原子彈

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更新時間: 2013-07-15

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原子彈(nuclear weapon)是核武器之一,是利用核反應的光熱輻射、衝擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用,以及造成大面積放射性污染,阻止對方軍事行動以達到戰略目的的大殺傷力武器。主要包括裂變武器(第一代核武,通常稱為原子彈)和聚變武器(亦稱為氫彈,分為兩級及三級式)。亦有些還在武器內部放入具有感生放射的輕元素,以增大輻射強度擴大污染,或加強中子放射以殺傷人員(如中子彈)。

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1 原子彈 -武器簡介

原子彈原子彈爆炸

利用鈾-235或鈈-239等易裂變重原子核裂變反應瞬時釋放巨大能量的核武器。又稱裂變彈。瞬時釋放出巨大能量的核武器。又稱裂變彈。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級梯恩梯當量,有巨大的殺傷破壞力。它可由不同的運載工具攜載而成為核導彈、核航空炸彈、核地雷或核炮彈等,或用作氫彈中的初級(或稱扳機),為點燃輕核引起熱核聚變反應提供必需的能量。威力通常為幾百到幾萬噸梯恩梯當量,有很大的殺傷破壞力。可單獨配置在不同的投射工具中而成為核導彈。核航空炸彈、核地雷和核炮彈等,或用作氫彈中的初級(或稱「扳機」),為點燃輕核引起熱核聚變反應提供必需的能量。重原子核裂變反應。



2 原子彈 -研製歷史

美國研製

二戰期間,科學家西拉德為防止德國人搶先造出原子彈,動員著名科學家愛因斯坦上書美國總統羅斯福,闡述了研製原子彈對美國安全的重要性。

1941年12月6日(日本偷襲珍珠港的前一天),羅斯福才批准了美國科學研究發展局全力研製原子彈。 1942年8月,美國制訂了研製原子彈的「曼哈頓計劃」。

1943年7月,美國成立原子彈研究所。 

1945年7月16日,在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中進行了世界上第一顆原子彈的爆炸試驗。 

1953年M65 280mm加農炮試射的W9型15KT小型核子炮彈1953年M65 280mm加農炮試射的W9型15KT小型核子炮彈

1945年8月6日,美國用B-29超級空中堡壘轟炸機運載「小男孩」2萬噸當量原子彈轟炸廣島。爆炸時間:8點15分43秒,城市中心12平方公里內的建築物全部被毀,全市房屋毀壞率達70%以上。關於死亡人數,日美雙方公布數字相差甚大。據日本官方統計,死亡和失蹤人數達71379人,受傷人數近10萬。

1945年8月9日10點58分,「胖子」原子彈被投放於長崎。

蘇聯

蘇聯在1941年6月遭受德軍入侵前,也進行過研製原子彈的工作。鈾原子核的自發裂變,是在這一時期內由蘇聯物理學家Г.Н.弗廖羅夫和Κ.А.佩特扎克發現的。衛國戰爭爆發后,研製工作被迫中斷,直到1943年初才在物理學家И.В.庫爾恰托夫的組織領導下逐漸恢復,並在戰後加速進行。1949年8月,蘇聯進行了原子彈試驗。

英國 

1952年10月3日,英國成功爆炸了第一顆原子彈。

法國

1960年2月13日,法國成功爆炸本國第一顆原子彈。

中國

中國在開始全面建設社會主義時期,基礎工業有了一定的發展,即著手準備研製原子彈。1959年開始起步時,國民經濟發生嚴重困難。同年6月,蘇聯政府撕毀中蘇在1957年10月簽訂的關於國防新技術協定,隨後撤走專家,中國決心完全依靠自己的力量來實現這一任務。中國首次試驗的原子彈取「596」為代號,就是以此激勵全國軍民大力協同做好這項工作。1964年10月16日,中國首次原子彈試驗成功。中國第一次核試驗以塔爆方式進行,用的是「內爆法」鈾彈。1965年5月14日第二次核試驗時,核裝置用飛機空投。1966 年10月27日第四次核試驗時,核彈頭由導彈運載。 

其他 

1974年印度進行第一次核試驗

2006年北朝鮮核試驗

2009年北朝鮮核子試爆

核試驗

地球上已記錄到約2053次核試驗。美國1093次,其中200次為大氣層核試驗(11次高空,81次中空,72次地面,36次水面),888次地下核試驗,五次水下。前蘇聯進行715次核試驗,其中大氣層212次,地下核試驗500次,水下3次。法國188次,英國43次,中國45次,印度6次,巴基斯坦6次,北朝鮮2次。 

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3 原子彈 -結構組成

原子彈原子彈的結構

原子彈主要由引爆控制系統、炸藥、反射層、核裝料組成的核部件、核點火部件和彈殼等結構部件組成。引爆控制系統用來適時引爆炸藥;是推動、壓縮反射層和核部件的能源;反射層由鈹或鈾-238構成,用來減少中子的漏失;核裝料主要是鈾-235或鈈-239;核點火部件用以提供「點火」中子,以引發鏈式裂變反應;彈殼用來固定和組合各部件。

槍式結構

最簡單的原子彈採用的是所謂槍式結構。兩塊均小於臨界質量的鈾塊,相隔一定的距離,不會引起爆炸,當它們合在一起時,就大於臨界質量,立刻發生爆炸。但是若將它們慢慢地合在一起,那麼鏈式反應剛開始不久,所產生的能量就足以將它們本身吹散,而使鏈式反應停息,原子彈的爆炸威力和核裝葯的利用率就很小,這與反應堆超臨界事故爆炸時的情況有些相似。因此關鍵問題是要使它們能夠極迅速地合在一起。

將一部分鈾放在一端,而將另一部分鈾放在「炮筒」內,藉助於烈性炸藥,極迅速地將它們完全合在一起,造成超臨界,產生高效率的爆炸。為了減少中子損失,核裝葯的外面有一層中子反射層;為了延遲核裝葯的飛散,原子彈具有堅固的外殼。

在槍式結構中,每塊核裝葯不能太大,最多只能接近於臨界質量,而決不能等於或超過臨界質量。因此當兩塊核裝葯合攏時,總質量最多只能比臨界質量多出近一倍。這就使得原子彈的爆炸威力受到了限制。

另外在槍式結構中,兩塊核裝葯雖然高速合攏,但在合攏過程中所經歷的時間仍然顯得過長,以致於在兩塊核裝葯尚未充分合併以前,就由自發裂變所釋放的中子引起爆炸。這種「過早點火」造成低效率爆炸,使核裝葯的利用率很低。一公斤鈾235(或鈈239)全部裂變,大約能釋放18000噸梯恩梯當量的能量,一顆原子彈的核裝葯一般為15~25公斤鈾235(或6~8公斤鈈239),以此計算,「小男孩」的核裝葯利用率還不到百分之五。

鈾在正常壓力下的密度約為19克/厘米³。在高壓下,鈾可被壓縮到更高的密度。研究表明,對於一定的裂變物質,密度越高,臨界質量越小。

內爆式結構

根據這一特性,在發展槍式結構的同時,還發展了一種內爆式結構。在槍式結構中,原子彈是在正常密度下用突然增加裂變物質數量的方法來達到超臨界,而內爆式結構原子彈則是利用突然增加壓力,從而增加密度的方法達到超臨界。

在內爆式結構中,將高爆速的烈性炸藥製成球形裝置,將小於臨界質量的核裝料製成小球,置於炸藥中。通過電雷管同步點火,使炸藥各點同時起爆,產生強大的向心聚焦壓縮波(又稱內爆波),使外圍的核裝葯同時向中心合攏,使其密度大大增加,也就是使其大大超臨界。再利用一個可控的中子源,等到壓縮波效應最大時,才把它「點燃」。這樣就實現了自持鏈式反應,導致極猛烈的爆炸。

內爆式結構優於槍式結構的地方,在於壓縮波效應所需的時間遠較槍式結構合攏的時間短促,因而「過早點火」的幾率大為減小。這樣,內爆式結構就可以使用自發裂變幾率較大的裂變物質,如鈈239作核裝葯;同時使利用效率大為增。

美國投於日本長崎的那顆原子彈(代號叫「胖子」),採用的就是內爆式結構,以鈈239作核裝葯。彈重約4500公斤,彈最粗處直徑約152厘米,彈長約320厘米,爆炸威力估計為20000噸梯恩梯當量。

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4 原子彈 -爆炸原理

原子彈原子彈爆炸

鈾-235、鈈-239這類重原子核在中子轟擊下通常會分裂成兩個中等質量數的核(稱裂變碎器),並放出2-3個中子和200兆電子伏能量(相當於3.2×1011焦耳)。放出的中子,有的損耗在非裂變的核反應中或漏失到裂變系統之外,有的則繼續引起重核裂變。如果每一個核裂變后能引起下一代核裂變的中子數平均多於1個,裂變系統就會形成自持的鏈式裂變反應,中子總數將時間按指數規律增長。例如,當引起下一代裂變的中子數其均為2個時,則在不到1微秒之內,就可以使1千克鈾或鈈內的2.5×1024個原子核發生裂變,並釋放出約2萬噸梯恩梯當量的核能。裂變材料的裝量必須大於一定的量,稱為臨界質量,才能使鏈式裂變反應自持進行下去。原子彈中要放置相當份量的裂變材料,但不使用時,它們必須處於次臨界狀態。使用時,要使處於次臨界狀態的裂變裝料瞬間達到超臨界狀態,並適時提供若干中子觸發鏈式裂變反應。超臨界狀態可以通過兩種方法來達到:一種是「輪法」,又稱壓攏型,另一種是「內爆法」,又稱壓緊型。

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5 原子彈 -爆炸過程

原子彈中的引爆控制系統在預定時間或條件下發出引爆指令,使炸藥起爆,炸藥的爆轟產物推動並壓縮反射層和核裝料,使之達到超臨界狀態,核點火部件適時提供若干「點火」中子,使核裝料內發生鏈式裂變反應,並猛烈釋放能量。隨著能量的積累,溫度和壓力迅速升高,核裝料不斷膨脹,密度不斷下降,最終又成為次臨界狀態,鏈式反應趨於熄滅。從炸藥起爆到核點火前是爆轟、壓縮階段,通常要幾十微秒時間;從核點火到鏈式裂變反應熄滅是裂變放能階段,只需要十分之幾微秒。原子彈在如此短暫的時間裡放出幾百至幾萬噸梯恩梯當量的能量,使整個彈體和周圍介質都變成高溫高壓等離子氣團,中心溫度可達107開[爾文],壓力達1015帕[斯卡]。原子彈爆炸產生的高溫高壓以及各種核反應產生的中子、r射線和裂變碎器,最終形成衝擊波、光輻射、早期核輻射、放射性沾染和電磁脈衝等殺傷破壞因素。

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6 原子彈 -主要裝葯

原子彈原子彈結構圖

原子彈是由引爆控制系統,高能炸藥,反射層,含有核裝料的核部件,中子源及彈殼所組成。 

高能炸藥

高能炸藥是推動和壓縮反射層以及核裝料的能量來源。

反射層

反射層一般由鈹或鈾-238組成,其作用為反射鏈式反應中射出反應系統的中子,使其回到反應過程中繼續參與鏈式反應。

鈾-238不止可以反射中子,因為其密度較大,可以減緩核裝料在釋放能量過程中的膨脹,使得鏈式反應可以維持較長時間。

核裝料

現在,能夠大量得到且可以使用於原子彈的裝葯有鈾-233,鈾-235和鈈-239。

核裝葯為原子彈引爆的主體,只要其的體積或質量超過一定的臨界值,原子彈就會發生爆炸。

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7 原子彈 -威力危害

原子彈的破壞力和殺傷破壞方式主要有光輻射、衝擊波、早期核輻射、電磁脈衝及放射性沾染等。

光輻射

在原子彈引爆后,核爆過程會釋放出強烈的輻射光。1枚當量在2萬噸左右的原子彈在當空爆炸后,距離爆炸核心7000米的地方人會受到比陽光強13倍的光輻射的照射。而在2800米範圍內,光輻射會使人迅速致盲,且皮膚會因為光輻射照射而大面積灼傷潰爛,一些物體也會燃燒。

衝擊波

原子彈爆炸后,核爆會產生出一種巨大的氣流超壓。一枚三萬噸當量的原子彈爆炸后,在離爆炸核心800米處,衝擊波會以200米每秒的速度席捲一切。 

早期核輻射

在原子彈最初起爆的幾十秒中內,核爆會釋放出中子流和γ射線。一枚兩萬噸當量的原子彈爆炸時,離它1100米以內的人員單位會受到射線和中子流的極度殺傷。 

電磁脈衝

原子彈爆炸所造成的核爆會製造出電磁脈衝,而電磁脈衝的電場強度可達1萬至10萬伏,完全可以摧毀起爆點周圍的一切電子設備。 

放射性沾染

在原子彈爆炸后,隨著蘑菇雲的飄散會有大量的放射性粉塵飄落到地面,會對人體可成照射或皮膚灼傷,嚴重者最終導致死亡。

戰例

原子彈在日本投放的兩枚原子彈(上圖),原子彈爆炸后的廣島(下圖)

1945年8月6日美國向日本廣島投下原子彈,彈重4082公斤,彈長3.05米,彈徑0.711米,裝料為10公斤鈾235,當量1.25萬噸,因為該彈細長,被稱為 「小男孩」。原子彈造成死亡7.1萬人,傷6.8萬人,遭到破壞的總面積達12平方公里,破壞建築物5萬餘所,緊接著,美國又在長崎扔下名為 「胖子」的第二顆原子彈。這顆原子彈是用60公斤鈈239製作的,彈長3.25米、彈徑1.52米,當量2.2萬噸。該原子彈造成的死亡人數約3.5萬,傷約6萬,毀壞房屋19587所,破壞面積4.7平方公里。

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8 原子彈 -發展趨勢

1、原子彈體積重量的小型化;

2、適應戰場使用的多種低威力和威力可調的核裝置;

3、提高安全性、可靠性、有效性、提高核裝料的利用效率;

4、最重要的進展則是發展了「助爆型原子彈」。

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9 原子彈 -國際影響

由於核武器具有巨大的破壞力和獨特的作用,與其說它可能會改變未來全球性戰爭的進程,不如說它對現實國際政治鬥爭已經和正在不斷地產生影響。20世紀70年代末,美國宣布研製成功中子彈,它最適於戰場使用,理應屬於戰術核武器範疇,但卻受到幾乎是世界範圍的強烈反對。從這一事例也可以看出,核武器所涉及的鬥爭的複雜性。

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