核弹研制技术（百年核武器2）

核弹研制技术（百年核武器2）　　核武器设计是一门经验科学，即使像美国这样已经做过1 054次核试验的核大国，也没有一套完全掌握和表达出来、并能依据它“克隆”核武器的定律和方程。核爆炸过程极其迅速，很难按时间历程一个时刻接一个时刻地测量，在许多情况下，科学家往往只能根据爆炸产物或效应来进行推断和估计。人们普遍看好的、在数千次大气层与地下核试验的基础上而建立起来的最先进的计算机模拟，也只是对实际核爆情况的逼近，但的确是核禁试后继续发展先进核武器的可靠拐棍。1995年，美国开始实施“提高战略运算能力计划”（ASCI），力图使人们有能力模拟热核爆炸的全方位三维爆炸。现在洛斯阿拉莫斯实验室的计算机运算能力已达100万亿次/秒，在某种程度上说，这也许是地球上最强悍的计算机。根据美国媒体透露，美国政府1997年曾与法国秘密签订协议，允许法国分享美国电脑模拟试验得出的数据及相关资料，以提高法国研发新型核武器的能力，加之美国与英国早就

　　核武器是一种复杂的高、精、尖作战工具，是一个由若干子系统组成的精密装置，这些子系统的设计与运转是相互关联的。仅就核装置而言，在其外壳内，有许多不可思议的精密仪器：复杂的电子设备，细致加工并进行镀敷的化学或金属部件，经过专门浇注成型的猛炸药，以及胜过精巧智力玩具那样的裂变材料芯。据不完全统计，一枚现代核弹头，包括4 000多个零部件。只有当所有的零部件协调动作时，核武器才是核武器，否则就只是一堆高级废物。毫无疑问，正是方方面面数不清的经验和技术支撑着核武器的高、精、尖。

　　核武器设计和发展所涉及的众多学科中，热力学和流体力学是两个关键学科。核爆炸过程的环境是：极短的时间、极高的温度、极大的压力、巨大的密度和惊人的能量，因此，只要看一下对核武器设计中所涉及的时间、压力、温度及空间距离等参数是在什么量级上进行取舍，就不难理解核武器设计技术是何等的精密。

　　首先说一下时间参数。在人类的日常活动中，常用秒、分、时、日、月、年作为时间计量单位。但在原子世界里，一个重原子核俘获一个能量在1兆电子伏左右的中子时，其核处于激发态的时间平均为7×10-15秒，或称7飞秒。该中子的速度约为1.4×106厘米/秒，穿过直径为1.4×10-12厘米的原子核需时约10-18秒。核裂变将结合能变成碎片动能仅需10-20秒。核反应中，一代中子撞击新的原子核产生次代中子的时间间隔约为10-9秒。因此，在核武器设计中，时间通常需以纳秒（ns，10-9秒）为计量单位。洛斯阿拉莫斯实验室的核武器专家们，在实施“曼哈顿工程”的早期，创造了一个他们自己的时间单位———“刹”。它等同于10-8秒，或10纳秒，是铀核分裂成两个碎片所需要的时间。一个通常的裂变装置，整个放能时间不过几十刹，一个大型氢弹放能时间也只是几百刹。

　　第二个重要参数是距离。在日常生活中，人们用千米、米、厘米、毫米表示计量单位。而在研究原子和原子核问题时，涉及的是属于强相互作用的将核子结合成为原子核被称为核力的短程力，而不是能够直接观察到的诸如万有引力和电磁力那样的长程力。从原子核的大小以及核子碰撞时的截面估计，核力的力程约为10-13厘米。于是人们引进了费米概念，1费米=10-15米。这是人们为表达对科学家恩里科·费米的崇敬而引进的一个距离单位。

　　温度是第三个重要概念，它表示冷热程度，是系统原子或分子混合运动的平均动能的度量。科学上常用开氏温度，即绝对温标，其单位为开氏度（K）。在核武器爆炸中，会出现上亿度乃至数亿度的高温，因此，设计时涉及的温度区间为常温到108K。像轻核聚变反应，要在百万度乃至千万度以上才有显著的发生概率。

　　第四个重要概念是压力，是分子或原子热运动时撞击周围物质上产生力。单位面积上压力（压强）的单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，表示1平方米面积上所受的牛顿力，即N/m2。在核武器设计中，压力是爆轰波、冲击波或物质粒子冲击物质产生的效应。核武器设计工作者常用兆巴为计量单位，用符号Mb表示，1Mb=106b，约等于百万大气压。

　　最后说一下密度。它是单位体积中所含物质的质量，是组成物质分子或原子密集程度的量度。物质密度通常由克/厘米3（g/cm3）或千克/米3（kg/m3）表示。在裂变与聚变武器燃料中，高密度特别重要。密度高，原子靠得近，高度混乱运动的原子间相互碰撞的可能性就越大，即碰撞频率越高。在裂变物质中，高度密集的结果，使得中子为引起更多的裂变在原子核间必须走的距离（自由程）变短。同时，裂变或聚变材料的密度越大，就越经得起使系统解体的外向力。保持系统垮塌时间很重要，时间维持得越长，放能效率越高；燃耗越大，越能充分利用核材料。如果核燃料系统在核反应时很快膨胀，则可能造成核反应的终止，造成核爆炸的失败。

　　从核大国走过的道路可以清楚看到，核试验是发展核武器的重要技术措施和前期技术准备。只有通过试验才能确定技术数据，确定如何更改原设计方案，研究不同环境下核爆炸现象和各种杀伤破坏效应的变化规律，也才谈得上进而研究手中核装置的军事用途。真正完成完整的核武器物理设计，没有强大丰富的试验数据库的支持是难以想像的。

　　核武器设计是一门经验科学，即使像美国这样已经做过1 054次核试验的核大国，也没有一套完全掌握和表达出来、并能依据它“克隆”核武器的定律和方程。核爆炸过程极其迅速，很难按时间历程一个时刻接一个时刻地测量，在许多情况下，科学家往往只能根据爆炸产物或效应来进行推断和估计。人们普遍看好的、在数千次大气层与地下核试验的基础上而建立起来的最先进的计算机模拟，也只是对实际核爆情况的逼近，但的确是核禁试后继续发展先进核武器的可靠拐棍。1995年，美国开始实施“提高战略运算能力计划”（ASCI），力图使人们有能力模拟热核爆炸的全方位三维爆炸。现在洛斯阿拉莫斯实验室的计算机运算能力已达100万亿次/秒，在某种程度上说，这也许是地球上最强悍的计算机。根据美国媒体透露，美国政府1997年曾与法国秘密签订协议，允许法国分享美国电脑模拟试验得出的数据及相关资料，以提高法国研发新型核武器的能力，加之美国与英国早就签过类似的协议，这就意味着美、英、法三个西方核国家将连成一体。

　　由于核武器材料的特殊性能以及结构的严格要求，为了确保核武器的安全性和可靠性，各有核国家都使出各自的高招，花费巨大的人、财、物投入不说，还要承受来自国际社会、特别是各种和平与环保组织的压力。1999年10月13日，美国参议院以51票对48票的表决结果否决了批准《全面禁止核试验条约》的决议案（该条约是1996年9月第50届联合国大会通过的）。这是自1919年美国参议院否决《凡尔赛和约》以来，美国国会第一次拒绝批准一项重要的国际安全条约。对于这一逆潮流的举动，引发国际社会的义愤是理所当然的，但也从另一个侧面说明要有效地维护核武器的性能是何等的困难，要付出何等的代价。事实上，自1994年以来，美国已先后建立了多处模拟核爆炸的设施。其中国家点火工程，主要用于研究氢弹的核聚变过程；国家激光中心，主要用于在不引爆情况下测试核武器；双轴X射流流体力学设施主要用以拍摄次临界状态的核爆过程。即使如此，他们还是无法从根本上摆脱对核试验的依赖。

　　制造原子弹的核裂变材料主要有铀235和钚239两种。天然铀矿石不仅稀有而且极难提炼（加拿大和澳大利亚是世界上第一和第二大产铀国，2003年的铀矿石产量分别达到1 234万和907万千克）。天然铀矿石中铀235含量仅有0.7％，其余都是不能发生链式反应的铀238。从天然铀矿石中提取铀235，首先要把铀238分离出去，再不断提高铀235的浓度，对其进行“浓缩”。铀235的浓缩过程是一个非常复杂的系列工艺流程，需要很高的科技水平。铀235和铀238的化学性质几乎完全相同，无法进行化学分离，只能采用离心法、气体扩散法和激光法等物理学方法进行浓缩。要想得到一千克铀235，需从铀矿石中提炼出140千克纯金属铀，而铀矿石的需要量则更大，至少是200多吨。这要经过探矿、开采、选矿、浸矿、炼矿、精炼和最后浓缩分离等一系列生产过程。可想而知，即便是本国有铀矿资源，要得到含量达93．5％以上的铀235核武用铀，还需要一个何等庞大的工业体系来支持。

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