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氢弹的技术机理与研制关键
来源:学习时报    作者:朱红巍    2016-01-21 09:28:03

 

 

  近期,各个媒体围绕朝鲜“氢弹”试爆进行了大量报道。“氢弹”是什么?研判是否是“氢弹”能不能只依据爆炸当量大小?为厘清网络上的大量报道,有必要系统性回答以上关键问题。

  什么是氢弹

  氢弹,也称聚变弹、热核弹、热核武器,是指利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核产生聚变反应并瞬时释放出巨大能量的核武器。

  氢弹的发展,大致上经历了三个重要的阶段:“湿式”氢弹到“干式”氢弹,再到三相弹。美国开始研制的氢弹就是使用液体轻核装料氘和氚的“湿式”氢弹。由于氘和氚在普通条件下都是气体,只有在零下二百多摄氏度的低温下,它们才能成为液体状态,因此需要笨重的冷藏设备,这就使氢弹成为一个庞然大物。美国的第一颗氢弹“乔治”重达65吨,体积比载重汽车还大,军事使用价值极低。经过大量研究,科学家发现金属锂6在中子作用下,能够生成氘。这样一来,氢弹里只需装进固体的氘化锂6,就可以在原子弹爆炸产生大量中子的情况下生成所需要的氚。这些氚与装料中的氘就可以产生聚变反应。苏联第一颗氢弹即采取这一方案,所以苏联是第一个成功把氢弹实用化的国家,1年后美国第一颗实用型氢弹在比基尼岛试验成功。科学家研究后又发现,氢弹爆炸时可以产生大量的高能中子,这些高能中子,可以引起重核材料铀238发生裂变反应并放出巨大能量。如果在“干式”氢弹核装料外面,增加铀238包壳,则在氢弹爆炸时可产生三部分核反应:铀235(或钚239)的裂变反应,轻材料的聚变反应,以及铀238的裂变反应。三相弹的研制成功,进一步提高了氢弹的爆炸威力。

  以三相弹为例(见图),其基本结构主要由四部分组成:原子弹是引爆器,俗称“扳机”;氘化锂6是热核材料,完成聚变反应;铀238是裂变材料,负责产生能量和辐射。

  爆炸时,首先由电子系统给出起爆信号,使原子弹爆炸产生大量的中子并放出巨大的能量,中子与氘化锂6作用生成氚,能量使氢弹内部处于极高的温度,引起氘氚发生聚变反应,放出大量的快中子和巨大的能量。快中子使铀238发生裂变反应,放出巨大的能量。

  需要注意的是,与铀235不同,铀238与轻核材料都不存在临界质量的限制,因此氢弹的爆炸当量既可以大至几千万吨级TNT当量水平,如,美国第一颗氢弹爆炸当量就有1040万吨TNT当量,苏联1961年试爆的“沙皇氢弹”爆炸当量则达到惊人的5000万吨TNT当量;也可以做到万吨级甚至千吨级TNT当量,如以高能中子辐射为主要杀伤力、威力为千吨级的小型氢弹——中子弹。与大当量氢弹相比,研制低当量氢弹对技术要求更高、研制难度更大。

  怎么造氢弹

  目前,国际上公认掌握氢弹技术的国家只有联合国安理会的五个常任理事国。虽然传言1998年印度的5次核试爆中有2次是氢弹,但很多专家基于对氢弹研制技术难度的认识,认为这2次核试爆只是加强型原子弹(所谓增强型原子弹,是指虽然有聚变材料用于核爆增强,但其主要作用还是为裂变提供足够中子,使裂变反应更充分,因此使用的聚变材料相对较少,是一种小型的战略级核弹),或失败的氢弹(只有原子弹部分发生核裂变,核聚变反应未发生)。显然,成功研制氢弹需要诸多关键要素的可靠保证。

  一是理论研究要素。氢弹研制除了核物理关注的辐射流体力学方程组和材料特性方程组耦合求解问题外,还涉及等离子体物理、原子分子物理、加速器物理、凝聚态物理、爆炸力学、热力学、光学、化学、计算机科学等十余个大类上百个小类的学科体系,每一个关键问题的解决,都需要多个相关学科的协同技术攻关,以及国家大量人力物力的投入,其难度不言而喻。但是,技术问题很多时候就是一层“窗户纸”,另辟蹊径也可以轻易捅破。1992年,退役的克格勃上校弗拉基米尔·契科夫在其回忆录中提到,苏联情报机构曾在美国洛斯-阿拉莫斯实验还安插有一个叫作“佩尔西”的技术间谍,正是由于他将有关“辐射力压缩引起热核反应”的关键情报提供给苏联,才使苏联在较短时间内空爆了真正意义上的航空氢弹“埃尔德斯-37”。2009年,美国当年的核武器研究设计人员托马斯·里德和丹尼·斯蒂尔曼出版了《核快车:一枚政治核弹及其扩散》一书,对此事进行了确认。

  二是试验验证要素。氢弹研制需要大量的关键参数,这些都是各有核国家的核心机密,研制国很难从公开资料中获得。要自主获得这些参数,除了理论研究外,更重要的是建立起能够再现这些极端条件的实验场地和设备,在多次试验中不断调整环境参数予以确认。但是,核试验存在诸多客观条件的限制,特别是在现有国际政治体系下,国际社会对印度、巴基斯坦和朝鲜的核试验都曾进行了严厉的制裁。虽然理论上可以靠部分试验数据配合先进巨型计算机进行模拟核试验,但核试验对于验证当量计算、聚变时间、点火温度都是极为必要的,至今仍然是新迈入核国家无法避开的重要环节。

  三是国家工业要素。研制氢弹,初级的裂变材料和次级的聚变材料都是不可或缺的。生产核材料(铀、钚、重水、氘、氚、锂等)需要庞大的工厂,需要涉及重工业企业为反应堆生产关键部件,而且核试验本身也需要进行规模巨大的工程建设(地下核试验的坑道绵延数公里,深度达地下几百米),还要有复杂、精密、数量巨大的相关设备。可以说,研制氢弹是对一个国家工业能力的全面检验。

  氢弹研制,是大国能力的综合体现,任何一个国家都不可能脱离核武器试验规律和现实工业能力。即使该国通过另辟蹊径获得了氢弹研制的相关技术和重要参数,也不大可能脱离核材料生产和武器试验所需工业能力的限制。即使拼尽全力研制成功,也还存在武器小型化、批量生产、运载工具以及导弹突防等一系列问题。造氢弹,目的是要威慑对手。实现这一目的,不仅要有弹,还要有枪(运载工具),更要有数量和质量保证,否则研制成功也就是象征而已。

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