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科普 | 氫彈及其爆炸原理

2020-05-25 4290

導(dǎo)讀

科普 | 氫彈及其爆炸原理

編者按：我們八零后的杰出代表三胖思密達(dá)就迫不及待地給世界人民放了一個(gè)大鞭炮--氫彈，下面就讓小編來給大家科普一下有關(guān)氫彈的一些知識。

在現(xiàn)代核武庫中，氫彈占有重要地位。氫彈也被稱作熱核彈。氫彈是利用輕核聚變反應(yīng)制成的炸彈，參加反應(yīng)的物質(zhì)主要是氫的同位素氘和氚。太陽向外輻射光和熱就是氘和氚核聚變反應(yīng)的結(jié)果。聚變反應(yīng)需要極高溫度，所以氫彈要靠原子彈來引爆。同原子彈相比，氫彈的威力要大得多，如果把原子彈比作火柴頭的話，那么氫彈就相當(dāng)于大炮仗。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，1千克氘氚混合物全部發(fā)生聚變反應(yīng)，能釋放5.8萬噸梯恩梯的爆炸當(dāng)量。由此可以想見氫彈威力之大了。

由于氘和氚在常溫常壓下是氣體，在實(shí)際應(yīng)用中必須制成液體，這就需要極高的壓強(qiáng)。所以直接作為氫彈裝料是很困難的。像1952年美國爆炸的第一個(gè)熱核裝置，其質(zhì)量竟達(dá)65噸。這樣的裝置要用火車運(yùn)載，用于實(shí)戰(zhàn)是非常困難的。

后來，科學(xué)家找到一種新的熱核裝料，即氘化鋰（鋰-6）。它的成本比氚要低得多，并且避免了氚的半衰期短的問題（氚的半衰期只有12.6年）。氘化鋰的爆炸原理是，原子彈引爆時(shí)，大量高能中子與鋰-6原子核發(fā)生核反應(yīng)并產(chǎn)生氚，氚與氘發(fā)生熱核反應(yīng)，并釋放出巨大的能量。為什么用氘化鋰也可以進(jìn)行熱核反應(yīng)呢？這是因?yàn)橹凶哟蛟阡嚿暇蜁a(chǎn)生氚，同時(shí)氘化鋰中的氘和氘發(fā)生反應(yīng)也可產(chǎn)生氚和中子。

常見的氫彈是一種三相彈，也稱作“氫鈾彈”。它的爆炸過程大致是：裂變—聚變—裂變。它的核裝料中，最外部是鈾-238，里面包裹著一個(gè)氫彈。它的特點(diǎn)是，借助熱核反應(yīng)產(chǎn)生的大量中子轟擊鈾-238，使鈾-238發(fā)生裂變反應(yīng)。這種氫鈾彈的威力非常大，放射性塵埃特別多，所以是一種“骯臟”的氫彈。

為了改善中國的核防衛(wèi)能力，中國也于1967年成功地爆炸了氫彈，并且成為世界上第4個(gè)擁有氫彈的國家。這要感謝我們的于敏老大，沒有出過國，但是搞出來的東西一來就是高大上，體積小，威力大，可以長期保存。

利用原子彈爆炸的能量點(diǎn)燃?xì)涞耐凰仉?、氚等輕原子核的聚變反應(yīng)瞬時(shí)釋放出巨大能量的核武器。又稱聚變彈、熱核彈。氫彈的殺傷破壞因素與原子彈相同，但威力比原子彈大得多。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級梯恩梯當(dāng)量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸級梯恩梯當(dāng)量。還可通過設(shè)計(jì)增強(qiáng)或減弱其某些殺傷破壞因素，其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能比原子彈更好，用途也更廣泛。

1942年，美國科學(xué)家在研制原子彈的過程中，推斷原子彈爆炸提供的能量有可能點(diǎn)燃輕核，引起聚變反應(yīng)，并想以此來制造一種威力比原子彈更大的超級彈。1952年11月1日，美國進(jìn)行了世界上首次氫彈原理試驗(yàn)。從50年代初至60年代后期，美國、蘇聯(lián)、英國、中國和法國都相繼研制成功氫彈，并裝備部隊(duì)。

三相彈是目前裝備得最多的一種氫彈，它的特點(diǎn)是威力和比威力都較大。在其三相彈的總威力中，裂變當(dāng)量所占的份額相當(dāng)高。一枚威力為幾百萬噸梯恩梯當(dāng)量的三相彈，裂變份額一般在50％左右，放射性沾染較嚴(yán)重，所以有時(shí)也稱之為臟彈。

氫彈具有巨大殺傷破壞威力，它在戰(zhàn)略上有很重要的作用。對氫彈的研究與改進(jìn)主要在3個(gè)方面：①提高比威力和使之小型化。②提高突防能力、生存能力和安全性能。③研制各種特殊性能的氫彈。

氫彈的運(yùn)載工具一般是導(dǎo)彈或飛機(jī)。為使武器系統(tǒng)具有良好的作戰(zhàn)性能，要求氫彈自身的體積小、重量輕、威力大。因此，比威力的大小是氫彈技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。當(dāng)基本結(jié)構(gòu)相同時(shí)，氫彈的比威力隨其重量的增加而增加。20世紀(jì)60年代中期，大型氫彈的比威力已達(dá)到了很高的水平。小型氫彈則經(jīng)過了60年代和70年代的發(fā)展，比威力也有較大幅度的提高。但一般認(rèn)為，無論是大型氫彈還是小型氫彈，它們的比威力似乎都已接近極限。在實(shí)戰(zhàn)條件下，氫彈必須在核戰(zhàn)爭環(huán)境中具有生存能力和突防能力。因此，對氫彈進(jìn)行抗核加固是一個(gè)重要的研究課題。此外，還必須采取措施，確保氫彈在貯存、運(yùn)輸和使用過程中的安全。

在某些戰(zhàn)爭場合，需要使用具有特殊性能的武器。至80年代初，已研制出一些能增強(qiáng)或減弱某種殺傷破壞因素的特殊氫彈，如中子彈、減少剩余放射性武器等。中子彈是一種以中子為主要?dú)蛩氐男⌒蜌鋸?。減少剩余放射性武器（Reduced-Residual-Radioactivity weapon）亦稱RRR彈，也屬于一種以沖擊波毀傷效應(yīng)為主，放射性沉降少的氫彈。一枚威力為萬噸級梯恩梯當(dāng)量的RRR彈，剩余放射性沉降可比相同當(dāng)量的純裂變彈減少一個(gè)數(shù)量級以上，因而是一種較好的戰(zhàn)術(shù)核武器。從總的趨勢來看，對氫彈的研究，更多的注意力可能會轉(zhuǎn)向特殊性能武器方面。

原子彈爆炸是核反應(yīng)，非化學(xué)變化。

化學(xué)變化中原子不可再分，核反應(yīng)中有新的原子出現(xiàn)，故不是化學(xué)變化。

原子彈爆炸是重核裂變，氫彈爆炸是輕核聚變。

氫彈又稱熱核彈或熱核武器，它是利用原子彈爆炸的能量做為“扳機(jī)”，將聚變?nèi)剂霞訜嶂翈浊f開以上，使之發(fā)生自持的聚變反應(yīng)，在瞬間釋放出巨大的能量。其威力在幾十萬至幾千萬噸梯恩梯當(dāng)量。

利用核裂變釋放的能量引發(fā)氘氚等輕核的自持聚變反應(yīng)和伴隨的裂變反應(yīng)，瞬時(shí)釋放巨大能量的武器。又稱聚變彈或熱核彈。氫彈的殺傷破壞因素與原子彈相同，因聚變裝料無臨界質(zhì)量限制，武器威力可以大得多。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸梯恩梯當(dāng)量，氫彈的威力則可以大至幾千萬噸梯恩梯當(dāng)量。同時(shí)，通過增強(qiáng)或減弱氫彈的某些殺傷破壞因素，還可以設(shè)計(jì)出特殊性能的核武器（如中子彈，減少剩余放射性彈）。由于產(chǎn)生聚變反應(yīng)的輕原子核都帶有正電荷，只有當(dāng)它們的速度很高時(shí)才能克服正電荷間的靜電斥力，發(fā)生顯著的聚變反應(yīng)。當(dāng)熱核裝料的溫度很高時(shí)，組成裝料的原子核就具備了很高的速度（從而有很高的動(dòng)能）。利用這種辦法發(fā)生的聚變反應(yīng)叫熱核聚變反應(yīng)，簡稱熱核反應(yīng)。輕核中氫的同位素氘和氚原子核間的斥力最小。因此常常被選作氫彈的裝料。氘氚原子核間的反應(yīng)方式有：

Ｄ＋Ｄ→Ｔ＋ｐ＋４.０３ＭｅＶ

Ｄ＋Ｄ→３Ｈｅ＋ｎ＋３.２７ＭｅＶ

Ｄ＋Ｔ→４Ｈｅ＋ｎ＋１７.６ＭｅＴ

式中，Ｄ、Ｔ分別代表氘核和氚核，ｎ、ｐ分別代表中子和質(zhì)子，３Ｈｅ、４Ｈｅ分別代表氦C３核和氦C４核。當(dāng)熱核裝料的溫度為幾百萬至幾億開爾文時(shí)，氘氘反應(yīng)的速率約比氘氚反應(yīng)快１００倍。由于氘氚是氣體或液體，使用起來不大方便。氫彈中常用的熱核裝料是固態(tài)氘化鋰C６，其密度約為０.８克/厘米３左右。當(dāng)鋰－６吸收一個(gè)中子時(shí)，產(chǎn)生氚；氚與氘反應(yīng)又產(chǎn)生中子，即進(jìn)行氚－中子循環(huán)反應(yīng)。氚、中子循環(huán)一代，消耗一個(gè)氘核和一個(gè)鋰－６核，放出約２２.４兆電子伏的能量。在氫彈中，燒掉１千克氘化鋰－６，釋放４—５萬噸梯恩梯當(dāng)量左右的能量。創(chuàng)造自持聚變反應(yīng)所必須的高溫、高密度條件需要大量能量，目前只能靠核裂變爆炸來完成。因此氫彈里都有一個(gè)起引爆作用的裂變爆炸裝置，即“初級”或“扳機(jī)”。氫彈的爆炸過程大致是這樣的：初級發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，放出大量中子和Ｘ射線；利用初級爆炸所創(chuàng)造的條件，聚變裝料發(fā)生自持聚變反應(yīng)，放出大量能量和聚變中子；聚變中子又進(jìn)一步引器氫彈鈾－２３８外殼中的核裂變，放出大量的裂變能量。１９５２年１１月１日，美國進(jìn)行了世界上首次氫彈原理試驗(yàn)，代號“邁克”（Ｍｉｋｅ），威力在１０００萬噸梯恩梯當(dāng)量左右，連同液氘冷卻系統(tǒng)的核裝置總重６５噸。原蘇聯(lián)于１９５３年８月１２日進(jìn)行了氫彈試驗(yàn)。中國是繼英國之后第四個(gè)掌握氫彈設(shè)計(jì)技術(shù)的國家。１９６６年１２月２８日，中國成功地進(jìn)行了氫彈原理試驗(yàn)，１９６７年６月１７日由飛機(jī)空投的威力達(dá)３３０萬噸梯恩梯當(dāng)量的氫彈試驗(yàn)又圓滿成功。到２０世紀(jì)８０年代末為止，世界上已有美國、原蘇聯(lián)、英國、中國和法國宣布擁有氫彈。

已確信擁有核武器的國家為：

美國,約6000枚戰(zhàn)略核武器及1670至3300枚戰(zhàn)術(shù)核武器；

俄羅斯,約5500戰(zhàn)略核武器及3000到4000枚戰(zhàn)術(shù)核武器；

法國,384枚戰(zhàn)略核武器及60到80枚戰(zhàn)術(shù)核武器；

英國,185枚戰(zhàn)略核武器；

中國,130件核彈(含戰(zhàn)略彈頭),80件預(yù)備核彈

印度,30到100枚核武器；

巴基斯坦,15到50枚核武器.

到目前還不能確信擁有核武器的國家是：

以色列,100到200枚核武器；

朝鮮,1到2枚核武器；

以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)僅供學(xué)習(xí)參考。

為了讓大家對各類核武器有一個(gè)直觀的人是，化學(xué)與人生小編找到了下面的圖片：

上圖中，拿放大鏡才能看到的小蘑菇是1000噸當(dāng)量的小型原子彈種的。最大的是史上最大的氫彈“沙皇大炸彈，Tzar Bomba”種的。（話說，大毛真的很野蠻）廣島原子彈“小男孩”大約相當(dāng)于1.2萬，大家可以找找位置，大約是右邊第一格的1/10處。

（內(nèi)容及圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，化學(xué)與人生編輯整理，文章轉(zhuǎn)自化學(xué)與醫(yī)藥。）

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