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核能開發(fā)與應(yīng)用深圳大學(xué)核技術(shù)研究所趙海歌2010-2011學(xué)年第二學(xué)期第二講核能的軍事應(yīng)用

美國當(dāng)?shù)貢r間1945年7月16日凌晨5:29’45”,位于美國新墨西哥州荒漠的阿拉莫戈多空軍基地,代號為“三一試驗”(TrinityTest)的世界上第一枚原子彈爆炸成功。這是一枚選用239Pu作為裂變材料、長3.3m、直徑1.5m、重達(dá)5噸的“內(nèi)爆式”原子彈。爆炸裝置(原子彈)事先放置在一個高達(dá)30.5M、重達(dá)上百噸的鋼架上。爆炸威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們事先預(yù)計的結(jié)果:原子彈釋放出了大約相當(dāng)于1.9萬噸梯思梯炸藥完全爆炸所釋放出來的總能量:鋼架被部分地“蒸發(fā)”了,爆心附近的沙子被燒成了琉璃狀。放置在不同距離處的攝像、錄像器材被全部損壞:人們驚呼爆炸生成的火球“比一千個太陽還亮”。彈坑深8米,直徑為365米,半徑1.6公里的范圍內(nèi),所有有生命的東西都被破壞無遺。爆炸震破了300公里外城市建筑物的玻璃。獲準(zhǔn)在現(xiàn)場采訪的唯一一位記者威廉?勞倫斯描述到:“天外飛來的閃光,宛如好幾個太陽團聚在一起,令人眼花繚亂。這是一個人們從未見過的景象。仿佛一個巨大的太陽,瑰麗無比,在一瞬間騰升到2500m的高空,直到與天上的白云混為一體,把大地和天空都映紅了,光焰奪目。這個直徑達(dá)2000m的巨大火球徐徐上升,不斷變換著顏色,從紫羅蘭到橙黃色,漸漸變得越來越大。它升得越高,就顯得越大,頃刻間,它變成了一片奇異的綠色。人們簡直要說天地裂開了!也就是從這一時刻開始,人類進(jìn)入了“核武器時代”。奧本海默回憶說:“當(dāng)時有幾個人笑了,有幾個人卻哭了,大多數(shù)人驚呆了,一聲不響”。1945年8月6日,一枚代號為“小男孩”LittleBoy)的原子彈在日本的廣島上空爆炸.其爆炸威力大約為2萬噸TNT當(dāng)量。這是枚以235U為裂變材料的“槍式”原子彈。原子彈的爆炸直接導(dǎo)致了大約70000多人的死亡,致傷68000多人,在面積為13Km2的地區(qū)內(nèi),2/3的建筑物被徹底摧毀。同年8月9日,另一枚代號為“胖子”(FatMan)的原子彈在日本九州島的長崎上空爆炸,炸死大約35000多人,炸傷60000多人,在4.7Km2的區(qū)域內(nèi),40%以上的建筑物被摧毀。這枚原子彈以239Pu為核材料,屬于內(nèi)爆式原子彈,爆炸威力大約為2.1萬噸TNT當(dāng)量。原子彈的基本原理

按核燃料分:鈾彈:以235U為核裝藥,濃度在90%以上钚彈:以239Pu為核裝藥,濃度在93%以上原子彈的基本組成部分核燃料—鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中子源—點火(扳機)引爆裝置—原子彈的控制機構(gòu)(使用前,核材料次臨界,使用時,使核材料迅速變成超臨界)中子反射層—中子慢化外殼體幾個概念1、增值系數(shù)—引起下一代核裂變的中子屬于引起本代核裂變的中子數(shù)之比叫做增值系數(shù)k2、臨界:k=1,鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)可以維持進(jìn)行,并且以固定不變的功率釋放能量。3、次臨界:k<1,損失的中子數(shù)超過產(chǎn)生的中子數(shù),鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)不能維持進(jìn)行。4、超臨界:k>1,鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)快速維持進(jìn)行,核能瞬間釋放出來。

原子彈爆炸時,核材料一定是處于超臨界狀態(tài)。核反應(yīng)堆工作時,核燃料一定是處于臨界狀態(tài)。反應(yīng)堆停堆時、原子彈儲存時,核燃料一定是處于次臨界狀態(tài)。5、“現(xiàn)場快速裝配技術(shù)”核材料的臨界質(zhì)量與其幾何形狀和物理密度有關(guān),在平時使其分為若干塊,或使其密度降低,核材料處于次臨界狀態(tài)。當(dāng)在使用時,通過雷管引發(fā)普通的爆轟把核材料快速壓在一體,形成高密度的超過臨界質(zhì)量的一塊,同時提供“點火中子”而產(chǎn)生核爆炸。這種方法稱之為“現(xiàn)場快速裝配技術(shù)”三個基本要求:必須高速度完成裝配(萬分之一秒);精密同步(同步時間差小于1/μs);裂變材料達(dá)到高密度狀態(tài)時的表面積小,裝配結(jié)束時,核材料部件應(yīng)處于球形,并達(dá)到很高的密度。6、核材料的臨界質(zhì)量與其密度有關(guān)。密度越高,臨界質(zhì)量越小。球形核材料的臨界質(zhì)量與核材料密度的平方根成反比,密度增加一倍,則臨界質(zhì)量就減少為原來的1/4。金屬鈾-235和钚-239都是可以壓縮的,壓縮后密度增加,單位體積內(nèi)的原子核數(shù)增加,中子引起的核裂變數(shù)增加,同時表面積減小,中子泄露的可能性減小。如果把核材料壓成高密度的球形,則臨界質(zhì)量可以大大減小,從而既可以節(jié)省核材料的用量,又可以增加原子彈的威力。核武器的基本結(jié)構(gòu)核武器:是指利用自動持續(xù)進(jìn)行的原子核裂變反應(yīng)或原子核裂變-聚變反應(yīng)所釋放的能量,產(chǎn)生爆炸作用,具有大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)的武器的總稱。核武器的種類很多,從不同的角度來劃分,核武器主要有以下幾種:按照核裝置的原理結(jié)構(gòu)劃分:可分為原子彈、氫彈和特殊性能核彈。后者包括中子彈(增強輻射彈)、減少剩余放射性彈(沖擊波彈)、感生放射性彈、核爆激勵x射線激光器、核爆激勵

射線激光器、核爆激勵高功率微波武器等等。按照投擲發(fā)射系統(tǒng)劃分:核導(dǎo)彈、核炸彈、核炮彈、核深水炸彈、核魚雷、核地雷等。按照作戰(zhàn)使用劃分,可分為兩大類:一類是用于襲擊對方戰(zhàn)略目標(biāo)和防御己方戰(zhàn)略要地的戰(zhàn)略核武器;另一類是用于支援陸、海、空戰(zhàn)場作戰(zhàn),打擊對方戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)核武器。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)臨界質(zhì)量:一個確定的核系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時(K=1)易裂變材料的質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量M臨,它所占有的體積稱為臨界體積。注意“確定的”核系統(tǒng),也就是說,M臨是對應(yīng)于確定的核系統(tǒng)而言的,核系統(tǒng)的狀態(tài)不同,M臨也就不同,因此不能籠統(tǒng)地說某核材料的M臨是多少。一般來說,影響核系統(tǒng)M臨的因素有以下幾種:①核材料的種類。核材料的種類不同,其臨界質(zhì)量就不同,235U材料裸球的臨界質(zhì)量大約是50kg;而239Pu材料裸球的臨界質(zhì)量大約是16kg。之所以會有這樣的區(qū)別,主要是由于不同核材料的中子裂變截面不同、每次裂變放出的中子數(shù)不同等諸多因素所造成的。由于239Pu材料的臨界質(zhì)量小于235U材料的臨界質(zhì)量,所以從武器小型化、輕量化的角度考慮,239Pu材料應(yīng)該是制造原子彈的首選核材料。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)②核材料的幾何形狀。核材料的幾何形狀決定了它的表面積,因而也就決定了逃逸出核系統(tǒng)的中子數(shù),所以就決定了其臨界質(zhì)量的大?。河捎谠谒械膸缀涡螤钪?,體積(質(zhì)量)相同時球形的表面積最小、所以從盡量減少逃逸出核系統(tǒng)的中子數(shù)的角度考慮,核系統(tǒng)一般都做成圓球形。③核材料的純度。核材料的純度決定了被雜質(zhì)核所俘獲吸收的中子的數(shù)量,為了增加核系統(tǒng)的K值,減小核系統(tǒng)的臨界質(zhì)量,一般要求核武器中核材料的純度至少要達(dá)到90%以上。④核材料的密度。核系統(tǒng)的臨界質(zhì)量與其材料密度有如下的關(guān)系:如果能夠設(shè)法將核材料的密度從原始密度提高一倍的話,則它的臨界質(zhì)量就將減小為原來的四分之一。這樣,原來處于次臨界狀態(tài)的核系統(tǒng)就有可能達(dá)到超臨界狀態(tài)了。因此,如果能設(shè)法提高核材料的密度,就可以大大減小核系統(tǒng)中核材料的質(zhì)量。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)⑤中子反射層。在核材料的外表面加上一層可以反射中子的物質(zhì)以后,逃逸出系統(tǒng)的中子就有可能與這層物質(zhì)(原子核)發(fā)生碰撞,從而反射回核系統(tǒng)繼續(xù)參與核反應(yīng),使得系統(tǒng)中的中子數(shù)增加,臨界度提高,因此中子反射層可以減小系統(tǒng)的臨界質(zhì)量。實驗和計算表明:如果在活性材料的外表面加上5cm厚的238U材料作為反射層的話,235U材料的臨界質(zhì)量就將由50kg減小為大約24kg,239Pu材料的臨界質(zhì)量由16kg減小為大約只有8kg。在所有的中子反射層材料當(dāng)中,9Be是最好的。這是因為一方面9Be是單位體積中原子核數(shù)最高的核素,另一方面是因為它除了可以反射中子以外,還能夠增殖中子。所以在其他條件允許的情況下,一般武器中部選用9Be作為中子反射層材料。在實際武器中,人們已綜合考慮了上述各因素,保證在盡量少用核材料的情況下,盡可能高的提高核武器反應(yīng)時的k值。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)超臨界鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點:超快第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)根據(jù)表中數(shù)據(jù)和曲線圖,我們不難得到以下幾點結(jié)論:①核系統(tǒng)在超臨界狀態(tài)下鏈?zhǔn)椒磻?yīng)非常迅速,是

s級,并且中子增殖因數(shù)k的影響非常顯著,k值越大,反應(yīng)速度越快。②超臨界條件下反應(yīng)的能量絕大部分是在反應(yīng)后期放出。以k=1.2為例。裂變0.1kg的235U需要2.86s的時間。而裂變1kg的235U則只需要2.99s的時間,時間僅僅增加了0.13s

,而裂變的量卻增加了9倍!③由于原子彈爆炸時,核材料的利用率僅僅為10%左右,所以如果能設(shè)法延長鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的時間,就可以大大提高核材料的利用率,從而大大提高核武器的威力。核武器在結(jié)構(gòu)上的主要特點:就是要盡量提高反應(yīng)時的超臨界度;盡量延長鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的時間。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)原子彈基本構(gòu)造1、槍式原子彈又稱壓攏形原子彈,是將一小塊核材料用炸藥推進(jìn)到兩塊處于次臨界狀態(tài)的核材料之間,使整個核材料系統(tǒng)變?yōu)槌R界,從而引起核爆炸。槍式原子彈的特點制造技術(shù)簡單,易于制造,只能采用鈾-235裝料。缺點:核材料裝量多,利用率低一般2萬噸TNT當(dāng)量的原子彈需25公斤鈾-235,利用率<10%。美國投在廣島的就是一顆槍式原子彈,裝64(90)公斤鈾-235,爆炸當(dāng)量1.5萬噸,利用率僅為1.2%.2、內(nèi)爆式原子彈使用內(nèi)爆技術(shù),用炸藥爆炸產(chǎn)生強大的向心力,將處于次臨界狀態(tài)的核材料壓緊變成高密度的超臨界核材料而產(chǎn)生核爆炸的原子彈。又稱向心聚爆式原子彈。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)內(nèi)爆式原子彈所需要的核材料相對較少,核材料的利用率可高達(dá)10%-20%,并且這種結(jié)構(gòu)還可以帶金屬飛層,即通過將核材料分為內(nèi)、外兩層、并且采取在兩層中間留下一定空間的形式,靠外層重金屬的沖擊增壓來達(dá)到核材料的高密度。因此,從結(jié)構(gòu)上來講,內(nèi)爆式原子彈是一種比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式,所以目前世界上服役的原子彈大都為內(nèi)爆式原子彈。把核材料做成空心球殼形狀、在裝置中間留有一個空間的結(jié)構(gòu)形式是內(nèi)爆式原子彈中一種非常先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式,這樣做的結(jié)果不僅不會使核裝置體積增大,反面會使裝置的體積減小,質(zhì)量減輕。原因:留出的空間為外層部件的加速留出了余地,外層的金屬部件經(jīng)過這一段距離的加速,可以使得撞擊速度大大提高,從而獲得很大的核材料壓縮比。它甚至比全部用炸藥填充這部分空間的結(jié)構(gòu)形式所能獲得的核材料壓縮比還要大得多。關(guān)于這方面的理論研究,也是高速沖擊動力學(xué)所研究的重點課題之一。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)內(nèi)爆式原子彈技術(shù)特點1、通過多點起爆,造成一個向內(nèi)匯聚到一個中心球面壓力波,提高了對核燃料的壓縮效果。2、內(nèi)爆的同步性要求高,同步性小于1微妙。起爆點數(shù)的疏密、雷管起爆同步性、炸藥純度、炸藥裝藥密度的均勻性、結(jié)構(gòu)部件加工誤差等都會影響同步性。3、由于核材料的壓縮成高密度,可減少核裝藥量,降低成本。4、超臨界速度加快,核爆成功率加大,提高核材料的利用率。5、技術(shù)難度、儲存難度比槍式高得多。核材料一般不能少于1公斤,“胖子”就是一顆內(nèi)爆式的钚彈,爆炸當(dāng)量2萬噸TNT。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)內(nèi)爆式原子彈的兩個理論問題。①炸藥厚度的最佳選擇原則當(dāng)整個核裝置的外徑尺寸、也就是相當(dāng)于炸藥部件的外徑給定、被驅(qū)動核材料部件的重量確定時,怎樣選取內(nèi)部的結(jié)構(gòu)尺寸,可以使得被驅(qū)動部件獲得最大的動能呢?這對于實現(xiàn)彈頭的小型化具有十分重要的意義。答案:當(dāng)炸藥部件的外徑給定、被驅(qū)動核材料部件的重量確定時,炸藥球殼的內(nèi)外半徑之比取0.572時,金屬部件可以通過炸藥的爆炸獲得最大的動能,這是在內(nèi)爆式原子彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要盡量遵循的一條規(guī)律。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)②飛層空腔結(jié)構(gòu)合理性的力學(xué)解釋當(dāng)發(fā)生沖擊碰撞時,飛層內(nèi)層材料中的壓力與飛層的能量體積密度成正比。由此可知,要提高被碰撞物體中的壓力,獲得較大的材料壓縮比,必須提高飛層撞擊時的速度,或者選用較高密度的飛層材料。為了使飛片充分吸收爆轟產(chǎn)物的能量,必須保證飛片有足夠的飛行距離,因此,飛片和靶之間必須留有一定長度的空腔。實驗證明:飛片的加速過程是十分迅速的。一般的加速過程在40-60mm長的空腔內(nèi)即可完成。飛層空腔結(jié)構(gòu)的作用就是利用飛層在空腔中飛行時所造成的低壓狀態(tài),使爆轟產(chǎn)物對其不斷作功,增加本身之動能,所以飛層起了“能量泵”的作用,使金屬從爆轟產(chǎn)物中吸收更多的能量。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)助爆式原子彈的結(jié)構(gòu)原理就是在原子彈裂變材料的中心形成一個較小的聚變反應(yīng),依靠聚變反應(yīng)所提供的高溫、高壓條件和大量中子增大裂變爆炸的威力。這種技術(shù)目前大量應(yīng)用于先進(jìn)的核武器當(dāng)中。在裂變武器爆炸時,中心部分處于極高的溫度和壓力下,(幾百億個大氣壓,幾千萬度)。如果在爆炸中心放置一些聚變材料的話,可以引發(fā)聚變反應(yīng)。由于聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的中子具有14Mev以上的能量,當(dāng)它們與可裂變核碰撞時,就可以使得可裂變核產(chǎn)生裂變反應(yīng)并放出更多的中子。這兩種反應(yīng)共同作用,使原來的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)比沒有聚變反應(yīng)時增殖的更快,從而發(fā)生更多的裂變反應(yīng),更多的裂變反應(yīng)又促使發(fā)生更多的聚變反應(yīng)。因此,在核裝置解體之前將有更多的原子核發(fā)生分裂。助爆式原子彈與末助爆的原子彈相比,威力可以增大2-10倍。第二講:核能的軍事應(yīng)用-核武器基本結(jié)構(gòu)助爆材料要想讓武器的體積小、質(zhì)量輕,減少炸藥用量就是首選

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