆速是7000米/秒,波阵面两点间的波形差是1微秒(百万分之一秒),则波阵面两点间的距离差就是7毫米。这样大的波形差,在制造原子弹中是不允许的。

而压得紧,主要取决于飞层能否充分吸收炸药产生的爆轰反应驱动能量。飞层在爆炸时,由爆轰产物膨胀做功驱动其飞行运动,开始飞层速度越来越快,但随着爆轰膨胀体积逐步增大,膨胀效应和驱动力都会减弱,直到减弱到零为止。这意味着飞层的加速度也会逐渐变小而最终为零。此后飞层的飞行主要就是依靠惯性作用了。我们前面提到飞层和球心之间有空腔,空腔设计合理不合理很关键,空腔太小,距离太短,飞层无法充分吸收炸药能量使自己速度达到最快,无法充分压紧核材料,而空腔如果太大,距离太长,对于压紧核材料有好处,但这样一来核武器装置的体积就太大,与核武器小型化要求相悖。所以空腔设计是否合理高明,能否完美兼顾压得紧和体积要求,一定程度上会影响核武器的小型化程度。

问:实际的内爆式原子弹装置结构就是球形外表面起爆器、飞层、空腔和球心核材料这样几层分布吗?

答:这是简单的理论结构,实际的核爆炸装置当然不可能是这么简单,要比这个复杂得多。比如每个部件不可能加工成一个个理想的球壳,飞层也不止是一层,部件和部件之间还要有支撑、粘接、垫层等结构件,不然怎么能将核装置结构撑起来?怎么能支撑其质量?这些结构件的材料、形状、制造公差等因素,都会对核装置实际爆炸中的冲击波传播产生影响,最终影响核材料的最终压缩度和实际的超临界状态。

所以,核装置除了设计合理很重要外,装配和制造是决定核武器最终爆炸威力的另一个重要因素。当核装置引爆那一刻起,各个装置和结构就进入了所谓的“现场自动动态装配过程”,这一过程就是人无法影响和控制的了。所以爆炸最终的威力大小,全取决于事先的设计是否合理,装配是否精确准确。

爆轰试验

问:核武器研制中有一个术语叫做爆轰试验,能否介绍一下?

答:刚才我们提到爆轰和爆轰波,提到了核装置的球面起爆和压缩驱动,提到了设计和装配,这些结构、设计和制造具体而言是否合理准确,能不能发挥核装置的设计威力,不是你在纸上写写画画就能算出来的,怎么办?就必须进行实际的试验,去不断验证和解决各种问题。这个过程就是爆轰试验,在爆轰试验中,进行爆轰与冲击压缩测量,不断地解决其中的工程设计问题和科学建模问题,最终设计出实用的可靠的核装置。

大部分时候,爆轰试验都不是直接用核材料进行爆炸测试的,因为真实核材料难以获得和制取,价格极其昂贵,而爆轰试验次数是非常多的。因此大部分爆轰试验都通过非核代用材料来模拟,比如我们就常用钨金属来做代用材料。试验一般分为核反应前和核反应后,大部分核反应前试验用代用材料。少量核反应前和全部核反应后试验,则必须用真实核材料来试验。

研制核武器进行的爆轰试验次数是极多的。以朝鲜为例,根据外媒分析和报道,该国自2000年起密集进行爆轰试验。韩联社消息甚至称其已经进行过约100次爆轰试验。爆轰试验是在地下坑道内进行的,韩国分析其坑道宽度从4米下降到2001年的1.5米,最近几年则达到0.6或0.7米,这似乎是暗示核装置的设计体积和尺寸在缩小。通过试验和设计的调整,其核装置设计水平和小型化技术有了进步和提高。

次临界、超临界状态

问:您在前面的介绍中多次提到次临界和超临界状态,能否简单介绍一下?

答:次临界状态和超临界状态的概念是由临界质量这一概念引申和定义的。临界质量是指能够维持核材料链式裂变反应所需的裂变材料最小装量。临界质量与核裂变材料本身性质有关,与核材料的几何形状也有关。在给定材料装量的前提下,球形装料是最佳选择。这也是为什么内爆式原子弹是各国研制原子弹的统一选择的根本原因,因为球形是最佳形状。临界质量还跟介质有关系,比如铀235裸球的临界质量约为50千克,如果在外面包一层金属铍作为介质,则可以把临界质量降到15千克。
 
当核裂变材料的质量低于临界质量时,称为次临界状态,高于临界质量,则称之为超临界质量。可以看出,从次临界状态跨越向超临界状态,是核武器实现裂变链式反应,最终实现核爆炸的关键一步。

来源:兵工科技
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