核弹设计理论

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1、核弹设计理论 核武器设计的物理基础 核弹是利用易裂变元素进行链式反应，将亏损的质量以质能方程 E=MC2转化成如冲击波、辐射等形式的能量，在几百万分之一秒内释 放出来，从而造成巨大破坏的武器，下面，我们将详细介绍一枚核弹 的设计过程。第一章 认识裂变物质首先允许我小小地科普一下，按照宇宙物理学的图景，我们的宇 宙产生于一个奇点，起初并没有物质，只有能量与弦，在弦与能量交 汇的节点产生了光子，高能光子又分裂为正负电子对，随着弦的波动 与能量的纠缠诞生出强子与电子、中微子等各种物质，这些物质如夸 克、电子等以精细对称的形式结合成稳定的基团，也就是我们熟知的 各类元素，在大质量的天体如恒星的中央，较

2、轻的元素比如氢，在巨 大的压力下进行聚变反应产生出新的更重的元素，如氦、锂，同时释 放出能量，这一自持聚变燃烧反应对原子序数在铁之前的元素是有效 的，对于铁之后的物质，则可能是晚年恒星坍缩爆炸的产物，所以平 衡性减小，如果原子核受到新的粒子如中子、或者质子等扰动，则新 基团的势垒将高于核子结合能，核子将分裂开来，并释放出多余的结 合能，这就是核能的来源。第二章 核反应简介在这里我们主要探讨中子所造成的核反应，当一个自由中子入 射到原子核附近时，按照不同的几率，会产生如下几种反应：1. 弹性散射（EL）,就像两个乒乓球相撞，然后又互相弹开了，改变的仅仅是各自的速度和运动方向，我们通过经典力学就足

3、够了解 它们了。2. 非弹性散射（NON）,当发生非弹性散射时，中子首先被原子核吸收 形成激发状态的复合核，然后复合核通过发射伽马射线放出中子 而回到基态,发生这一反应的前提是中子的动能必须达到原子核 的第一激发态。3. 吸收（INL）,吸收反应就是中子被原子核吸收掉了，产生出一个不 稳定的复合核，通过发射各种物质如：Y、a、氢离子等来消耗 多余的能量来回到基态,有一类元素在吸收低能中子后有很大概 率分裂成几个较小的原子核，并释放2 个以上的中子，引发新一 轮的裂变反应，反应式为：235U + in T 236U* T A1X + A2丫 +v in92 0 92Z1Z 2 0 （1）这种元素

4、被称为易裂变元素，在核反应工程中具有重要的意义， 如铀-235、钚-239 就属于此类物质。当不同能量的中子入射到不同物质中时，发生每种反应的几率是 不一样的，称之为核反应截面，现在网络上有详细的评价核数据 库供我们使用。例如铍-9 的总截面谱为：EPT第三章 核临界与弹芯设计下面我们来正式进入核弹的理论设计工作，我们知道核弹的爆 炸来自于链式反应（1）放出的巨大能量，而如何使（1）持续地进行 下去，我们就要引入“核临界”这个概念，即单位时间内穿过单位体 积的中子数保持恒定，即中子通量守恒。在没有外中子源的情况下， 核燃料内部的中子扩散方程为（我们假定只有快群中子参与反应）：V 2 （r） +

5、 B 2 （r） = 0）c c c （2）在反射层内部，中子扩散方程为：V2 （r） - k 2 （r） = 0r r r（3）在核燃料与反射层的边界面上，必有中子通量相等，中子泄露量相等，边界条件：c(r) =r(r)(4)lim L0XlGsn/s&0fthA-S20HMtVLDX1Cjd/jlPQDh協国&xlemGENIE 16GTKMeV10X10n?a4bOQh俄賢航AU-EUSSIAIMO013M MeVL6XOwn/5IMINSTITUTE OFINfrl?讥XI呗沖DhAUTOMATICS RFMlNArOM瓠国EADS公弓FSUG】UMArLfX10(Vi1000011西

6、堂石抽勒袈仅器MZ&DUMtVSP0Xln?510flh总厂MZ30-A14MtV3Wh家北碗如NGW751HM?VLoxitv-s*00h5.2 自己研发的产品如果买不到成品，或者不合要求，也可以自己来组装一个，并且投产后还可以产生经济效益，下面来介绍一种目前通用的高效中子管 图片来自文献【10】：圏：中子曽结构囹Fig. 1 Structural 且rawing of the neutron 3ibc:朝、2 -陶瓷竹一炳辿电械 曲曲即機拓 -离产漁阳扱江-掘块卅一补偿品 绝嫌陶逐.主要由1. 空腔penning离子源2.加速电极3.锆-石墨储氘器4.铜-钛靶5.真空陶瓷外壳6.高压电源控

7、制系统，等6个主要部分组成，目前美国最先进的中子管产额可稳定达到10/S，而我们因为材料与真 空工艺的原因，目标定在10101/s也能凑合用了。设计并制造一个精密的电子产品并非易事，我们可以根据已有的 产品与理论来优化细节，尽量少走弯路，节省投资。一种可靠的中子管结构图如下：为了跟我们所设计的核弹相匹配，离子源的阳极为014mm的钼 电极筒，靠末端是空腔钼阴极，其中空腔结构为：2mmX10mm的凹槽， 这种结构可以增大轴线处等离子体密度。参考文献【11】，靠近加速 极的是对阴极，中间开一 4mm的孔，两极间距为2mm，极间用绝缘子 绝缘。外面分别用绝缘子固定在0 17mm的可伐金属筒上，再把可

8、伐 金属筒与1.5mm厚的氧化铝陶瓷外壳焊接在一起，这样做的好处是将 强磁场限制在筒内，并加强了结构强度。0.5T的强磁场由两块钐钻 镍永磁体提供，在200以内场强稳定。气压控制装置与储氘器相整 合，工作时用一根钨灯丝加热，功率为5V，6A。靶做成顶角为120 的圆锥以增加聚变反应面积，靶基为无氧铜,靶膜为0.740.78mg/cm2 的钛靶，采用电子枪蒸镀工艺制成。平时管内压强为10-5Pa，工作 时为 10-3Pa。5.2.1 中子管高压电源系统【12】中子管电路共需要三路电源，5KV/20mA的离子源电源，5V/6A的 灯丝电源，以与200KV/5mA的靶极电源。在这里，我们可以直接购买

9、 市场成品然后组装起来，为了便于核弹的机动部署，整枚核弹用高能 电池组统一供电，通过逆变器与开关电源转换后提供给其他用电部门 需要注意的是，中子管高压电极开启时间应设定在常规炸药点火后 5.35X10-5秒。例如：天津东文高压厂的高压电源模块可以稳定达到 5KV，20mA的技术条件，有民用，工业，军品三种型号可选择，模块外形如图：5.3 电子雷管与手机遥控装置下面我们来确定电子雷管与手机遥控开关，为了降低设计成本， 直接采购市场成品。电子雷管是国际上成熟发展并逐渐走向普与应用的一种先进的 引爆产品，目前仍有较大发展潜力，与传统的延时火药雷管相比，具 有安全性高，误爆率低达10T2，定时精度可达

10、0.1ms，拥有不可替 代的优势，电子雷管的基本原理如图【14】：从开关稳压电源上接一路15VDC电线给控制器储能电容C1与起 爆储能电容C2充电，C2采用一个68uf/50V的陶瓷电容，在已充电 情况下，当单片机判断起爆器传来“起爆”脉冲信号时，即启动K3, 引爆雷管，K3采用一个装有两级反相器驱动的MOS-FET物理开关, 可高效迅速地将电容C2中的能量导入点火桥丝。为方便起见，我们可购买现有产品加以适当改装。例如：日本旭化成工业公司在二十世纪八十年代开发的EDD高精 度电子雷管，示意图如下:ITidiu的 LLChiKi瞬发电子藩曾电子定时器5.32 手机遥控电路手机遥控开关作为核弹的总

11、开关，要求在宇宙中任何一个有手机信号覆盖的城市均能遥控起动核弹引爆程序，手机遥控器可选用国内某公司相关产品，外型与参数如图：这样，通过将上述部件组装在一起，一枚绝对可以起爆的低成本 高效率的核弹就诞生了，希望能对大家有所帮助：) 参考文献1. 阎昌琪.核反应堆工程.哈尔滨工程大学出版社.20042. 黄祖洽.核反应堆中子动力学基础.北京大学出版社.20073. 韩银录.中子与裂变核238U反应双微分截面的理论分析.期刊 论文.2004.28(2)4. 朱士尧.核聚变原理.中国科学技术大学出版社.19925. 蔡章生.核动力反应堆中子动力学.国防工业出版社.20056. n.n.OP刀EHKO.

12、Explosion Physics.M3MAT刀 HT.2002.7. 孙承纬.多级炸药爆轰驱动技术的Gurney模型优化分析.期刊 论文.2004.24(4)8. 孙承纬.平面二级炸药强暴轰驱动装置的优化设计 .期刊论 文.2009.23(2)9. 赵锋，炸药强爆轰驱动高速飞片的实验与理论研究.200510. 王启新.强度为2.5X109中子管的研制.期刊论文.1993.27(3)11刀.M夏宁.等离子体发射带电粒子束源.国防工业出版社.200012. 杨喜峰.便携式1010 中子发生器电路的研制.200413. 韩秀凤.对炸药驱动飞片速度的理论计算方法与评价 .期刊论 文.2005.28(1)14. 刘星.几种典型电子雷管简介.期刊论文.2003.1215. 炸药爆炸理论。哈恩发现了核裂变反应至今已过去 68 个年头你在图书馆，正凝视着书上的字母我却在一旁计算你嘴边弧线的方程，聚变、裂变、散射、俘获，那是谁的发现我像孤独的中微子，已在银河中穿梭了几十万光年加速器加速了我的心跳离心机分解了我的梦想思念像链式反应般蔓延当时空已经被电离聚变就是你我唯一的宿命我给你的爱写在核弹发射之前想不起几个世纪前造成了穿越只因无力看见你离去的身影我眼底的等离子体燃起了火焰却无法击穿灰色的空气，吻上你冰冷的阴极