一枚原子彈的重量能有多少？體積呢？氫彈呢？

【專家解說】：核武器是指利用爆炸性核反應(yīng)釋放出的巨大能量對(duì)目標(biāo)造成殺傷破壞作用的武器。爆炸性核反應(yīng)是利用能自持快速進(jìn)行的原子核裂變或聚變反應(yīng)，瞬間釋放出巨大能量產(chǎn)生的核反應(yīng)爆炸而形成巨大殺傷破壞效應(yīng)。 核彈爆炸時(shí)，釋放的能量比采用化學(xué)炸藥的常規(guī)彈藥大得多。1千克鈾裂變釋放的能量相當(dāng)于2萬噸TNT炸藥爆炸時(shí)放出的能量。核武器按作戰(zhàn)任務(wù)使用范圍可分為戰(zhàn)略核武器、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)核武器；按當(dāng)量大小可分為千萬噸級(jí)、百萬噸級(jí)、十萬噸級(jí)、萬噸級(jí)、千噸級(jí)和百噸級(jí)，美蘇于80年代末開始研制當(dāng)量小到10噸級(jí)、大到百噸級(jí)的微型超微型核彈頭及當(dāng)量可調(diào)核彈頭。通常核武器的分代按其原理目前可分為四代。 第一代：原子彈（裂變彈） 20世紀(jì)四五十年代利用鈾或钚等易裂變重原子核裂變反應(yīng)瞬時(shí)釋放巨大能量的核武器稱為原子彈或裂變彈，即為第一代核武器。 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 能自持進(jìn)行的原子裂變反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在裂變裝置（核彈頭或反應(yīng)堆）中，要實(shí)現(xiàn)自持核反應(yīng)，必須用裂變核釋放出的中子去轟擊其它重核引起裂變，新的裂變又釋放出新的中子，新的中子又去轟擊其它重核引起裂變，依此不斷進(jìn)行。如鈾235的核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，平均能放出2.56個(gè)中子，钚239平均能放出2.9～3.0個(gè)中子。在被釋放出的中子群中，一部分被沒有裂變的原子核所俘獲，引起進(jìn)一步裂變，未被俘獲的中子從物質(zhì)中逃逸。假如每次裂變能有一個(gè)以上的中子保留下來繼續(xù)參與裂變反應(yīng)（即被其它原子核俘獲），那么下一“代”所能取得的裂變數(shù)就要比前一代的多，也才能形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。也就是說，為了在核爆炸中取得高效率，在核裝置的設(shè)計(jì)上要盡量減少中子從裂變系統(tǒng)中逃逸，同時(shí)要盡力避免裂變材料中摻入能吸收中子的雜質(zhì)。 裂變材料 是指能裂變反應(yīng)并大量釋放原子能的物質(zhì)。許多重原子核都能被分裂，但其中只有一小部分是易裂變的，即在慢中子（能量較低的中子）或快中子（高能中子）的轟擊下能發(fā)生裂變。由于核裂變所產(chǎn)生中子的能量范圍很寬，如果僅靠俘獲快中子時(shí)才能裂變的原子核，通常不能實(shí)現(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。從實(shí)用觀點(diǎn)來說，裂變武器只能用易裂變材料（即在慢中子轟擊下也能發(fā)生裂變）來制造。目前世界各國的原子彈全都采用鈾235和钚239，或者是它們的某種組合。 鈾 自然界的鈾主要由兩種同位素鈾235和鈾238組成，其中主要含量是鈾238（約占99.3%），鈾235含量極少（約占0.7%）。理論上，鈾235的濃度在6%～10%才能制成鈾彈。也就是必須把天然鈾礦經(jīng)篩選、粉碎、酸性浸析成礦漿、提煉獲取鈾的氧化物、進(jìn)一步處理變成四氟化鈾或六氟化鈾，隨后進(jìn)行鈾的濃縮。美國在二戰(zhàn)中耗資10多億美元建造了濃縮鈾的氣體擴(kuò)散廠，通過泵使六氟化鈾氣體撞擊上面設(shè)有數(shù)百萬個(gè)小孔的障礙物，由于鈾235和鈾238原子質(zhì)量有輕微不同，含有鈾235原子的分子比含有鈾238的分子以稍微大一點(diǎn)的速率滲出，最終的產(chǎn)品是武器級(jí)鈾。目前各國使用的核武器的鈾235濃度為93.5%。60年代末，武器級(jí)鈾每磅（0.45千克）需5 500萬美元，而天然鈾每磅才12美元。 钚 自然界中钚的蘊(yùn)藏量極少，也不能自然產(chǎn)生，只能用中子轟擊鈾238而得到钚239。大量生產(chǎn)钚239需要高密度中子源轟擊鈾238，而中子源由核反應(yīng)堆中的連鎖反應(yīng)提供。二戰(zhàn)中，美國建立了多處核反應(yīng)堆每年生產(chǎn)大量钚239。理論上，钚239含量為6%～10%就可以用來制造原子彈。目前各國使用的核彈頭钚239純度約為93.5%。 鈾235和钚239的基本區(qū)別是鈾是天然的，由采礦濃縮而得；而钚239要用人工方法在原子反應(yīng)堆中得到。制造相同當(dāng)量的鈾彈比钚彈的用钚量要多，盡管钚239比鈾235要貴，但钚239裂變彈可獲得較高的當(dāng)量-重量比，可使武器重量更輕、體積更小。據(jù)報(bào)道，美國大部分原子彈都含有鈾235和钚239兩種材料。 臨界質(zhì)量 為維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需要的裂變材料的最小質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。少量的裂變材料不能維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（絕大多數(shù)中子逃逸了）。臨界質(zhì)量的大小取決于裂變材料的種類、結(jié)構(gòu)密度、幾何形狀以及核裝置中有無中子反射層結(jié)構(gòu)等。在固態(tài)物質(zhì)形狀中，球形的體積與表面積的比值最大，從單位球形裂變材料中逃逸出來的中子數(shù)最少，因此球形是臨界質(zhì)量最小的一種形狀。如采用裸球，鈾235和钚239的臨界質(zhì)量分別為52和10千克（鈾235的密度小于钚239）。 降低臨界質(zhì)量有多種方法：一是用中子反射層作為包殼材料把裂變材料包起來，以使一部分向外逃逸的中子反射回裂變材料中，增加了中子數(shù)量以轟擊重核。中子反射層可使裂變材料臨界質(zhì)量減小到原來的1/3到1/2，也就是在正常密度下，鈾235和钚239的臨界質(zhì)量可分別減至13～15和5～10千克，這就為減小核彈頭體積和重量乃至制造原子炮彈提供了方便。二是壓縮核材料，增加其密度。臨界質(zhì)量近似與密度平方的倒數(shù)成正比。三是巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以使裂變材料發(fā)揮最大作用。 原子彈的設(shè)計(jì) 裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可視為一系列的“代”的雪崩式延續(xù)，每一“代”的標(biāo)志是前一“代”產(chǎn)生的中子使核進(jìn)一步裂變，一“代”的時(shí)間約10-8秒。裂變彈能量的釋放要經(jīng)歷若干“代”，其“代”數(shù)取決于一“代”裂變產(chǎn)生的中子數(shù)有多少能保留下來并引發(fā)下一“代”裂變反應(yīng)。如果一個(gè)原子核裂變僅能放出2.5到3個(gè)中子、并有2個(gè)能保留下來引起新的裂變，那么當(dāng)量在1千噸到10萬噸之間的一枚核彈能量釋放約要經(jīng)歷53～58“代”。其中99.9%的能量大約是在最后7“代”釋放出來的，即約在爆炸的最后0.07秒內(nèi)。 要獲得大的當(dāng)量，裂變材料組合后的質(zhì)量就必須比臨界質(zhì)量大若干倍，才能達(dá)到和維持快速增殖鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這可通過把兩個(gè)或多個(gè)亞臨界質(zhì)量塊（小于臨界質(zhì)量）合到一起。 原子彈的設(shè)計(jì)原理 是使處于亞臨界狀態(tài)的裂變裝料瞬間達(dá)到超臨界狀態(tài)，有兩種基本方式，即內(nèi)爆式和槍式。內(nèi)爆式又稱壓緊型，如一枚內(nèi)爆式核彈可由處于亞臨界質(zhì)量（一般為臨界質(zhì)量的幾分之一）的球形裂變裝藥構(gòu)成，在球形裝藥的外面包一層其外圍是高能炸藥的重元素（鈾238）反射層。爆炸時(shí)，高能炸藥形成的內(nèi)聚爆轟波壓縮裝藥，使其密度增大一倍到幾倍達(dá)到超臨界質(zhì)量。鈾235、钚239或二者組合的核武器，一般采用內(nèi)爆式。美國1945年7月16日試驗(yàn)的第一顆原子彈和投在日本長崎的第二顆原子彈“胖子”，都采用內(nèi)爆法使钚239由亞臨界狀態(tài)瞬間壓縮成超臨界狀態(tài)，而參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的僅為1千克。 槍式又稱壓攏型，即把2～4塊處于亞臨界狀態(tài)的裂變材料，在化學(xué)炸藥爆炸力的推動(dòng)下迅速合攏而形成超臨界狀態(tài)。例如，沿著一管子可以把亞臨界的裂變材料推進(jìn)到另一塊球狀亞臨界裂變材料塊中，也就是射進(jìn)“槍管”，投在日本廣島的鈾235彈“小男孩”就用此法。槍式結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)計(jì)起來比較有把握。槍式結(jié)構(gòu)只能用鈾235，不能用钚239，主要原因是槍式結(jié)構(gòu)對(duì)過早點(diǎn)火特別敏感，而钚239正好比較敏感。此外，由于內(nèi)爆式核裝置比槍式核裝置效率高，所以美國核彈大多數(shù)采用鈾235內(nèi)爆式。 第二代：氫彈（聚變彈） 60年代以后，利用氫的同位素氘、氚等輕原子的聚變反應(yīng)，瞬時(shí)釋放出巨大能量的核武器，又稱聚變彈、熱核彈、氫彈，即為第二代核武器。 聚變反應(yīng) 除了重原子核鈾235、钚239等的裂變能釋放核能外，還有另一種核反應(yīng)，即輕原子核（氘和氚）結(jié)合成較重的原子核（氦）時(shí)也能放出巨大能量。核聚變的原理是：在標(biāo)準(zhǔn)的地面溫度下，物質(zhì)的原子核彼此靠近的程度只能達(dá)到原子的電子殼層所允許的程度。因此，原子相互作用中只是電子殼層相互影響。帶有同性正電荷的原子核間的斥力阻止它們彼此接近，結(jié)果原子核沒能發(fā)生碰撞而不發(fā)生核反應(yīng)。要使參加聚變反應(yīng)的原子核必須具有足夠的動(dòng)能，才能克服這一斥力而彼此靠近。提高反應(yīng)物質(zhì)的溫度，就可增大原子核動(dòng)能。因此，聚變反應(yīng)對(duì)溫度極其敏感，在常溫下其反應(yīng)速度極小，只有在1 400萬到1億度的絕對(duì)溫度條件下，反應(yīng)速度才能大到足以實(shí)現(xiàn)自持聚變反應(yīng)。所以這種將物質(zhì)加熱至特高溫所發(fā)生的聚變反應(yīng)叫作熱核反應(yīng)，由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓，只能由裂變反應(yīng)提供。 熱核材料 核聚變反應(yīng)一般只能在輕元素的原子核之間發(fā)生，如氫的同位素氘和氚，它們?cè)雍碎g的靜電斥力最小，在相對(duì)較低的溫度（近千萬攝氏度）即可激發(fā)明顯的聚變反應(yīng)生成氦，而且反應(yīng)釋放出的能量大，一千克聚變反應(yīng)裝藥放出的能量約為核裂變的七倍。但在熱核武器中不是使用在常溫下呈氣態(tài)的氘和氚。氘采用常溫下是固態(tài)化合物的氘化鋰，而氚則由核武器進(jìn)行聚變反應(yīng)過程中由中子轟擊鋰的同位素而產(chǎn)生。1942年，美國科學(xué)家在研制原子彈過程中，推斷原子彈爆炸提供的能量有可能點(diǎn)燃輕核引起聚變，并以此制造威力比原子彈更大的超級(jí)彈。1952年1月，美國進(jìn)行了世界上首次代號(hào)“邁克”的氫彈原理試驗(yàn)，爆炸威力超過1 000萬噸當(dāng)量，但該裝置以液態(tài)氘作熱核材料連同貯存容器和冷卻系統(tǒng)重約65噸，不能作為武器使用，直到固態(tài)氘化鋰作為熱核裝料的試驗(yàn)成功，氫彈的實(shí)際應(yīng)用才成為可能。中國于1966年12月28日成功進(jìn)行了氫彈原理試驗(yàn)，1967年6月17日由飛機(jī)空投的300萬噸級(jí)氫彈試驗(yàn)圓滿成功。 熱核武器的設(shè)計(jì) 在熱核武器中，聚變材料既可直接加到（或靠近）裂變裝藥中心，也可安置在裂變裝藥的外面，或兩種方法同時(shí)采用。在后一種情況下，需將裂變產(chǎn)生的輻射控制起來，以使其能量轉(zhuǎn)換用于壓縮并點(diǎn)燃分離裝配的聚變材料的部分。這個(gè)專門設(shè)計(jì)用作起爆的裂變裝藥就叫做初級(jí)，通常稱為起爆氫彈的“扳機(jī)”。初級(jí)外面的聚變材料部分叫次級(jí)。因此，這種武器可以說有兩級(jí)核反應(yīng)。 雖然鈾238不能進(jìn)行自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但由于裂變和聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大量高能中子可使鈾238發(fā)生持續(xù)裂變。所以在熱核外面再包一層鈾238（天然鈾或貧化鈾）就可以提高核武器的當(dāng)量。在熱核武器中，這層鈾238有時(shí)被稱為第三級(jí)。沒有這層鈾，就是兩級(jí)武器。 通常一枚大當(dāng)量熱核武器都是三相彈，即爆炸時(shí)所放出的能量有3個(gè)來源：第一級(jí)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；第二級(jí)熱核材料的聚變反應(yīng)；第三級(jí)鈾238外層的裂變反應(yīng)。粗略估計(jì)，釋放的總能量中聚變和裂變各占一半。但為了獲取特殊的核爆炸效應(yīng)，或滿足核武器一定的重量或尺寸要求，可以采取不同的裂變與聚變當(dāng)量比，包括從純裂變到聚變當(dāng)量占很大比例的武器。 核彈頭的基本結(jié)構(gòu) 不管核武器樣式多么繁多，核彈頭的基本構(gòu)造通常由殼體、核裝藥和熱核裝藥、引爆控制系統(tǒng)（引信）和電源等組成。其中殼體用于盛裝核彈的各種裝置并能防止其機(jī)械損壞。在彈道導(dǎo)彈核彈頭殼體外殼還涂有特殊涂料或隔熱層，以防彈頭再入大氣層時(shí)受高速氣動(dòng)加熱使彈頭殼體及內(nèi)部裝置因過熱而燒毀。核裝藥和熱核裝藥，由裂變和聚變材料構(gòu)成，以氫彈為例：核裝藥（裂變裝藥）置于由普通炸藥構(gòu)成的球形裝藥的中央部位，在球形裝藥外面四周安裝了許多電雷管。引信傳來的敏感信號(hào)通過引爆控制系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓電起爆各電雷管，使普通炸藥以“槍法”或“內(nèi)爆法”使裂變材料迅即達(dá)到最大超臨界質(zhì)量而實(shí)施核裂變爆炸，并使爆炸產(chǎn)生的部分輻射能量轉(zhuǎn)換用以加熱和點(diǎn)燃（高能中子的轟擊）熱核裝藥產(chǎn)生聚變反應(yīng)，形成整個(gè)氫彈的核爆炸。引控系統(tǒng)是保證核彈到達(dá)預(yù)定炸點(diǎn)時(shí)發(fā)出起爆核裝藥指令并可靠起爆的裝置。電源是給彈頭各組件提供能源的小型一次性使用的蓄電池，在導(dǎo)彈發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)激活蓄電池，導(dǎo)彈發(fā)射起飛時(shí)才能用彈上蓄電池供電。 當(dāng)量可調(diào) 核彈的當(dāng)量是可以調(diào)節(jié)的。在純裂變裝置中，若改變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的引發(fā)時(shí)間或變換彈芯，就能改變當(dāng)量。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是由中子源引發(fā)的，如改變中子源狀態(tài)，也可實(shí)現(xiàn)當(dāng)量可調(diào)。在具有一級(jí)或多級(jí)聚變反應(yīng)的熱核武器中，控制氚的用量或更換彈芯，即可改變當(dāng)量。此外，也可采用控制附加的聚變級(jí)是否點(diǎn)火的機(jī)械措施，即控制是否點(diǎn)燃聚變裝藥，便可調(diào)節(jié)核爆炸當(dāng)量的大小。 核武器的重量和當(dāng)量 世界上第一個(gè)核爆炸裝置，代號(hào)“大男孩”的钚裝藥約重6.1千克。由重約2 268千克高能炸藥內(nèi)向爆炸將其壓縮到一起，于1945年7月16日上午5時(shí)24分，在新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)30米高的鐵塔上進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)量為2.2±0.2萬噸。钚裝藥實(shí)際大小同柚子差不多，而鈾反射層和高能化學(xué)炸藥使爆炸裝置尺寸重量大大增加。核裝藥、反射層和高能炸藥固定在一個(gè)由12塊五邊形構(gòu)成的金屬球內(nèi)，各五邊形用螺栓互相連接組成一個(gè)球體。 1945年8月6日上午8點(diǎn)15分投在日本廣島上空、估計(jì)爆高580米的原子彈“小男孩”，它裝有60千克高濃縮鈾235，采用槍法結(jié)構(gòu)。槍管直徑約15厘米，長1.8米，重約半噸。核彈本身連同外殼長3米，直徑71厘米，重約4噸，當(dāng)量1.2～1.5萬噸（有報(bào)道1.25萬噸）。 1945年8月9日上午11點(diǎn)零2分，投在日本長崎上空估計(jì)爆高503米的原子彈“胖子”，它所采用的設(shè)計(jì)和“大男孩”一樣，只是名稱不同?！芭肿印毖b有穩(wěn)定翼和一個(gè)保護(hù)性的直徑為1.5米的蛋形外殼（彈殼），核彈全重約4.9噸，長3.6米，當(dāng)量2.2±0.2萬噸，钚裝藥約6.1千克。兩枚內(nèi)爆式原子彈核裝藥的利用率約17%，而“小男孩”只有約1.3%。在美國首批核武器設(shè)計(jì)中，化學(xué)炸藥和反射層重量占了絕大部分：“胖子”的當(dāng)量重量比是4.5噸/千克，“小男孩”為3噸/千克，與現(xiàn)代核武器相比，都非常低。當(dāng)量在10萬噸以上的現(xiàn)代化熱核武器，其當(dāng)量重量比一般為1 000～3 000噸/千克，（這一數(shù)值遠(yuǎn)比氘氚材料完全聚變所能達(dá)到的8萬噸/千克的理論極限低得多），例如美國庫存核武庫中當(dāng)量最大的彈頭B53核彈（以及在“大力神”Ⅱ?qū)椛鲜褂玫膹楊^W53），當(dāng)量900萬噸，重約4噸，當(dāng)量重量比約2 200噸/千克，相當(dāng)于“胖子”的500倍。美國現(xiàn)役洲際導(dǎo)彈“民兵”Ⅲ彈頭為3個(gè)33.55萬噸當(dāng)量分導(dǎo)式彈頭MK-12A，總當(dāng)量100.65萬噸，彈頭重955千克，當(dāng)量重量比為1 054噸/千克。當(dāng)量大于10萬噸的戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭和核炸彈，當(dāng)量重量比為300～2 500噸/千克。低當(dāng)量的戰(zhàn)術(shù)核武器的當(dāng)量重量比約為4～100噸/千克。