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强化裂变武器

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常春藤麦克核试验

强化裂变武器（英语：Boosted fission weapon）通常是指一种使用少量核聚变材料以增加裂变材料的裂变速率和爆炸当量的核武器。在核聚变期间释放的中子，参与核裂变过程，使更多的裂变材料进行裂变。让弹芯在爆炸解体前，有更多的裂变材料在上述的过程中发生裂变，裂变材料的裂变率因而能够大大提升。核聚变（核聚变）过程自身只增加了很少的能量，大约1%。[1]

强化裂变武器的一种含义是一种过时的单段式核武器，它使用大规模热核聚变来产生快中子，导致贫铀发生裂变，但它不是二段式热核武器。这类型的核武器被爱德华·泰勒称为"Alarm Clock"，而安德烈·德米特里耶维奇·沙哈诺夫称为"Sloika"或"Layer Cake"（据了解，他们俩是独立发展强化裂变武器的）。[2]

发展

强化裂变武器的计划起初在1947年末和1949年末，洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的。[3]强化裂变武器的主要益处是可以进一步将核武器小型化，因为它在临界质量（爆炸）导致自身解体前，给快中子提供一个突然的涌集，减少超临界爆炸所需的最小惯性约束时间。这取消了铝填层（英语: aluminum pusher）和铀包覆聚变芯（英语: uranium tamper）的需要，以及将它们和裂变材料挤压至超临界状态所需的炸药。虽然笨重的胖子原子弹的直径为5英尺（1.5m）并需要3吨重的高爆炸药作内爆之用，但可以在小型核弹头（例如W88）上安装强化裂变基本组件，以启动次级核弹（该核武器由两种核弹组成，分为初级和次级）。

现代核武器中的气体强化

在裂变弹中，常规炸药爆炸，快速地将裂变材料“组装”在一起，以达到超临界质量。在这个状态中，裂变材料的原子核会发生裂变，释出中子，这些中子亦会导致其他原子核发生裂变，也会释出中子，导致链式反应。在炸弹爆炸解体前，这反应最多消耗20%的核燃料，在不在理想条件的情况下，它的效率也可能会更低，如小男孩原子弹（枪式设计）和胖子原子弹（内爆式设计），其效率分别仅为1.38%和13%。

强化裂变武器利用氚气和氘气来实现其目的。在某些情况下也使用了固体氚化-氘化锂，但气体的灵活性更高（可在存储在外部），气体可注入至球形的裂变材料中央的中空空腔中，或注入至外层与“悬浮”（levitated）内芯之间。当有1%的裂变材料发生裂变时，其产生的温度足以发生核聚变/热核聚变（英语：Thermonuclear fusion）（英语: thermonuclear fusion），热核聚变会产生大量的中子，加快最后阶段的链式反应，约使其效率上升一倍。[需要解释]

氘-氚聚变产生的中子携有很大的能量，是核裂变产生的平均中子能量的7倍，[需要解释]会使裂变材料更有可能发生中子捕获，并导致其发生裂变。这是由于以下的几个原因:

  1. 当携有很大的能量中子轰击裂变材料的原子核时，更多的次级中子会在裂变过程中释放。（如钚-239裂变产生的平均中子数4.6 vs 2.9 ）
  2. 裂变截面在散射截面和捕获截面成正比的情况下更大。

综合以上条件，在钚（密度为19.8 g/cm3）中氘-氚聚变产生的中子的最大值，大约是平均裂变中子能量的8倍。（2.5×109 vs 3×108）

聚变增强（英语: Fusion boosting）的潜在贡献可以通过观察核聚变来感知，1摩尔氚（3克重）和1摩尔氘（2克重）完全聚变会产生1摩尔中子（1克重）（忽略逃逸损失和散射的中子），1摩尔中子可以直接使1摩尔钚（239克重）直接裂变，并产生4.6摩尔的次级中子，这些次级中子可以使另外4.6摩尔钚（1,099克重）裂变。这1,338克的钚在头两次裂变会释放相等于23[4]千吨TNT爆炸的能量（97 TJ），对于含有4.5公斤钚的炸弹（典型的小型裂变触发器，英语: Small fission trigger），其自身效率为29.7%。5克的聚变燃料聚变所释放的能量只是1,338克钚裂变的1.73%。因为链式反应可以在聚变增强和头两次裂变后继续进行，所以有可能达到更高的爆炸当量与效率。[5]

大多数现代核武器都是聚变强化裂变武器（英语: Fusion-boosted fission bombs）。

聚变反应进度通常在2-3千万开尔文时变得重要。当少于1%的裂变材料发生裂变（相等于数百吨TNT的爆炸当量）时，以非常低的效率达到此温度。即使中子在临界状态下存在，内爆式武器的设计仍可以达到以上的爆炸当量，因此聚变增强设计使可制造不受预爆影响的高效武器。消除预爆的风险是使用聚变强化一个非常重要的优点。现时，美国军械库中的每一种武器都是聚变增强设计。[5]

根据其中一个武器设计者所说，自1945年以来，裂变武器的效率显著提高了100倍，这主要归功于聚变增强设计。[6]

早期非分段热核武器设计

早期的热核武器设计，如Joe-4（英语：Joe 4），苏联"Layer Cake" （"Sloika", 俄文: Слойка），使用大量的聚变材料，以诱导贫铀中的铀-238原子发生裂变。这武器的弹芯由可裂变物质组成，它被一层氘化锂-6包围，而又被一层贫铀包围。一些设计（包括layer cake）有几层交替的氘化锂-6和贫铀层。苏联layer cake；没有制造的美国Alarm Clock（闹钟）设计；制造了，但没有进行试验的英国Green Bamboo（英语：Yellow_Sun_(nuclear_weapon)#Green_Bamboo）设计相似。

当这类核武器爆炸时，高浓缩铀或高浓缩钚的弹芯发生裂变，产生中子，有些会逃逸，有些会轰击锂-6的原子，产生氚。在弹芯内，裂变材料裂变所产生的温度下，氚与氘可以在没有高压（如太阳内的压力）的情况下进行热核聚变。氚和氘聚变会产生14MeV的中子，这远比链式反应开始时1MeV的中子高。这过程产生高能中子，而不是能量（虽然都有能量释放，但这不是主要目的，且相较于核裂变，聚变释放的能量较少），高能中子才是聚变增强的主要目的。这14MeV的中子轰击铀-238的原子核，会导致其裂变；在没有热核聚变产生高能中子的情况下，链式反应开始时1MeV的中子轰击铀-238原子核，很大可能只是被吸收，而不是裂变。这个裂变反应也会释放能量和中子，使原本的锂-6中产生更多氚，依此类推，形成一个持续的循环。铀-238裂变所释放的能量在核武器中十分有用，因为贫铀的远比高浓缩铀便宜，加上铀-238在没有被高能中子的轰击或变成钚-239前并不是可裂变物质，所以不会达到临界状态，因此不大可能造成灾难性事故。

这类型的热核武器有20%的能量是来自核聚变，其余的来自核裂变，这限制它们的爆炸当量在100万吨 （4 PJ）之下。Joe-4的爆炸当量为400千吨 （1.7PJ）。相比之下，一枚“真正”的氢弹，97%的能量是来自核聚变，其爆炸当量仅受核弹大小的限制。

气体强化核武器的维护

氚是一种放射性同位素，其半衰期为12.355年。它的主要衰变产物是氦-3，氦-3是其中一种中子俘获截面最大的核素。因此，该武器需要定期更换氚和清除氦-3。因为任何在该武器氚源中的氦-3是中子毒物，它会吸收可能与裂变材料的原子核撞击的中子。[7]

氚的生产相对较贵，因为每一个氚核（氚的原子核）的产生需要至少1颗自由中子轰击原材料（锂-6，氘或氦-3）。实际上，中子会在过程中逃逸、损失或未能成功撞击，每个氚核都需要约2颗自由中子（加上氚会立刻开始衰变，所以氚会在生产设施收集、储存、运输到武器的过程期间损失）。自由中子的产生需要专门生产氚的中子增殖反应堆或粒子加速器（带有散裂标靶，英语: Spallation target）等设施。[8][9]

参见

参考资料

  1. ^ "Facts about Nuclear Weapons: Boosted Fission Weapons", Indian Scientists Against Nuclear Weapons 互联网档案馆的存档，存档日期July 8, 2008，.
  2. ^ Rhodes, Richard. Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb. 西蒙与舒斯特. 1995-08-01. ISBN 978-0-68-480400-2. LCCN 95011070. OCLC 456652278. OL 7720934M. Wikidata Q105755363 –通过Internet Archive （英语）. 
  3. ^ Bethe, Hans A. Chuck Hansen , 编. Memorandum on the History Of Thermonuclear Program. Federation of American Scientists. 28 May 1952 [19 May 2010]. （原始内容存档于2017-12-14）. 
  4. ^ Nuclear Weapon Archive: 12.0 Useful Tables. 
  5. ^ 5.0 5.1 Nuclear Weapon Archive: 4.3 Fission-Fusion Hybrid Weapons. 
  6. ^ Olivier Coutard. The Governance of Large Technical Systems. Taylor & Francis. 2002: 177 [2022-03-22]. ISBN 9780203016893. （原始内容存档于2022-03-22）. 
  7. ^ Section 6.3.1.2 Nuclear Materials Tritium. High Energy Weapons Archive FAQ. Carey Sublette. [June 7, 2016]. 
  8. ^ Section 6.3.1.2 Nuclear Materials Tritium. High Energy Weapons Archive FAQ. Carey Sublette. [June 7, 2016]. 
  9. ^ Section 4.3.1 Fusion Boosted Fission Weapons. High Energy Weapons Archive FAQ. Carey Sublette. [June 7, 2016]. 
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