【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(jiǎn)介】
〖2.2.1 純裂變武器Pure Fission Weapons〗
〖2.2.1.1 純裂變武器簡(jiǎn)介〗
純裂變武器是僅利用核裂變作為能量來(lái)源的核武器，其原理是通過(guò)化學(xué)炸藥爆炸，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)，繼而誘發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。具體來(lái)說(shuō)，在裂變反應(yīng)發(fā)生伊始，核裂變所釋放出來(lái)的中子會(huì)撞擊其臨近的鈾/钚原子核并使之發(fā)生裂變。由此，發(fā)生裂變的原子數(shù)量以指數(shù)的速度上升，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
人類史上第一個(gè)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、長(zhǎng)崎的“小男孩”和“胖子”也是純裂變武器，具體來(lái)說(shuō)，廣島的“小男孩”是槍式起爆的鈾裂變彈，而長(zhǎng)崎的“胖子”則為內(nèi)爆式起爆的钚裂變彈。（有關(guān)槍式起爆及內(nèi)爆式起爆的具體內(nèi)容會(huì)在下文展開）
純裂變武器是入門級(jí)核武器，也是進(jìn)一步研發(fā)其他任何一種核武器的基石。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(jí)，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。除聯(lián)合國(guó)五大常任理事國(guó)（五大流氓）外，以色列、印度、南非、巴基斯坦、朝鮮也被認(rèn)為是純裂變武器的擁有者。其中，以色列、南非是純裂變武器的疑似擁有國(guó)。
下圖即為三位一體核試驗(yàn)前的Gadget，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。但在介紹這兩種設(shè)計(jì)前，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(duì)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。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(lái)的。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。裂變材料的臨界質(zhì)量并不是固定不變的，相反，它會(huì)隨著核裂變材料性質(zhì)、幾何形狀以及密度的改變而改變。當(dāng)某種裂變材料的實(shí)際質(zhì)量低于臨界質(zhì)量，那么該裂變材料處于次臨界狀態(tài)；同理，當(dāng)其實(shí)際質(zhì)量高于甚至數(shù)倍于臨界質(zhì)量，那么該裂變材料則處于超臨界質(zhì)量。因此，通過(guò)改變核材料的幾何形狀及密度，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，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。
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，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(shí)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，但光獲得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)還不夠，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(shí)間內(nèi)，在裂變物質(zhì)四分五裂前，讓盡可能多的裂變材料參與反應(yīng)。因此，通常來(lái)說(shuō)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。也就是說(shuō)，“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(shuō)到，臨界質(zhì)量與材料本身形狀、密度、性質(zhì)有關(guān)，因此對(duì)裂變材料的密度形狀加以改變，其臨界質(zhì)量也會(huì)隨之改變。這里有一個(gè)關(guān)鍵概念，裂變材料的臨界質(zhì)量與其密度的平方呈反比。也就是說(shuō)，裂變材料裝量/質(zhì)量一定的前提下，其密度越大，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，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率也就相應(yīng)越高
所以，設(shè)計(jì)一種裂變材料密度可在極短時(shí)間內(nèi)被提高的武器結(jié)構(gòu)，就可以在極短時(shí)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，也就由此獲得極高反應(yīng)速率的。舉個(gè)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，我們就瞬間得到了接近4倍于臨界質(zhì)量的裂變材料。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(shí)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。而在裂變材料裝量/質(zhì)量一定的前提下，球狀裝料是最佳選擇。因此，采用球狀裝料的內(nèi)爆式設(shè)計(jì)成為后來(lái)有核國(guó)家以及擁核國(guó)家的主要發(fā)展方向。
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(jiǎn)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，由此使得裂變材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)。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”），另一塊則被制成半徑較小的實(shí)心圓柱體（“目標(biāo)”）。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。于是，兩塊次臨界裂變材料結(jié)合后，其有效密度大大提升，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?。纱藢?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，兩塊次臨界裂變材料結(jié)合后，其與臨界質(zhì)量的比值為3，也就是說(shuō)，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。
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”。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(huì)”。所以槍式設(shè)計(jì)有時(shí)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(gè)超臨界狀態(tài)裂變物質(zhì)球體。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)。
此外，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、在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)由“次臨界狀態(tài)”向“超臨界狀態(tài)”的跨越，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(dòng)作相對(duì)較慢，因此這就使得這種設(shè)計(jì)對(duì)裂變材料本身的性質(zhì)要求很高。一般而言，钚是不適宜應(yīng)用于槍式設(shè)計(jì)的，除非是純钚-239。然而要生產(chǎn)不含雜質(zhì)的純钚-239難度非常大，因此在技術(shù)遠(yuǎn)不如今天發(fā)達(dá)的半個(gè)多世紀(jì)前，槍式設(shè)計(jì)往往采用濃縮鈾，比如小男孩原子彈的裂變材料主體就是89%的鈾-235。
〖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(shuō)，小男孩原子彈是槍式裂變武器的代表，使用鈾-235作為其裂變材料。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，另一塊是作為“目標(biāo)”的實(shí)心柱狀物。中空的“彈丸”由39千克濃縮鈾構(gòu)成，直徑15.9厘米，長(zhǎng)17.8厘米。實(shí)心的“目標(biāo)”則由26千克濃縮鈾構(gòu)成?！皬椡琛奔印澳繕?biāo)”重64千克，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”，下方的紅色柱狀物即為“目標(biāo)”。
小男孩原子彈充當(dāng)“槍管”的管狀物直徑16.5厘米，總長(zhǎng)1.8米，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）、小男孩原子彈（下）對(duì)比圖，可以明顯看到，因?yàn)椤皹尮堋钡拇嬖冢∧泻⒌膹楏w更長(zhǎng)。
要解釋這槍管長(zhǎng)達(dá)1.8米的必要性，就需要引入“提前爆炸”這個(gè)概念。當(dāng)“彈丸”臨近“目標(biāo)”時(shí)，其有效密度不斷增大且開始接近或進(jìn)入超臨界狀態(tài)。假如“彈丸”速度不夠快，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(shí)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率還不高，但仍然不能排除提前爆炸的可能性。而如若發(fā)生提前爆炸，那么尚未完全接觸的“彈丸”和“目標(biāo)”就會(huì)被炸得四分五裂，使得裂變材料不能充分參與反應(yīng)，核武器的爆炸威力就會(huì)大大減弱。因此，如果要解決提前爆炸的問(wèn)題，就必須加長(zhǎng)“槍管”長(zhǎng)度，由此提高“彈丸”接觸“目標(biāo)”前的速度，爭(zhēng)取在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始前讓兩者充分接觸，避免提前爆炸的發(fā)生。但無(wú)疑，更長(zhǎng)的“槍管”意味著更加笨重的彈體，核彈投放難度也會(huì)隨之上升。下圖即為“提前爆炸”的示意圖：
