热核武器

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May 21, 2022

热核武器(氢弹)是一种核武器,其破坏力是基于利用轻元素核聚变反应为较重元素的能量(例如,一个氦原子核的聚变)来自两个氘原子核的原子),其中释放能量。热核武器具有与核武器相同的破坏因素,具有更高的爆炸威力(理论上仅受可用部件数量的限制)。应该指出的是,经常提到的关于热核爆炸的放射性污染比原子爆炸的放射性污染要弱得多的说法涉及聚变反应,这些反应仅与更“肮脏”的裂变反应结合使用。出现在英文文献中的“清洁武器”一词,到 1970 年代末停止使用。事实上,这完全取决于特定产品中使用的反应类型。因此,将铀 238 中的元素纳入热核电荷(在这种情况下,铀 238 在快中子的作用下使用裂变并产生放射性碎片;中子本身产生感应放射性)使得显着(向上)成为可能到 5 倍)增加总爆炸威力,并显着(增加 5 到 10 倍)增加放射性沉降物的量。中子本身产生感应放射性)可以显着(最多 5 倍)增加爆炸的整体功率并显着(5-10 倍)增加放射性沉降量。中子本身产生感应放射性)可以显着(最多 5 倍)增加爆炸的整体功率并显着(5-10 倍)增加放射性沉降量。

一般描述

可以使用液态氘或压缩气体制造热核爆炸装置。但是,热核武器的出现只能归功于一种氢化锂 - 氘化锂 6。这是重氢同位素氘和锂同位素的化合物,质量数为 6。 氘化锂 6 是一种固体,可让您在正常条件下储存氘(在正常条件下其正常状态为气体) ,此外,它的第二个成分是锂-6,是生产最稀缺的氢同位素——氚的原料。实际上,6Li 是氚生产的唯一工业来源:3 6 Li + 0 1 n → 1 3 H + 2 4 He + E 1 。 {\displaystyle {}_{3}^{6}\mathrm {Li} +{}_{0}^{1}n\to {}_{1}^{3}\mathrm {H} +{} _{2}^{4}\mathrm {He} +E_{1}。} 在快中子辐照下,热核装置中的氘化锂 6 会发生同样的反应;释放的能量 E1 为 4.784 MeV。形成的氚 (3H) 然后与氘反应,释放出 17.59 MeV 的能量 E2:1 3 H + 1 2 H → 2 4 He + 0 1 n + E 2 , {\displaystyle {}_{1}^{3}\mathrm {H} +{}_{1}^{2}\ mathrm {H} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}n+E_{2},} 此外,形成动能至少为 14.1 MeV 的中子,它可以再次引发锂 6 的另一个核上的第一反应,或引起壳或活化剂中重铀或钚核的裂变,发射数个更快的中子。在美国早期的热核弹药中,也使用了天然氘化锂,主要含有质量数为7的锂同位素。它也作为氚的来源,但为此参与反应的中子必须具有能量10 MeV 及更高:反应 n + 7Li → 3H + 4He + n - 2.467 MeV 是吸热的,吸收能量。根据特勒-乌拉姆原理运行的热核弹由两个阶段组成:激活器和装有热核燃料的容器。活化剂是一个小型钚核装药,带有一个容量为几千吨的助推裂变武器。活化剂的目的是为引发热核反应创造必要的条件——高温和高压。装有热核燃料的容器是炸弹的主要元件。在它里面是一个热核燃料——锂-6 氘化物——和一个沿着容器轴线的钚棒,它扮演着热核反应的导火索的角色。容器的外壳可以由铀 238(一种在聚变反应期间释放的快中子(> 0.5 MeV)的影响下发生裂变的物质)和铅制成。容器覆盖有一层中子吸收剂(硼化合物),以防止聚变燃料在活化剂爆炸后被中子通量过早加热。位于同轴位置的活化剂和容器填充有特殊塑料,可将辐射从活化剂传导至容器,并放置在钢或铝制成的弹体中。第二级可能不是以圆柱体的形式制成的,但以球体的形式。工作原理是相同的,但不是使用钚点火棒,而是使用钚空心球,位于内部并散布着氘化锂 6 层。球形第二级炸弹的核试验显示出比圆柱形第二级炸弹更高的效率。当激活剂爆炸时,80% 的能量以强大的软 X 射线辐射脉冲的形式释放,并被吸收由第二级外壳和塑料填料组成,在高压下变成高温等离子体。由于铀/铅壳的急剧加热,壳材料发生烧蚀并出现喷射推力,这与光和等离子体的压力一起压缩第二级。与此同时,它的体积减少了数千倍,热核燃料加热到极高的温度。然而,压力和温度仍然不足以开始热核反应,必要条件的创造由钚棒提供,由于压缩,它进入超临界状态 - 核反应在容器内开始。作为钚核裂变的结果,钚棒发射的中子与锂 6 的核相互作用,产生氚,然后与氘相互作用。如果容器壳是由天然铀制成的,那么快中子,作为聚变反应的结果形成,引起其中铀 238 原子的裂变反应,将它们的能量添加到爆炸的总能量中。以类似的方式,产生了几乎无限能量的热核爆炸,因为其他氘化锂层和铀 238(粉扑)层可以位于外壳后面。

弹药种类

热核装药既以空气炸弹(自由落体)的形式存在,也以弹道导弹和巡航导弹的弹头、鱼雷装填舱、深水雷和底水雷的形式存在。

历史

1952 年 11 月 1 日,美国在埃内韦托克环礁上引爆了世界上第一个特勒-乌拉姆热核装药。 1953年8月12日早上7点30分,苏联在塞米巴拉金斯克试验场,世界上第一颗氢弹按照“喷气”方案引爆,并制成飞机炸弹——苏联RDS-6。 1952年美国测试的装置实际上并不是炸弹,而是实验室样品,一种“装满液态氘的三层楼房”,以特殊结构的形式制成。另一方面,苏联科学家正是研制出这种炸弹——一种适合实际军事用途的完整装置。 1954 年 3 月 1 日,在布拉沃城堡的测试中,美国引爆了根据泰勒-乌拉姆计划组装的炸弹。苏联于 1955 年 11 月 22 日按照同样的方案测试了 RDS-37 炸弹。有史以来引爆的最大的氢弹是苏联的 58 兆吨“沙皇炸弹”,于 1961 年 10 月 30 日在新地岛群岛靶场引爆。尼基塔·赫鲁晓夫随后公开开玩笑说,它原本应该引爆一颗 100 兆吨的炸弹,但减少了装药量,“以免打破莫斯科的所有玻璃”。从结构上讲,这颗炸弹确实是为 100 兆吨设计的,这种威力可以通过用铀弹替换铅弹来实现。炸弹是在新地岛试验场上空 4000 米处引爆的。爆炸后的冲击波环绕地球三圈。尽管测试成功,但炸弹并未投入使用。尽管如此,超级炸弹的制造和试验具有重大的政治意义,表明苏联已经解决了几乎达到任何级别的核武库的问题。

美国

核聚变炸弹的想法是恩里科·费米在 1941 年秋天,也就是曼哈顿计划开始时,向他的同事爱德华·泰勒提出的。在曼哈顿计划期间,泰勒将他的大部分工作都投入到了聚变炸弹项目上,而在某种程度上忽略了原子弹本身。他在讨论问题时对困难的关注和“魔鬼代言人”的立场迫使奥本海默将泰勒和其他“有问题的”物理学家站在一边。 Teller 的员工 Stanislav Ulam 为实现合成项目迈出了第一个重要的概念性步骤。为了启动热核聚变,乌拉姆提出在开始加热之前先压缩热核燃料,利用初级裂变反应的因素,并将热核装药与炸弹的主要核部件分开放置。这些提议使得将热核武器的发展转化为实用飞机成为可能。基于此,特勒提出,一次爆炸产生的 X 射线和伽马射线可以将足够的能量传递给位于与一次爆炸相同的壳中的二次组件,以实现足够的内爆(压缩)并引发热核反应。泰勒、他的支持者和反对者后来讨论了乌拉姆对这种机制背后的理论的贡献。 1951年,以“温室行动”的总名进行了一系列试验,解决了核装药小型化和功率增加的问题。该系列中的其中一项测试是代号为“乔治”的爆炸,其中引爆了一个实验装置,这是一个环面形式的核电荷,中心放置了少量液态氢。爆炸威力的主要部分正是通过氢聚变获得的,这在实践中证实了两级装置的一般概念。 1952 年 11 月 1 日,在马绍尔群岛的埃内韦托克环礁,以 Ivy Mike 的名义对全尺寸的 Teller-Ulam 两级装置进行了测试。爆炸威力为 10.4 兆吨,是 1945 年在日本长崎市投下的炸弹威力的 450 倍。该装置总质量为 62 吨,包括一个装有液态氘和氚混合物的低温容器,以及位于顶部的常规核装药。钚棒穿过低温容器的中心,用作热核反应的“火花塞”。装药的两个组成部分都放置在一个重 4.5 吨的普通铀壳中,里面装满了聚乙烯泡沫,起到了从初级装药到次级装药的 X 射线和伽马辐射导体的作用。液态氢同位素混合物在热核弹药方面没有实际应用,热核武器发展的后续进展与固体燃料——氘化锂 6 的使用有关。 1954 年,在“城堡行动”系列的 Bravo 测试期间,当代号为“虾”的设备爆炸时,这一概念在比基尼环礁进行了测试。该装置中的聚变燃料是 40% 的锂-6 氘化物和 60% 的锂-7 氘化物的混合物。计算表明锂7不会参与反应,但一些开发人员怀疑这种可能性,预计爆炸威力将增加20%。事实证明要戏剧化得多:估计容量为 6 兆吨,实际为 15 兆吨,而这次测试是美国有史以来最强大的爆炸。很快,美国热核武器的发展指向小型化的泰勒-乌拉姆设计,它可以装备洲际弹道导弹(ICBM)和潜艇弹道导弹(SLBM)。到1960年,部署在潜艇上的W47百万吨级弹头被采用,配备北极星弹道导弹。弹头的质量为320公斤,直径为50厘米,后来的测试表明安装在北极星导弹上的弹头可靠性低,需要对其进行改装。到 1970 年代中期,根据 Teller-Ulam 计划的新型弹头小型化使得可以在 MIRV 弹头的尺寸中放置 10 个或更多弹头。

苏联

苏联第一个热核装置项目类似于一个膨化蛋糕,与之相关的代号为“Sloika”。该项目由 Andrei Sakharov 和 Yuli Khariton 于 1949 年(甚至在第一颗苏联核弹试验之前)开发,其装药配置与现在已知的单独的 Teller-Ulam 计划不同。在充电过程中,裂变材料层与聚变燃料层交替——氘化锂与氚混合(“萨哈罗夫的第一个想法”)。根据 Teller-Ulam 方案,位于裂变装药周围的聚变装药的倍增系数比现代设备低 30 倍。 “Sloika”类型的第一台设备 RDS-6s 于 1953 年进行测试,在西方获得名称“Joe-4”。爆炸威力相当于400千吨,效率为15-20%。计算结果显示未反应物质的散射阻止了超过 750 千吨的功率增加。美国在 1952 年 11 月对伊布迈克进行了测试,证明了制造百万吨级炸弹的可能性后,苏联开始开发另一个项目。正如安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)在回忆录中提到的那样,“第二个想法”是由哈里顿在 1948 年 11 月提出的,并提议在炸弹中使用氘化锂,当受到中子的照射时,会形成氚并释放出氘。 1953 年底,物理学家 Viktor Davidenko 提议将初级(裂变)和次级(聚变)电荷放在不同的体积中,从而重复了 Teller-Ulam 方案。 1953 年,Frank-Kamenetsky、Trutnev、Sakharov 和 Zeldovich 提出并发展了下一个重大步骤。即“49计划”完成,假设利用裂变反应产生的X射线在聚变前压缩氘化锂,即产生了辐射内爆的想法。萨哈罗夫的“第三个想法”在 1955 年 11 月容量为 1.6 兆吨的 RDS-37 的测试中得到了验证。这一想法的进一步发展证实了对热核电荷功率的基本限制实际上不存在。苏联在 1961 年 10 月的试验中证明了这一点,当时由 Tu-95 轰炸机投送的 58 兆吨炸弹(“强大的”产品)在新地岛引爆。热核反应释放了设备 97% 的能量(这是所有测试设备的最大值)。在原始版本中,假设功率为 100 Mt,其中约 50% 是热核反应的结果,和 50% - 由于 238U 在贫铀壳中被第一阶段的中子裂变(所谓的“杰基尔-海德反应”)。然而,这个选项被拒绝了,因为它会导致裂变碎片对垃圾填埋场的严重污染,铀壳被替换为铅壳。它是地球上有史以来开发和测试的最强大的爆炸装置。

大不列颠

在英国,热核武器开发始于 1954 年在奥尔德马斯顿,由威廉彭尼爵士领导的一个小组开始,他曾参与美国曼哈顿计划。总的来说,英方对热核问题的认识还处于萌芽阶段,因为美国没有分享信息,引用了 1946 年的《原子能法案》。尽管如此,英国还是被允许进行观察,他们在美国核试验期间使用这架飞机取样,这提供了有关辐射内爆二级阶段获得的核反应产物的信息。由于这些困难,英国首相安东尼·伊登在 1955 年同意了一项秘密计划,在 Aldermaston 项目失败或实施大延误的情况下,为开发非常强大的原子弹做准备。 1957 年,英国在太平洋的圣诞岛进行了一系列试验,总称“格斗行动”(Operation Skirmish)。第一个,以“短花岗岩”(脆性花岗岩)的名义,测试了一个容量约为 300 千吨的实验热核装置,结果证明它比苏联和美国的同行弱得多。然而,英国政府宣布成功测试热核装置。橙色先驱试验引爆了一枚先进的 700 千吨原子弹,这是地球上有史以来最强大的原子弹(非热核)。几乎所有测试的目击者(包括飞机的机组人员、谁投下它)相信这是一颗热核弹。事实证明,这枚炸弹的制造成本太高,因为它包括重达 117 公斤的钚装药,当时英国的钚年产量为 120 公斤。该炸弹的另一个样本在第三次试验中被引爆——“紫色花岗岩”(Purple Granite),其当量约为 150 千吨。 1957 年 9 月,进行了第二系列测试。第一次在 11 月 8 日进行的名为“Grapple X Round C”的测试中,引爆了具有更强大裂变装药和更简单聚变装药的两级装置。爆炸威力约为1.8兆吨。 1958 年 4 月 28 日,在 Grapple Y 试验期间,一枚 3 兆吨重的炸弹,英国最强大的热核装置,在圣诞岛上空投下。1958 年 9 月 2 日,一种名为“Grapple Y”的轻型装置被引爆,其容量约为 1.2 兆吨。 1958 年 9 月 11 日,在名为 Halliard 1 的最后一次试验中,一个容量约为 800 千吨的三级装置被引爆。美国观察员被邀请参加这些测试。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展了核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。其容量约为 1.2 兆吨。 1958 年 9 月 11 日,在名为 Halliard 1 的最后一次试验中,一个容量约为 800 千吨的三级装置被引爆。美国观察员被邀请参加这些测试。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展了核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。其容量约为 1.2 兆吨。 1958 年 9 月 11 日,在名为 Halliard 1 的最后一次试验中,引爆了容量约为 800 千吨的三级装置。美国观察员被邀请参加这些测试。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。1958 年 9 月 11 日,在名为 Halliard 1 的最后一次试验中,引爆了容量约为 800 千吨的三级装置。美国观察员被邀请参加这些测试。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。1958 年 9 月 11 日,在名为 Halliard 1 的最后一次试验中,引爆了容量约为 800 千吨的三级装置。美国观察员被邀请参加这些测试。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。在百万吨级装置成功爆炸(证实了英方根据泰勒-乌拉姆计划独立制造炸弹的能力)后,美国与英国开展核合作,并于1958年达成了一项联合协议。核武器的发展。英国人没有开发自己的项目,而是获得了美国小型 Mk 28 弹头项目的机会,并有能力复制它们。

中国

中华人民共和国于 1967 年 6 月测试了第一台 3.36 兆吨特勒-乌拉姆热核装置(也称为 6 号测试)。该试验是在中国第一颗原子弹爆炸后仅32个月进行的,这是国家核计划从裂变到聚变发展最快的一个例子。

法国

在 1968 年 8 月的 Canopus 测试中,法国引爆了一个容量约为 2.6 兆吨的 Teller-Ulam 热核装置。关于法语项目的发展[对谁?]知之甚少。

北朝鲜

2015 年 12 月,TsTAK 散发了朝鲜元首金正恩的声明,他宣布平壤拥有自己的氢弹。 2016年1月,朝鲜成功试爆氢弹,并在朝鲜中央电视台播出。早些时候,来自多个国家的地震学家报告了引发核试验的地震。 2017 年 9 月 3 日,朝鲜宣布存在可用作洲际导弹弹头的热核装药。同一天,朝鲜试爆了一枚炸弹,据日本地震学家称,其爆炸威力高达100千吨。 9月12日,美国约翰霍普金斯大学专家评估了9月3日在朝鲜试射的核电荷的威力,根据他们的估计,这相当于 250 千吨 TNT。

热核弹药事件

美国,1958 年

1958 年 2 月 5 日,一架 B-47 轰炸机和一架 F-86 战斗机在泰碧岛上空相撞 - 美国佐治亚州海岸上空的一次飞机事故,导致战斗机丢失,轰炸机机组人员不得不不小心将 Mark 15 氢弹丢入海洋。未找到;据信,它位于度假小镇泰碧岛以南的瓦索湾底部。

西班牙,1966

1966 年 1 月 17 日,一架美国 B-52 轰炸机在西班牙上空与一架加油机相撞,造成 7 人死亡。在飞机上的四颗热核弹中,三颗立即被发现,一颗经过两个月的搜索。

格陵兰,1968

1968 年 1 月 21 日,一架 B-52 飞机于欧洲中部时间 21 点 40 从普拉茨堡(纽约)机场起飞,坠毁在距离美国空军图勒空军基地 15 公里的北极星湾(格陵兰)的冰壳上。飞机上有 4 颗热核弹。火灾导致了轰炸机服役的所有四颗原子弹的辅助炸药爆炸,但没有直接导致核装置爆炸,因为机组人员没有将它们置于警戒状态。 700 多名丹麦平民和美国军事人员在没有个人防护设备的危险条件下工作,消除了放射性污染。 1987 年,近 200 名丹麦工人试图起诉美国,但未成功。但是,美国当局根据《信息自由法》发布了一些信息。但丹麦国家辐射卫生研究所首席顾问 Kaare Ubak 表示,丹麦仔细研究了图拉工人的健康状况,没有发现死亡或癌症增加的证据。五角大楼公布的信息表明,所有四枚核弹头都已被发现并销毁。但在 2008 年 11 月,BBC 专栏作家戈登·科雷拉 (Gordon Corera) 根据对解密文件的分析提出,与五角大楼的说法相反,第四颗原子弹可能没有被摧毁,而是因灾难而丢失,目标在水下1968 年的工作是她的搜索。这个故事在各国媒体上广为传播。丹麦外交部长 Per Stig Möller 指示丹麦国际关系研究所对记者拥有的解密文件进行独立分析。该报告于 2009 年发布。它说:“我们已经证明,在坠机后的爆炸中,有四颗核弹被摧毁。这个就不讨论了,我们可以给出一个明确的答案:没有炸弹,没有炸弹,美国人也不是在找炸弹。”而美国人并不是在寻找炸弹。”而美国人并不是在寻找炸弹。”

美国,2007

2007年8月29日,北达科他州迈诺特空军基地的一架B-52H轰炸机错误地安装了6枚带有热核弹头的AGM-129 ACM巡航导弹(可变功率5-150节的W80弹头),并被送往路易斯安那州的巴克斯代尔空军基地。导弹上存在核弹头的事实是偶然的,仅在 36 小时后就知道了。在迈诺特装载并抵达巴克斯代尔后,飞机大约有一天没有人看守。该事件成为美国轰动一时的丑闻、空军多位辞职和美国战略核力量管理重组的起因。

纯热核武器

一种理论上可能的热核武器类型,其中在不使用核活化剂的情况下创造了开始热核聚变反应的条件。因此,纯热核弹根本不包括衰变材料,也不会造成长期放射性损害。由于启动所需规模的热核反应的技术复杂性,目前实际上不可能制造出尺寸和重量合理的清洁热核弹药。需要注意的是,斯涅任斯克研制出了最纯的和平用核装药,其中99.85%的能量是通过轻元素核的合成获得的,即裂变反应仅占总量的1/700的能量。

注释(编辑)

评论来源

文学

理查德·罗德斯。暗太阳:氢弹的制造。- 西蒙和舒斯特,1995 年 .-- 736 页 - ISBN 068480400X。(英文)爱德华·泰勒。回忆录:二十世纪的科学与政治之旅。- 珀尔修斯出版社,2001 年 .-- 628 页。- ISBN 073820532X。(英文)Andryushin I.A.、Chernyshev A.K.、Yudin Yu.A. 驯服内核。- 萨兰斯克:红色十月,2003 年 .-- 481 页。- ISBN 5-7493-0621-6。(从 07-02-2015 [2463 天] 开始无法访问链接 - 历史,副本)Anne C. Fitzpatrick。点燃轻元素:洛斯阿拉莫斯热核武器项目,1942-1952。- BiblioScholar,2013 年 .-- 344 页。- ISBN 128882498X。(英语)

链接

常春藤行动,1952 年马绍尔群岛 Enevetak 环礁常春藤迈克 // Zbroynik: Christensen SA The Marshal's Baton 网站。没有炸弹,没有炸弹,他们不是在寻找炸弹:DIIS 关于 1968 年格陵兰图勒空军基地附近 B-52 轰炸机坠毁的报告:[拱。2011 年 8 月 22 日] / Svend Aage Christensen // 丹麦国际研究所 (DIIS):网站。- 2009 .-- 8 月 3 日。(无法访问的链接从 07-02-2015 [2463 天] - 历史,复制)