制造原子彈的關鍵技術:原子彈設計與實驗技術當前位置:首頁 > 科普知識 > 核武知識

制造原子彈的關鍵技術:原子彈設計與實驗技術

文章來源:經福謙   時間:2011-10-28 9:37:00 訪問數:

 共1頁  1 


    原子彈與常規炸彈不同。常規炸彈的炸藥沒有臨界質量問題,裝多少都可以,可以先把炸藥裝好存放,用時只等引信觸發即可爆炸。原子彈的核炸藥(核燃料)有個臨界質量問題。到了臨界質量,由于核裝料中自發裂變產生的中子,或其他偶然外來的中子,會引起鏈式裂變反應而造成核事故。因此,組裝原子彈在未投入使用前,彈中組裝好的裂變燃料必須處于次臨界狀態,即不能達到臨界質量,應該比臨界質量少很多,以確保貯存和運輸的安全。而在使用時,為了獲得一定的威力,又要求彈中的裂變燃料迅速地轉變到超臨界狀態,使裂變鏈式反應中子增殖很快,產生盡可能高的威力。原子彈設計的任務就是要解決這個矛盾,創造一定的環境和條件,使貯存和使用的矛盾得到統一。

    我們知道,臨界質量與它的幾何形狀和物理密度等有關。同樣多的質量,分成幾塊,就是次臨界的;或者密度低一些,也是次臨界的。使原子彈的核燃料在貯存、運輸中都處于這種狀態,就肯定是安全的(指核反應方面的安全,不包括其他方面的安全)。但在把它發送到預定目標部位時,就需要在“現場”使處于次臨界狀態的裂變燃料“快速轉變”為超臨界狀態,并及時提供一定數量的點火中子(開始引起鏈式反應的中子)觸發鏈式反應,從而產生雪崩式的核裂變而爆炸。這里所講的“現場”,有時間和空間兩方面的內容,“現”就是到達目標部位那一瞬間;“場”就是到達目標的空間位置。這里所講的“快速轉變”,可稱之謂“快速裝配技術”。當然,這個“裝配”不是機械式的裝配,而是指涉及物理學多學科的原理、方法和技術綜合應用的一種“裝配”過程,使次臨界的核燃料在一瞬間就達到深超臨界的狀態。

    實現原子彈爆炸的“快速裝配”,主要涉及到爆轟物理、流體力學、沖擊波動力學、高溫高壓凝聚態物理等多種學科的聯合攻關,以及在高溫、高壓、高速條件下,進行高時空分辨的光、電、X光測試技術等等。

    “現場快速裝配技術”有三個基本要求:

必須是高速度。約在萬分之一秒內完成。因而要求用于裝配的能源有很高的功率密度。

必須精密同步。同步時間差小于幾百萬分之一秒。

裂變燃料部件達到高密度狀態時的表面積小。裝配結束時,核燃料部件應處于良好的幾何形狀,達到很高的物理密度。

    這種快速的、事先設計好的、精密控制下的現場裝配過程,好似一件科學與藝術巧妙結合的“即興創作”。做好這個即興創作,必須具備深厚的科學知識和精湛的技術功底。事先要作許多理論計算、物理實驗和模擬試驗。下面介紹幾種快速裝配方法。

(1) 槍法壓攏型

    槍法,顧名思義就是像打槍一樣,把一塊次臨界核燃料快速射向另一塊,使兩塊加起來超過其臨界體積而產生核爆炸。如圖3.15是壓攏型原子彈的一種示意圖。圖a 中的推進劑與雷管部分組成引爆裝置,三塊核燃料均處于次臨界狀態。雷管點火后,由推進劑推動一塊核燃料使之與另兩塊合攏時,三塊核燃料加起來便成了圖b 的狀態,超過了臨界體積。這種方法的實質是使核燃料壓攏而增加體積,故稱“壓攏型”。

圖3.15	槍法原理圖

3.15    槍法原理圖

    壓攏型可以采取各種各樣的結構。圖3.16ab就是另外兩種不同結構的拼合方式。

       a 圖表示的是兩個相距較遠的次臨界體積鈾塊,在引爆裝置作用下,兩者快速結合在一起形成超臨界質量而爆炸。b圖中間是一塊障礙物(中子吸收體,比如用金屬鎘制成),當它迅速移開時,上下兩塊次臨界質量鈾塊就會達到超臨界狀態而爆炸。人們形象地認為壓攏型原子彈是鈾塊或钚塊互相射擊的結果,所以又稱它為槍法原子彈。

圖3.16	壓攏型的其他方式

3.16    壓攏型的其他方式

    實際的原子彈還有許多其他類型的結構,圖3.17是壓攏型原子彈的一種結構原理圖。

圖3.17	壓攏型原子彈構造原理圖

3.17    壓攏型原子彈構造原理圖

    核材料外包有一層中子反射層,中子源放在彈體內,設計有導向槽保證柱形鈾塊準確射入。當定時機構觸發引爆裝置,炸藥就發生爆炸;接著圓柱體內的次臨界鈾塊像槍彈一樣經過導向槽,射向球形次臨界鈾塊的中間。結果鈾塊的總質量就大大超過臨界質量而發生核爆炸。在裂變物質外圍的中子反射層,可以擋住中子外逃。內部釋放裂變能量使核裝置受熱膨脹時,反射層和堅固的彈殼還可以延緩裂變物質的飛散,即延緩裂變物質返回到次臨界的時間過程,以提高原子彈的爆炸威力。

    這種原子彈制造技術簡單,作起來容易,但是核燃料裝得多,利用率(也稱燃耗)低。因為裂變物質是常態密度,臨界狀態的表面積大,鏈式反應進行得不夠快,而且反應能量一放出來就會很快使裂變物質膨脹,迅速返回到次臨界狀態,因而有很大一部分核材料沒能參與裂變過程。19458月,美國投在日本廣島的第一顆原子彈就是這種槍法原子彈。由于技術不復雜,他們連核試驗都不用作,造出來就拿去投。核燃料裝了64公斤,爆炸的TNT當量1.5萬噸,利用率僅只1.2%

(2) 內爆法壓緊型

    鈾-235和钚-239都是金屬,金屬材料是可以壓縮的。壓縮后單位體積內的原子核數將要增加,中子在里面碰撞發生裂變的概率增加;壓縮后的表面積縮小,中子泄漏也減少了。最好是壓成密度盡可能高的球形,使原子彈的臨界質量大大減少。這樣做既可節省核燃料又可增加威力。但是這種方法要用同步性很高的內爆技術。

    什么叫內爆?一般爆炸是指從里向外爆炸而飛散;內爆則相反,是指從外向里爆炸而壓縮。用炸藥的能量做功,將次臨界狀態的核材料壓緊在很小的體積內,使之達到超臨界狀態,只有采取內爆的技術。下面介紹有關原子彈內爆壓縮的技術問題。

(3) 如何起爆

    如圖3.18所示:炸彈爆炸是從里往外爆,是一點起爆的散心爆轟波向外傳播(見左圖)。內爆壓縮就不那么簡單,它可以通過多點起爆,造成一個向內匯聚的球面波。聚心效應可使壓力增高,提高對被壓縮物體的壓縮效果。但是它需要各點同時起爆,爆轟波傳播要同步發展,時時都要保持球面波形向內傳播和壓縮。

圖3.18	炸彈爆炸與內爆壓縮

3.18    炸彈爆炸與內爆壓縮

    所謂同步,就是每一步在時間上都是一致的。比如在一個操場上畫了許多同心圓圈,每圈相隔一步。在外圈上均勻站著許多士兵,一聲命令齊步向中心前進,每個士兵每一步都要同時踏進里面一圈。這種動作是很難走整齊的。如果走不整齊,圓周上的隊形就會變成圖3.19的樣子,象起伏的波浪一樣。

圖3.19	球面波聚焦波形

3.19    球面波聚焦波形

    上圖中波浪形前后的距離稱“波形差”。波形差可以用時間量度,其意義是爆轟波陣面各點到達相同半徑處的時間差。爆轟波的傳播速度是已知的,通過波形差的時間量就可算出某一時刻爆轟波陣面起伏的空間距離差。比如炸藥的爆速是每秒7000米,如果波陣面兩點的波形差是1微秒(百萬分之一秒),則波陣面上這兩點前后距離差7毫米。

    原子彈內爆的同步性要求很高。如果差1微秒,爆轟波形前后差到7毫米,這是不允許的。造成爆轟波形時間差的因素很多,如起爆點數不夠密,雷管起爆不同時,炸藥裝藥的密度不均勻,結構部件有加工誤差等,都可能影響爆轟波的形狀。要達到同步性要求,只有對上述影響因素作深入細致的研究,每一項分別提出要求,才能作到對同步性的精密控制。

    在一個球面上密密麻麻排滿那么多雷管起爆也是不可能的。雷管是敏感元件,用多了容易出爆炸事故。這對核武器來說是太危險了。為了解決這個問題,就要研究起爆器。就是說,要專門設計一個部件,一個雷管引爆后可以起爆一大片。圖3.20是平面波起爆器的原理示意圖。雷管在頂部O點起爆,使爆轟波同時到達AB平面。

圖3.20	平面波起爆器

3.20    平面波起爆器

    圖中oaoboc 的路程是不相等的,用同一種炸藥形成的爆轟波不可能同時到達AB。圖(a)表示oaoboc三個區用不同的炸藥,路程長的用爆速高的炸藥,爆轟波走快點;路程短的用爆速低的炸藥,爆轟波走慢點,調整它們的速度,就可同時到達AB。這樣做要用好多種炸藥,也是不可能的。一般是用兩層炸藥的做法,上面用一層高爆速炸藥,下面用一層低爆速炸藥,調整高、低爆速炸藥的高度來得到不同的平均速度,如圖(b)所示。oc 路程上低爆速段長,高爆速段短,其平均速度低;而oa路程上低爆速段短,高爆速段長,其平均速度高。各區的路程是已知的,調整相應路程上所需要的平均速度,就可使爆轟波同時到達AB平面。上圖是一個旋轉體的剖面,AB是一個圓形面積。abc、…分區取得越細,調整出來的波形越平,而且可使高、低爆速炸藥的分界面近似于一個曲面,便于制作澆鑄或壓裝炸藥的模具。

    作平面波發生器,是使點起爆變成面起爆的開始。它為進一步研制曲面波發生器打下了基礎。曲面波發生器原理上也是調整爆轟波傳播的速度,使之同時到達一個預定的曲面上。這時的設計計算和實驗調試就要復雜一些。如要設計進行內爆壓縮的球面波發生器,還要解決下列幾個問題:

AB要改成園弧線段計算。

oaoc更長,高、低爆速炸藥調整的球面波起爆器可能會設計得太高。如何改進波形調整機制,降低高度,有利由縮小球形裝置的徑向尺寸,是很重要的。

AB旋轉后是一個小圓圈,小園圈在球面上是拼合不起來的,需要切成多邊形才能拼合。

一個多邊形球面波起爆器與另一個多邊形球面波起爆器相連邊界附近的一個范圍內,爆轟波形與球形要求會有較大偏離。要設法減弱這個影響。

    如此許多設計和實驗方面的問題,都是比較棘手的科學技術難點。要作出一個組合的封閉成完整球面的起爆系統,是相當的困難。而且要求起爆器的高度低,重量輕,波形差小,這就更增加了難度。

    有了球面波起爆器,可以進行最簡單的內爆壓縮,如圖3.21。球面波起爆器引爆主炸藥球,形成一個球面匯聚的爆轟波直接壓縮內球,使核材料密度提高,達到超臨界狀態。

圖3.21	內爆壓縮(一)

3.21    內爆壓縮()

    如果把這個設計改進一下,在炸藥前端加一個推體(飛層),推體與內球之間留一段空腔。這樣,推體就可以充分地吸收炸藥做功提供的能量,然后再打在核材料上,就可以把內球壓得更密實。這就是用炸藥驅動推體做功,其中也有許多學問。

(4) 如何驅動

    《氫彈的秘密》一文的作者霍德華·莫蘭德指出:“核武器設計的一個重要部分是審慎地使用空腔。以錘子釘釘為例,假如施加壓力前,錘子放在釘頭的上方,一個舉起來的錘子和一個釘子之間的空間可以給錘子更大的沖力以作用到釘子上。”

    炸藥驅動推體的內爆壓縮模型如圖3.22。這個模型的基本原理就是運用推體在空腔飛行過程中,充分吸收炸藥爆轟的能量。從圖看出,推體(飛層)在爆轟波的作用下,不斷受到后面爆轟產物的膨脹作功,有一定的時間充分吸收炸藥的能量,提高其動能。這種高速推體在撞擊核材料球之后,可以將后者壓縮到更高的密度,達到更深的超臨界狀態,從而使裂變鏈式反應放出更多的能量。

圖3.22	內爆壓縮(二)

3.22    內爆壓縮()

    為了使推體盡可能多地吸收炸藥能量,使之碰撞到內球后產生盡可能高的壓縮度,還有許多內爆動力學的問題需要解決。例如空腔寬度的選擇問題,太短,炸藥能量不能被推體充分吸收;太長,爆轟產物對推體的作功功率迅速減小,而且會造成彈體體積過大的缺點。需要選擇適當。

    還有壓縮過程中的界面不穩定性問題。這個問題很討厭,不能避免,但可控制在一定范圍內,使之不影響大局。

    材料的界面為什么不穩定呢?這是因為材料受到壓縮后,這些材料在高溫高壓下已近似處于流體狀態,材料失去了強度,其運動規律用流體動力學方程組進行描述和計算。比如輕重不同的流體界面,在一定條件下受到擾動時,界面有可能失去穩定。如圖3.23a),瓶子里下面裝水,上面裝油,界面上如果出現動蕩,油與水的界面會自動地恢復到初始的平衡情況,即界面是穩定的。但如果下面裝油,上面裝水,如圖3.23b),界面上稍有擾動,油就往水里鉆,界面馬上出現混亂,以致油全都翻上來。這就是流體力學界面不穩定性現象。

圖3.23	界面運動示意圖

3.23    界面運動示意圖

    造成這種不穩定性的主要前提條件,是作用在界面兩側流體的加速度方向必須是由輕的指向重的。也就是使界面運動的力由輕的指向重的。圖3.23a)中上面是輕液體,下面是重液體,浮力F由重液體指向輕液體,即重液體托著輕液體。一個擾動使界面A點重液體上升,B點重液體下降,從而在同一水平面上的壓強A點比B點高。液體內部是連通的,按照連通器原理,A側重液體界凸出的界面必然下降,液體流向B側,使B側重液體凹下的界面上升,最后恢復到原來平衡的界面。這種情況經得住擾動,界面是穩定的。(b)中則與之相反,上面是重液體,下面是輕液體,浮力從輕液體指向重液體,即輕液體托著重液體。如果同樣一個小擾動引起界面上A點輕液體上升,B點輕液體下降,則在同一水平面上的壓強B點比A點高。按照連通器原理,B側的輕液體必然流向A側。這樣使B側壓強越來越大,造成惡性發展,界面形狀越來越壞。這種界面是不穩定的,再也無法恢復,以致最后輕液體全部翻到上面。

    圖3.24表示沖擊波壓縮的情況,此時流體的重力可以忽略不計。流體運動的方向只與沖擊波驅動的方向有關。圖中P是沖擊波在輕流體介質中產生的驅動壓力,被驅動的是重流體。圖3.24相當于把圖3.23b)順時針轉過90度,P代替了浮力F,它不僅托住重流體,而且驅使重流體向前運動。同樣可以把AB兩側看著連通器,B側壓強大,流體流向A側,從而造成界面失穩。由于沖擊波速度很快,因此界面不穩定性情況發展也很快。瞬間即可造成輕、重介質混合的現象。

圖3.24	沖擊波界面不穩定性

3.24    沖擊波界面不穩定性

    在內爆驅動的情況下,免不了有輕材料推動重材料的情況,甚至材料密度比相差特別懸殊,如氣體與固體接觸的界面。不同材料部件接觸面運動出現界面不平(初始擾動)的機會很多,如材料缺陷,雜質熔化,表面粗糙(細觀上總有起伏),沖擊波陣面不平的影響等等,都可導致界面上的初始擾動。由此可見,制造核武器所需的材料和加工精度要求是十分嚴格的。

(5) 如何測試

    球面爆轟波和飛層驅動是“內爆動力學”的兩大基本問題。實驗研究這些問題,必須發展有關的測量和診斷技術,簡稱為測試技術。測試技術一般有電測、光測和X光照相三大類。圖3.25是內爆動力學實驗測試布局示意圖。

圖3.25	內爆實驗光、電、X光測試示意圖

3.25    內爆實驗光、電、X光測試示意圖

    這個圖表示了光、電、X光三大測試手段的聯合測試。這種實驗組織起來比較復雜,比如解決光、電探針的合理布置,各種動作的時間關聯,避免信號的互相干擾,以及人員、儀器及設備的安全保護等問題,都要作出周密安排。從事這類工作的實驗工程師和技師,有時就像繡花一樣在穿針(探針)引線(導線)。甚至比繡花還難,因為光導纖維比線還細,表面還要加絕緣層,端面還要拋光,性能還要一一通過檢驗。他們作出的東西,就像藝術品一樣。所以在一定意義上說,原子彈是科學與藝術結合的產品。

    現在我們已經知道,生產鈾-235很難,內爆壓縮也很難。這是制造原子彈最難的兩大技術關。美國第一顆原子彈是钚彈,前蘇聯第一顆原子彈也是钚彈,我們中國第一顆原子彈卻是鈾彈。中國的科學家和工程師又是在科學技術和工業水平比美蘇落后的基礎上搞起來的,而且在比較短的時間內就一舉成功。這一點不得不為世人所佩服。

    19641016日,中國第一顆原子彈爆炸成功。

圖3.26	中國首次原子彈爆炸的煙云

3.26    中國首次原子彈爆炸的煙云

    這天下午3時,在神秘的羅布泊上空,一道強光閃過,伴隨著一聲驚天動地的巨響,大地驟然間劇烈地震動起來,一顆碩大的火球轟鳴著、怒吼著,以排山倒海之力,吸起百米多高的沙塵,迅疾地托起滾滾翻騰的蘑菇狀煙云,向蒼天驕傲地呼嘯著,奔騰著,翻卷著。王淦昌、彭桓武、郭永懷、朱光亞和陳能寬等科學家,為經過多年努力終于成功而激動得不能自控,默默地流下了興奮的眼淚。消息立刻報到黨中央,毛主席指示“一定要搞清楚是不是核爆炸,要讓外國人相信!”。張愛萍將軍要求科學家證實眼前的奇觀是否核爆炸?王淦昌肯定地回答道:“是的。”這一斬釘截鐵的判斷,是建立在牢固的科學實驗的基礎之上的,在場的科學家早已胸有成竹。

(6) 加輕元素加強型

從單位質量講,聚變釋放的能量要比裂變釋放的能量高。原子彈裝料里加一些聚變材料,在原子彈爆炸的高溫下,引起聚變反應,聚變放出的中子 又可以加強裂變反應,從而使爆炸威力大大增加。這樣做成的原子彈稱“加強型原子彈”,如圖2.27所示。

圖3.27	加強型原子彈

3.27    加強型原子彈

    原子彈中加一些聚變燃料的設想,美國五十年代就進行過試驗。1954412日美刊《時代》雜志刊登的一篇文章中,已詳細介紹了聚變加強技術。莫蘭德氫彈構形中的原子彈,其內球中心就是充的氘氚氣體(見美刊《進步》雜志7912期)。

    加強型原子彈由于用了氘氚氣體,其內爆壓縮過程會帶來許多新的問題。界面不穩定性會更加突出,因為氘氚氣體的密度比起鈾、钚金屬的密度差得太遠了。當壓縮的氘氚內部壓力過高時,就會產生反壓而出現界面不穩定的情況。

    通過上述三種類型原子彈的介紹,我們看到原子彈有兩次點火兩次爆炸的過程。第一次是在次臨界狀態下的雷管點火,引起化學炸藥爆炸。這次爆炸不是目的,而是手段,是用它的能量來對裂變材料從次臨界狀態到超臨界狀態的“現場快速裝配”。第二次是在超臨界狀態下的中子點火,引起核裝藥(即核燃料)爆炸,這是武器設計的目的。對于加強型也可以說還有第三次點火,即用裂變反應的能量點燃輕材料的聚變反應。以上各次點火的時間是要選擇在有關釋能部件處在一個最佳的物理狀態下,才能獲得最好的爆炸效果。這只能依靠極其復雜的實驗和模擬計算來確定。

    制造原子彈是不容易的。首先要有強大的核工業基礎,沒有這一點,就沒有核燃料,談不上制造核武器;有了核材料,把核材料由次臨界狀態快速裝配成超臨界狀態,這就需要嚴格控制其力學過程。要想制造精良的核武器,就必須解決一系列的科學、技術和工程問題。反過來,核武器研制又可以促進國家科學技術和新材料、新工藝的發展。人們往往把原子彈研制成功,看成是一個國家科技實力和綜合國力的象征。


   本文摘自《揭開核武器神秘面紗》

   經福謙 陳俊祥 華欣生著

   清華大學出版社 暨南大學出版社

   出版時間:2002年7月

 

三张牌扑克返水