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简介

人类自从发现了原子核的存在,就一直想方设法利用其获取能量。而核弹的生产制造正是一门使用原子能的高尖端工艺。

分类

核弹是一项科技要求高、成本高、经济价值高的制造业。由于其出产的成品效果好,质量高,被各国政府所喜爱。

核弹是利用核裂变反应或核聚变反应来制造极大破坏的武器,现在是作为国力强盛的表现,也是一个国家威慑力的表现。英文名Nuclear Warhead,直译为核弹头,也可译为“战争之首”。

核弹的种类不唯一,从二战末期1945年制造的传统裂变弹,到二战后制造出氢弹、三相弹、中子弹,核弹的种类已经拥有三代,而第四代核弹还在迅速研究中。

由于核弹的巨大威胁,1968年7月1日,各国签署了《核不扩散条约》。该条约有效期结束后,经各国同意,无限期延长此条约的有效期。

在地球上众多国家中,只有少数国家拥有制造核弹的企业。

核弹制造业所需求的科技,主要来自于物理和化学。

核弹并不是容易引爆的危险品,相反,让核弹起爆是一个复杂的过程。

裂变弹(Atomic Bomb)

裂变弹,它的原理是核裂变。

以1945年制造的裂变弹为例,原料使用了U-235。

U-235的原子核有 143 个中子和 92 个质子。使一个中子快速轰击U-235 的原子核,它将分裂出两个元素——Ba和Kr,再释放出 2-3 个中子,以及约 200 兆电子伏的能量。

释放出的中子可以继续轰击其他U-235的原子核,就是链式反应。

然而产生链式反应并不容易,用于制造裂变弹的原料通常纯度不够高。即使是相同的元素内,也会因为同位素的比例过大而无法正常进行核裂变。

例如,U-238比U-235多3个中子,属于同位素。它的原子核只会将来袭的中子俘获、散射,不易核裂变,不能链式反应。

因此要使用U-235制造裂变弹,U-235的纯度应高于90%。

其次,U的原子核直径占原子的两万六千分之一,由核裂变发射出的中子将错过原子核,直接飞到外面。在同等体积下,球形的表面积最小,将U原料制作成球形更利于核裂变。

U-235并不是唯一可用于核裂变的原料,例如1945年的第二枚裂变弹就是由Pu-239制造。同时这枚裂变弹的起爆方式也可以较大限度地利用Pu-239。

Pu-239裹着Po、Be弹丸球,铝层裹着Pu-239,火药包裹着铝层。远程启动火药包(火药包由慢速火药和快速火药混合,以保证冲击波同时开始挤压铝层)后,冲击波让铝层变形,挤压Pu-239。在挤压下,Pu-239 的密度迅速增大,达到临界状态。裹着的Po、Be弹丸球将释放出中子,引发核裂变。外面加装一层U-238 可以反射中子,让链式反应加速,从而起爆。这种外部火药排成的特殊形状称为“爆炸透镜”。当引爆时,爆炸透镜将球形弹芯压缩,达到临界质量,引发链式反应,发生核爆炸。这是传统意义上的裂变弹工作原理。

Po、Be弹丸球分为两层,Po在中心,与Be隔着一层金属箔。当爆炸透镜的挤压让Po和Be接触时就会产生大量中子,从而撞击U-235的原子核,形成链式反应。

氢弹(Hydrogen Bomb)

氢弹是为强化威力而生。(氢弹≠聚变-裂变/二相弹=初级+次级/氢弹=以裂变实现聚变=初级裂变弹+次级聚变燃料)

常规武器是化学能,裂变弹是裂变能,氢弹则是同时利用裂变能和聚变能,其威慑力远高于裂变弹。

氢弹生产流水线需要在拥有裂变弹技术的基础上才能启动。因为:两个原子核之间存在静电斥力。如果两个原子核靠得非常近,它们之间的强相互作用力才会超过静电斥力,发生聚变。但如果没有很高的初始能量,它们就不可能克服静电斥力。要发生核聚变,只能把温度升得极高,比如上亿度。

有了裂变弹之后,就可以达到核聚变所需条件。所以氢弹都是用裂变弹引爆,用裂变达到聚变条件,再进行聚变从而放出更大的能量来破坏。因此,氢弹又被称为聚变武器。

单次核裂变产生的能量高于单次核聚变产生的能量,但是核裂变需要的元素更重,所以在同等质量下,核聚变产生的能量更大。氢弹正是核裂变与核聚变的结合。

氢弹主要由两个部分构成——初级裂变弹以及次级聚变燃料。

初级含有一枚裂变弹,某些氢弹的初级也含有聚变气体。

而次级则是聚变燃料和反射层的结合。聚变燃料是为氢弹提供聚变反应所必须的,例如氘和氚。而次级的反射层则是密度极高且能用于辐射屏蔽的物质来防止中子逃逸并约束聚变反应的材料,例如U-235/U-238或铅。如果使用U-235/U-238,这种次级反射层不光能起到“反射/约束”的作用,还能增加裂变反应的当量。也就是裂变-聚变-裂变,使用铅则只有聚变-裂变。但是反应过程不代表相数。

这是美国W88核弹头,初级在顶部,而次级在底部,是一枚典型的氢弹。

初级中的Pu-239裂变弹起爆后,初级中的聚变气体也将开始聚变。同时X射线传递的能量激活次级,点燃次级中的聚变气体。气体进行核聚变与重元素核裂变一样会产生大量中子,而氘、氚聚变产生的中子威力比核裂变产生的中子更大,它们可以撞击次级外壳的U-238,让U-238发生核裂变。如图所示,除了外壳中的U-238,次级还有U-235,它同样可以进行核裂变,从而使起爆威力更大。

三相弹(Three-Phase Bomb)

三相弹并不是反应过程为裂变-聚变-裂变的氢弹,而是拥有一个额外次级的氢弹。

真正的“第三级”是额外的次级,所以真正的三相弹就是拥有一个初级和两个次级的氢弹。而与反应过程无关。

在初级阶段需要引爆一枚内爆型裂变弹。如果在初级核弹中加入少量的氘氚混合气体,在爆炸过程中这些气体将会被压缩,同时引发核聚变。直到此处还是氢弹的原理。

而三相弹与氢弹的不同之处在于,它含有第二个次级,与前一个次级一样,可以挂载大量聚变燃料和一些裂变材料。

首先,从初级阶段释放出的能量传递给次级。根据泰勒-乌拉姆构型 ,三相弹中的每一级都会发生裂变或者聚变,或者裂变与聚变一起进行,同时释放出的巨大能量可以传输到下一级,以触发下一级的爆炸。

而能量是怎样从初级中传递到次级中的,目前依旧存疑,一般认为,能量是由初级核弹裂变释放出的X射线传递的。

并且,苏联也被怀疑是使用了多级级数,从而制造出迄今当量最大的核弹——沙皇氢弹。

中子弹(Neutron Bomb)

中子弹是核弹制造业中出现的新种类。

中子弹的用途除了效果存疑的拦截敌方来袭核弹,最大的一点是确保有效杀伤敌方人员的情况下,降低对环境、建设财富的破坏。

传统的氢弹由于加装一层U-238外壳,氢在核聚变时产生的中子被外壳大量吸收,产生了大量放射性物。

中子弹就是去掉了外壳,让核聚变产生的大量中子可以大量辐射出去,同时减少了光辐射、冲击波和放射性污染等事件。

内爆式裂变武器所用的高爆火药层对中子辐射的强度有很大影响。所谓“纯裂变弹”就是标准的内爆式裂变弹,要依靠高爆火药+惰层(如铝层)来压缩、约束弹芯。导致许多裂变出的中子被减速、吸收掉了。

因此中子弹就是特殊的氢弹,舍弃外壳的核裂变,而造成大量中子的辐射,杀伤生物。

钴弹(Cobalt Bomb)

钴弹是一种想象武器,仅存于理论上,因为它足以杀死地表上所有人,没有国家生产过钴弹。

原理很简单,将一枚核弹装于钴壳内,爆炸后除了会释放严重的辐射污染外,还可使钴变成致命的放射性尘埃,爆发出非常强劲的伽马射线。

核弹的核反应中产生的中子会将Co-59转化成放射性同位素Co-60,作为尘埃返回地面。钴60衰变成镍60,同时放射出伽马射线。其半衰期为5.27年,使得Co-60有时间传播并维持足够的放射强度,半衰期的长度,让被袭击者即使躲进了掩体,也很难等到放射结束。

如何防御钴弹袭击,目前仍没有全方位措施,这也让当前所有拥核国家不制造钴弹。

评判标准

寿命

易用性

结构

本体

辅助设备

产品设计

需求分析

目标界定

总体结构设计

详细结构设计

参数设计

设计实施

生产流程

提纯U-235

1942年美国建造了电磁分离、气体扩散和热扩散三个U同位素分离工厂,并联合生产了战争期间所用的U-235。

现在分离U同位素的方法主要有气体扩散法、离心法、喷嘴法、激光法、化学交换法、等离子体法等。

离心法即为,在巨大的离心力场作用下,输入离心机的六氟化U气体中的轻分子235UF6在离心机转子中央部分加浓, 而重分子238UF6更多地趋于筒壁,造成U同位素在径向的部分分离。

气体扩散法即为,使待分离的气体混合物流入装有扩散膜(分离膜)的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。因为当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。所以在通过膜以后,轻分子的含量就会提高,从而达到同位素分离的目的。

提纯Pu-239

U-238制成的核元件,在生产堆进行燃烧和辐照后,就会生成Pu-239。

把Pu-239分离出来,送到专用的后处理厂来分离加工。

后处理Pu-239目前主要应用溶剂萃取法,也称普雷克斯(Purex)流程。其基本原理是利用U、Pu以及裂变产物的不同价态在有机溶剂中有不同的分离系数,将它们一一分开。

成品保养

例如内爆式裂变弹中心的Po-210,其半衰期仅为138天,因此极不稳定,需要经常处理Po-210,为此需耗费大量成本。

关于保养,除了Po-210的问题外,还有很多,在此不详细列举。

原料

核装料

常用的核弹原料是 U-233,U-235,Pu-239。 其中Pu-239更容易裂变。

核污染用料

核污染的途径较多,所需的材料也广,通常是原子序数较大的放射性元素。

最有破坏性的核污染途径是使用Co-59,包围一枚核弹。也就是钴弹。

原材料

主料

辅料

可选原料

生产线分工

资产与负债

资产

固定资产

非固定资产

负债

库存

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

风格与形式

成本

随着核能技术水平评估提高,核弹的造价已经有极大下降。核弹的造价不应以核燃料价格计算,而应从原料、技术等方面评估。

1981年,美国W84弹头造价110万美元。当量为10-15万吨TNT。

1990年,美国W80-1弹头造价72万美元。当量为117-200万吨TNT。

仅仅9年时间,核弹的效果提高了10余倍,价格反而降低了数十万。

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

客流曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

行业

拥核国家

公开承认拥有裂变弹:美国,俄罗斯,中国,法国,英国,印度,巴基斯坦。

不公开承认拥有裂变弹:以色列、朝鲜。

拥有氢弹:美国、俄罗斯、中国、英国、法国。

美国代表相关企业:洛斯阿拉莫斯国家实验室 中国代表相关企业:青海省西北核产品研制基地

早期各国核弹制造业

核弹制造业出现不久,市场需求就供不应求,因为冷战紧接着核弹制造业出现了。美国与苏联的军备竞赛期间,制造了大批核弹。

苏联建造水库、开挖矿井时也会使用核弹,尤其氢弹。因为裂变弹的污染更大。而这种做法也让氢弹拥有了更高的价值。

究其根本,是氢弹的威慑力令苏联重视。这也让人类历史上制造过当量最大的氢弹,就是冷战期间,1961年试验的沙皇氢弹。

并且,冷战前段时间是核工业发展的早期,核弹制造业的开销较高,美国核弹制造业的开支,相当于2017年汇率的美元约6439亿。这项资金在核弹制造业逐渐发展完善后的今天,可以生产200万吨TNT当量的W80-1弹头大约80万枚。当量约1.6兆吨TNT,是灭绝恐龙的小行星撞击产生TNT当量的十万分之一。

核弹制造业的市场情况

现在的核弹数量较多,因为保养核弹需要的开支巨大,拥核国家通常不会保留过多核弹,冷战结束后美苏均有大规模裁核行动。

中国、法国、英国、俄罗斯、美国、德国、印度、巴基斯坦等国家均拥有若干枚核弹。

较上世纪相比较,核弹制造业的市场需求较低,成本降低的同时销量也有所下降。

标准

这里存放条目相关的国家标准

文档

美国国家解密文档

https://shimo.im/docs/eJ0RNE87Wws5NBWN/read

此文档或因美国政治阴谋而导致某些数据造假,如需参考资料,请依据可靠的大学、研究所中的科研人员口述为真实。

编辑成员
2 人

木又, 雾雨魔理沙

评论(1)

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3570406942 2019-05-08 20:16:33
不好意思,对二相弹和氢弹的定义错了,我将于1分钟后修改并附上正确的结构图
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