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核弹头是如何小型化的?

核武器的小型化包括起爆装置的小型化和核装药的小型化,前者我不懂,懂的话我也造核武器去了,后者核装药的小型化我知道点理论的,这个跟核材料的临界质量有关,减小临界质量就能使其小型化,什么是临界质量?简单来说就是:能保证链式反应维持下去的核材料的最小质量(只有核裂变才有临界质量这个限制,核聚变没有)。而核裂变中”链式反应“的意思则是指:在一个中子逸散前能通过轰击重原子核(比如铀235、钚-239等)来产生更多的新的中子,这些新的中子同样会在逸散前轰击重原子核产生新中子,周而复始,这就是核裂变中的“链式反应”,原理如下图所示:

▲“链式反应”原理图

从上图中我们可以看到,中子每轰击一个重原子核,都会同时释放出能量和中子(以及质量较小的其他原子),而这个链式反应的时间其实是很短的,我们可以理解为“瞬间发生”,所以,核武器的实质就是:利用重核之间的链式反应在瞬间释放出巨大的能量(核能),宏观表现出来则是毁天灭地的大爆炸,也就是核爆炸!因此,我们可以这样理解:想要制造核爆炸,就必须要保证链式反应的正常进行,而这个链式反应的就跟核材料的临界质量有关,因为达到了临界质量,才能保证中子有很大的概率可以轰击到重原子核,从而产生新的中子继续这个过程!

那么,如何减小核材料的临界质量呢?需要提高中子能够轰击原子核的概率,而提高这个中子轰击原子核的概率目前有两种方法,第一种是通过改变核材料的纯度(丰度)来提高原子核的“密度”,第二种就是延长中子的有效运动距离。前者提高核材料的纯度这个好理解,简单来说就是提纯、提高密度,密度高了,中子能撞到原子核的概率也就会同时提高;至于后者,就是加上辅助装置提高中子穿过核材料的时间,比如加上中子反射层,把中子重新“反射回”铀块(或者其他核材料)中,这种方法同样能提高中子轰击原子核的概率,减小核材料的临界质量!

▲各裂变材料的相关数据

因此,只要技术水平足够,核材料的临界质量理论上是可以一直减小下去的,不过,前提是各种附加装备的体积和重量不能太大,不然这个减小临界质量就没有任何的意义了,目前,各种裂变材料的临界质量都不大,比如上图所示,铀-235的临界质量为48公斤,钚-239的临界质量为10.5公斤,如果做成球型,这种临界质量下钚-235大概是一个直径10里面的球,是不是很小?确实很小,理论上就这个小小的破球就能发生核爆炸了,而且,当量几百吨、几十吨TNT,甚至更小的战术核武器,早就不是什么先进的技术,半个世纪之前就有了,比如下图那玩意:

▲M388核火箭炮
▲几个人就能操作

图中的M388核火箭筒的当量可以选择10吨或者20吨TNT,这玩意是美国在上个世纪50年代研发,60~70年代装备军队的战术核武器,60多年前人类的核武器小型化技术就已经是炉火纯青了,至于今天,代表着最先进核武器技术的是美国三叉戟II-D5潜射弹道导弹上的W88热核弹头,也就是氢弹,这玩意的长度为68.9英寸(1.75米),最大直径为21.8英寸(0.55米),重量小于800磅(360公斤),也就两个煤气瓶叠起来这种大小,而且这种体积是包括了再入飞行器的,不然体积会更小一点,不过它的爆炸当量最大可以达到47.5万吨:

▲W88核弹头

最后再来看一张不同年代的核武器的体积变化,如下图所示,第一个是二战时期用来核打击日本的“胖子”原子弹;MK17是美国曾经装备过的最大当量核炸弹,当量为2500万吨TNT,由B-36轰炸机投放;W58曾经是“北极星”A3潜射弹道导弹上的核弹头,当量20万吨TNT,最后一个是现在装在三叉戟II-D5导弹上的W88、W87等核弹头了,他们的体积确实非常小,理论上一枚三叉戟导弹,最多能携带12枚W88核弹头!

▲核弹体积变化

▲潜射导弹上的W87核弹头

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