【核武器基本概念及分類】Part. 3
目錄：
【2 核武器分類】
【2.2 核武器分類及各類核武器設(shè)計(jì)原理簡介】
〖2.2.1 純裂變武器Pure Fission Weapons〗
〖2.2.1.1 純裂變武器簡介〗
純裂變武器是僅利用核裂變作為能量來源的核武器，其原理是通過化學(xué)炸藥爆炸挺物，將臨界質(zhì)量下的裂變材料（钚或是高濃度鈾）擠壓成超越臨界質(zhì)量的物質(zhì)奋单，繼而誘發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。具體來說磨确，在裂變反應(yīng)發(fā)生伊始酿愧，核裂變所釋放出來的中子會撞擊其臨近的鈾/钚原子核并使之發(fā)生裂變挺狰。由此，發(fā)生裂變的原子數(shù)量以指數(shù)的速度上升廷区，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)唯灵。
人類史上第一個核裝置即為純裂變武器——在著名的“三位一體”核試驗(yàn)中于1945年7月16日試爆的名為Gadget（經(jīng)常被譯作“小玩意兒”）的裂變武器。而核爆廣島隙轻、長崎的“小男孩”和“胖子”也是純裂變武器埠帕，具體來說，廣島的“小男孩”是槍式起爆的鈾裂變彈玖绿，而長崎的“胖子”則為內(nèi)爆式起爆的钚裂變彈敛瓷。（有關(guān)槍式起爆及內(nèi)爆式起爆的具體內(nèi)容會在下文展開）
純裂變武器是入門級核武器，也是進(jìn)一步研發(fā)其他任何一種核武器的基石斑匪。由于現(xiàn)代核武器（二相彈氫彈）都需要純裂變裝置作為初級呐籽，因此嚴(yán)格意義上二相彈便是裂變/聚變混合物器，這也就使得純裂變核武器成為了通向現(xiàn)代核武器之路的第一道門坎蚀瘸。除聯(lián)合國五大常任理事國（五大流氓）外狡蝶，以色列、印度贮勃、南非贪惹、巴基斯坦、朝鮮也被認(rèn)為是純裂變武器的擁有者寂嘉。其中奏瞬，以色列、南非是純裂變武器的疑似擁有國泉孩。
下圖即為三位一體核試驗(yàn)前的Gadget硼端，攝于1945年7月
〖2.2.1.2 純裂變武器設(shè)計(jì)的理論核心〗
純裂變武器共有兩種主流設(shè)計(jì)，槍式和內(nèi)爆式寓搬。但在介紹這兩種設(shè)計(jì)前显蝌，我們還需要理解純裂變武器設(shè)計(jì)的理論核心。
首先，我將對次臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)的概念進(jìn)行必要的補(bǔ)充曼尊。次臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)的概念是由臨界質(zhì)量這一概念引申出來的脏嚷。臨界質(zhì)量是指能夠維持核材料鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所需的裂變材料最小裝量骆撇。裂變材料的臨界質(zhì)量并不是固定不變的，相反神郊，它會隨著核裂變材料性質(zhì)、幾何形狀以及密度的改變而改變夕晓。當(dāng)某種裂變材料的實(shí)際質(zhì)量低于臨界質(zhì)量蒸辆，那么該裂變材料處于次臨界狀態(tài)；同理析既，當(dāng)其實(shí)際質(zhì)量高于甚至數(shù)倍于臨界質(zhì)量眼坏，那么該裂變材料則處于超臨界質(zhì)量拂玻。因此，通過改變核材料的幾何形狀及密度宰译，我們就能夠在核材料實(shí)際質(zhì)量不變的前提下改變其臨界質(zhì)量的大小檐蚜，繼而改變“裂變材料質(zhì)量與其臨界質(zhì)量”間的比值，從而實(shí)現(xiàn)裂變材料從次臨界狀態(tài)到超臨界狀態(tài)的跨越囤屹。
裂變武器設(shè)計(jì)的理論核心：
1. 在引爆前將裂變物質(zhì)控制在臨界狀態(tài)之下熬甚，即裂變材料處于次臨界狀態(tài)
2. 使裂變物質(zhì)由次臨界狀態(tài)進(jìn)入超臨界狀態(tài)
3. 當(dāng)裂變物質(zhì)到達(dá)最大超臨界狀態(tài)時引入中子射流開始鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
4. 將裂變物質(zhì)控制在一起，直到足夠比重的裂變物質(zhì)參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
雖然使裂變材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得關(guān)鍵肋坚，但光獲得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)還不夠乡括，我們需要的是極高反應(yīng)速率下的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這樣才能保證在極短的時間內(nèi)智厌，在裂變物質(zhì)四分五裂前诲泌，讓盡可能多的裂變材料參與反應(yīng)。因此铣鹏，通常來說需要三倍于臨界質(zhì)量的超臨界裂變材料才能獲得可觀的裂變反應(yīng)速率敷扫。也就是說，“超臨界狀態(tài)裂變材料與臨界質(zhì)量間的比值”越大，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率也就越高
前面已經(jīng)說到葵第，臨界質(zhì)量與材料本身形狀绘迁、密度、性質(zhì)有關(guān)卒密，因此對裂變材料的密度形狀加以改變缀台，其臨界質(zhì)量也會隨之改變。這里有一個關(guān)鍵概念哮奇，裂變材料的臨界質(zhì)量與其密度的平方呈反比膛腐。也就是說，裂變材料裝量/質(zhì)量一定的前提下鼎俘，其密度越大哲身，臨界質(zhì)量越小，那么“超臨界狀態(tài)裂變材料與臨界質(zhì)量間的比值”也就越大贸伐，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率也就相應(yīng)越高
所以勘天，設(shè)計(jì)一種裂變材料密度可在極短時間內(nèi)被提高的武器結(jié)構(gòu)，就可以在極短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“超臨界裂變材料與臨界質(zhì)量間的比值”翻倍的目的棍丐，也就由此獲得極高反應(yīng)速率的误辑。舉個例子，將某種即將進(jìn)入超臨界狀態(tài)的臨界狀態(tài)裂變材料密度翻倍歌逢，我們就瞬間得到了接近4倍于臨界質(zhì)量的裂變材料巾钉。因此，純裂變武器的兩大發(fā)展方向（槍式設(shè)計(jì)和內(nèi)爆式設(shè)計(jì)）都應(yīng)用了這種短時間內(nèi)增加裂變材料密度以達(dá)到“超臨界狀態(tài)裂變材料與臨界質(zhì)量間比值”倍增的設(shè)計(jì)思路秘案。而在裂變材料裝量/質(zhì)量一定的前提下砰苍，球狀裝料是最佳選擇。因此阱高，采用球狀裝料的內(nèi)爆式設(shè)計(jì)成為后來有核國家以及擁核國家的主要發(fā)展方向赚导。
次臨界狀態(tài)及超臨界狀態(tài)下鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖：
〖2.2.1.3 槍式裂變武器Gun-type fission weapons〗
〖2.2.1.3.1 槍式裂變武器原理簡介〗
槍式裂變武器的代表是“小男孩”原子彈，其原理是將一塊臨界質(zhì)量下的裂變材料射向另一塊臨界質(zhì)量下的裂變材料赤惊，由此使得裂變材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)吼旧。典型的槍式設(shè)計(jì)是：兩塊低于臨界質(zhì)量的部分（即處于次臨界狀態(tài)）被置于管狀物內(nèi)（該管狀物常被稱作“槍管”），其中一塊裂變材料被制成半徑較大的中空柱狀發(fā)射物（“彈丸”）未舟，另一塊則被制成半徑較小的實(shí)心圓柱體（“目標(biāo)”）圈暗。然后中空的“彈丸”被射向并套住實(shí)心的“目標(biāo)”，后者正好填上前者的空洞裕膀。于是员串，兩塊次臨界裂變材料結(jié)合后，其有效密度大大提升昼扛，其臨界質(zhì)量也隨之下降（裂變材料密度越大臨界質(zhì)量越写缙搿），由此實(shí)現(xiàn)了“超臨界狀態(tài)裂變材料與臨界質(zhì)量間比值”倍增的目的。一般在槍式設(shè)計(jì)中渺鹦，兩塊次臨界裂變材料結(jié)合后扰法，其與臨界質(zhì)量的比值為3，也就是說海铆，結(jié)合后的裂變材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)且3倍于臨界質(zhì)量迹恐。
槍式裂變武器涉及在管狀物內(nèi)發(fā)射彈丸狀裂變材料，因此得名“槍式”卧斟。下圖即為槍式設(shè)計(jì)的示意圖：
當(dāng)然，由于槍式設(shè)計(jì)的本質(zhì)是兩塊次臨界狀態(tài)裂變材料的“鵲橋相會”憎茂。所以槍式設(shè)計(jì)有時候也被描述為：兩塊半球形次臨界狀態(tài)裂變物質(zhì)被合到一起從而形成一個超臨界狀態(tài)裂變物質(zhì)球體珍语。下圖即為槍式理論的抽象示意圖，這種描述可以理解為抓住了槍式設(shè)計(jì)的本質(zhì)竖幔。
此外板乙，上文〖2.2.1.2 純裂變武器設(shè)計(jì)的理論核心〗中已經(jīng)提到，裂變武器設(shè)計(jì)的理論核心之一是要趕在裂變物質(zhì)炸得四分五裂前拳氢、在極短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)由“次臨界狀態(tài)”向“超臨界狀態(tài)”的跨越募逞，由但于槍式設(shè)計(jì)中“將一塊裂變材料射向另一塊裂變材料”的動作相對較慢，因此這就使得這種設(shè)計(jì)對裂變材料本身的性質(zhì)要求很高馋评。一般而言放接，钚是不適宜應(yīng)用于槍式設(shè)計(jì)的，除非是純钚-239留特。然而要生產(chǎn)不含雜質(zhì)的純钚-239難度非常大纠脾，因此在技術(shù)遠(yuǎn)不如今天發(fā)達(dá)的半個多世紀(jì)前，槍式設(shè)計(jì)往往采用濃縮鈾蜕青，比如小男孩原子彈的裂變材料主體就是89%的鈾-235苟蹈。
〖2.2.1.3.2 從小男孩原子彈看槍式設(shè)計(jì)〗
正如上文所說，小男孩原子彈是槍式裂變武器的代表右核，使用鈾-235作為其裂變材料慧脱。小男孩所使用的裂變材料被分為兩塊，一塊是作為“彈丸”的中空柱狀發(fā)射物贺喝，另一塊是作為“目標(biāo)”的實(shí)心柱狀物菱鸥。中空的“彈丸”由39千克濃縮鈾構(gòu)成，直徑15.9厘米搜变，長17.8厘米采缚。實(shí)心的“目標(biāo)”則由26千克濃縮鈾構(gòu)成∧铀“彈丸”加“目標(biāo)”重64千克扳抽，這也是小男孩原子彈所含濃縮鈾的總重。下圖，上方的紅色柱狀物即為“彈丸”贸呢，下方的紅色柱狀物即為“目標(biāo)”镰烧。
小男孩原子彈充當(dāng)“槍管”的管狀物直徑16.5厘米，總長1.8米楞陷，能夠讓“彈丸”在接觸“目標(biāo)”前被加速到300米/秒的速度。下圖即為胖子原子彈（上）固蛾、小男孩原子彈（下）對比圖，可以明顯看到献幔，因?yàn)椤皹尮堋钡拇嬖冢∧泻⒌膹楏w更長趾诗。
要解釋這槍管長達(dá)1.8米的必要性蜡感，就需要引入“提前爆炸”這個概念恃泪。當(dāng)“彈丸”臨近“目標(biāo)”時，其有效密度不斷增大且開始接近或進(jìn)入超臨界狀態(tài)贝乎。假如“彈丸”速度不夠快情连，那么很可能在“彈丸”套住“目標(biāo)”之前就已經(jīng)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。雖然此時的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率還不高糕非，但仍然不能排除提前爆炸的可能性蒙具。而如若發(fā)生提前爆炸朽肥，那么尚未完全接觸的“彈丸”和“目標(biāo)”就會被炸得四分五裂，使得裂變材料不能充分參與反應(yīng)衡招，核武器的爆炸威力就會大大減弱。因此州刽，如果要解決提前爆炸的問題浪箭，就必須加長“槍管”長度穗椅，由此提高“彈丸”接觸“目標(biāo)”前的速度奶栖，爭取在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始前讓兩者充分接觸门坷，避免提前爆炸的發(fā)生袍镀。但無疑，更長的“槍管”意味著更加笨重的彈體绸吸，核彈投放難度也會隨之上升设江。下圖即為“提前爆炸”的示意圖：
