原子弹

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原子弹又称裂变弹英语:Atomic bomb[1],是一种利用原理制成的核武器。由美国最先研制成功,具有极强的破坏力,在爆炸的同时会放出强烈的核辐射,危害生物和非生物组织。第一个裂变(原子弹)试爆释放出的能量为约20,000吨TNT(见三位一体核试爆)的相同的当量。第一个热核(氢弹)试爆释放相同的能量为10,000,000吨TNT的当量。

原子弹原理及其结构

原子弹爆炸原理

235U 原子核的一种裂变过程

原子弹是利用等较容易裂变的 重原子核在核裂变瞬间可以发出巨大能量的原理而发生爆炸的[1]

铀-235钚-239此类重原子核在中子的轰击后,通常会分裂变成两个中等质量的核[1],同时再放出2到3个中子和200兆电子伏的能量[1]。在裂变中放出的中子,一些在裂变系统中损耗了,而一些则继续进行重核裂变(继续轰击重原子核)反应[1]。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多余一个(即中子的 增值系数大于1),那么核裂变即可以继续进行,一次一次的反应后,裂变出的中子总数以指数形式增长[1],而产生的能量也随之剧增。如果不加控制,最终,这个裂变系统会变为一个剧烈的链式裂变反应[1]

在此类重核裂变反应中,系统可以在极短的时间内释放出大量的能量[2]。当“下一代”中子数定位两个时,在不到一微秒的时间内,一千克的铀或鈈中会有24个原子核发生裂变反应[1],而就在这不到一微秒的时间内,此反应所产生出能量相当于2万吨TNT当量[1]。这也是原子弹那极具破坏性威力的来源。

而在原子弹的实际使用及爆炸中,需要提高爆炸的威力,为了利用“快中子裂变体系”,需要使用高浓度的裂变物质作为装药[3],同时装药量必须远远超过临界质量,使得中子的增值系数远远大于一[3]

原子弹结构及其装药

原子弹是由引爆控制系统,高能炸药,反射层,含有核装料的核部件,中子源及弹壳所组成[3]

高能炸药

高能炸药是推动和压缩反射层以及核装料的能量来源[3]

反射层

反射层一般由铍或铀-238组成,其作用为反射链式反应中射出反应系统的中子,使其回到反应过程中继续参与链式反应[3]

铀-238不止可以反射中子,因为其密度较大,可以减缓核装料在释放能量过程中的膨胀,使得链式反应可以维持较长时间[3]

核装料

现在,能够大量得到且可以使用于原子弹的装药有 铀-233,铀-235鈈-239铀235里面有钚239, 钍232里面有铀233[3]

核装药为原子弹引爆的主体,只有它的体积或质量超过一定的临界值,原子弹才可能发生爆炸[3]

原子弹类型

根据原子弹的引发机制的不同,原子弹可分为“枪式”和“收聚式(内爆式)”两种[4]。现代原子弹通常综合了这两种结构的特点,以提高核装药的利用率和增强破坏力。

原子弹的两种引发装置

枪式原子弹

枪式原子弹内,两块皆小于临界体积的半球形的裂物质分开一定距离放置[4],中子源置于两瓣裂物质中间[4]。在核装药的球面上包裹了一层反射中子的材料(反射中子,提高链式反应效率),而中子反射层外是高速炸药、传爆药以及雷管[4]。雷管再与起爆器相连,起爆器能够自动的起爆炸药[4]

在起爆原子弹时,两块半球形裂变物质在炸药的轰击下迅速压缩为一个扁球形,即刻即达到超临界状态[4]。中子源此时释放出大量的中子参与到链式反应中,使得裂变物质在极短的时间内释放出巨大的能量,最终使得原子弹起爆[4]

收聚式原子弹

收聚式原子弹与枪式原子弹不同,普通的烈性炸药被制成球形装置,并且把多个小于临界体积的核装药制成小球置于炸药球当中[4]

炸药起爆时,核装药小球被迅速压紧超过临界体积并起爆原子弹[4],收聚式原子弹的结构较为复杂,但是装药利用率高,破坏性大[4]

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