第二章 核武器基本原理(dvd)

核武器的基本原理

核聚變能量的釋放第一節(jié)核武器的基本原理與特點(diǎn)

核武器指爆炸性核反應(yīng)釋放出的巨大能量對目標(biāo)造成殺傷破壞作用的武器。

條件：自持快速核裂變或聚變

1千克鈾=2萬噸TNT炸藥爆炸時(shí)放出的能量分類：

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、百萬噸級、十萬噸級、萬噸級、千噸級和百噸級一、裂變性原子彈（第一代鈾彈和钚彈）原子彈結(jié)構(gòu)（一）鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)

在核物理學(xué)上把能自持進(jìn)行的原子裂變反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。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235鈾的核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，平均能放出2.56個(gè)中子，239钚平均能放出2.9～3.0個(gè)中子。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)。原子彈全都采用235鈾和239钚（易裂變核素），或者使用它們的某種組合。1.鈾自然界的鈾主要組成：238鈾（約占99.3%）235鈾（約占0.7%）理論上，235鈾的濃度在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。

圖2-1重核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖分裂后的新原子核（碎片）分裂前的重原子核中子

濃縮鈾的氣體擴(kuò)散，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，小孔的直徑約在1%微米大小，由于235鈾和238鈾原子質(zhì)量有輕微不同，含有235鈾原子的分子比含有238鈾的分子以稍微大一點(diǎn)的速率滲出，最終的產(chǎn)品是武器級鈾，濃縮鈾技術(shù)是核武器的關(guān)鍵。目前各國使用的核武器的235鈾濃度為93.5%。

233鈾也能鏈?zhǔn)搅炎?，用反?yīng)堆來生產(chǎn)，其制備過程如下：232釷+中子→233釷→233鏷+β-→233鈾+β-2.钚

自然界中钚的蘊(yùn)藏量極少，只能用中子轟擊238鈾而得到239钚。因此反應(yīng)堆也是生產(chǎn)核武器裝料239钚的一種途徑。理論上，239钚含量為6%～10%就可以用來制造原子彈。目前各國使用的核彈頭239钚純度約為93.5%。

238鈾+高速高能中子→239鈾→239镎+β-→239钚+β-

239钚比235鈾要貴，但239钚裂變彈可獲得較高的當(dāng)量，使武器重量更輕、體積更小，如果使用運(yùn)載工具發(fā)射核彈頭，239钚彈重量輕運(yùn)載更方便。

快中子堆（三）臨界質(zhì)量能為維持鏈?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。核裝料的存放必須小于臨界質(zhì)量，相隔一定的距離已至于不會發(fā)生意外爆炸事故。

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，235鈾和239钚的臨界質(zhì)量分別為52千克和10千克（235鈾的密度小于239钚）。

原子彈研制及投向日本二、聚變性原子彈（第二代氫彈）

用氫的同位素氘、氚等輕原子的聚變反應(yīng)，在聚變反應(yīng)瞬時(shí)釋放出巨大能量而制造出的核武器，又稱為聚變彈、熱核彈、氫彈，即為第二代核武器。氫彈示意圖（一）聚變反應(yīng)核聚變反應(yīng)指在1400萬到1億度的絕對溫度下，原子核發(fā)生碰撞而發(fā)生核反應(yīng)。這種將物質(zhì)加熱至特高溫度所發(fā)生的聚變反應(yīng)也叫做熱核反應(yīng)。（二）熱核材料只能在輕元素的原子核之間發(fā)生，如氫的同位素氘和氚，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。

LiD+高溫→4He+放出巨大能量中子（n）+6Li→ 3H+4He+α

核彈頭一般指核武器本身，廣島和長崎都是用飛機(jī)運(yùn)送而投放的，實(shí)際上需要現(xiàn)代化的運(yùn)送載體，比如導(dǎo)彈、火箭和航天運(yùn)送技術(shù)，將核武器看作為飛行武器的彈頭稱為核彈頭。

“小男孩”廣島三、中子彈

中子彈又稱弱沖擊波強(qiáng)輻射彈。它在爆炸時(shí)能放出大量致人于死地的中子，并使沖擊波等的作用大大縮小。中子彈的特點(diǎn)是只殺傷人員等有生目標(biāo)，而不摧毀如建筑物、技術(shù)裝備等設(shè)備，“對人不對物”。中子是構(gòu)成物質(zhì)原子核的基本粒子之一，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同。中子不帶電，從原子核分裂出來的中子很容易進(jìn)入原子核，人們利用中子的這個(gè)特性，用它轟擊原子核來引出核子反應(yīng)。這就是中子彈。中子彈在爆炸釋放大量的高能中子，是以高能中子輻射為主要?dú)男⌒蜌鋸?。（一）中子彈的核反?yīng)原理中子彈的原理是：利用輕元素的原子核之間（如氫的同位素氘和氚）的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量高能中子。其反應(yīng)式為：

氘＋氚（高溫）→４氦＋中子＋１７．６兆電子伏

（二）中子彈的特點(diǎn)中子彈具有和輻射、沖擊波、光輻射等殺傷力，但主要是靠中子的輻射起到殺傷作用，它可以在有效的范圍內(nèi)殺傷坦克、裝甲車輛或建筑內(nèi)的人員。如果有一枚千噸級當(dāng)量的中子彈在戰(zhàn)場上爆炸，那么800米范圍內(nèi)的人員會被殺傷，被殺傷的人員并不是馬上死去，而是慢慢地非常痛苦的死去，受傷者最長可以拖過7天的時(shí)間。在中子彈爆炸的300米范圍之外的建筑和設(shè)施，可以毫發(fā)不損，可是建筑物中的人員卻不能幸免于難。中子彈的這種特性，很適合在戰(zhàn)場上作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。特點(diǎn)是：1、當(dāng)釋放的能量相同時(shí)，放出的中子數(shù)量要多得多；2、中子的相對生物學(xué)效應(yīng)與γ射線相比要高出3~10倍，殺傷性比光子強(qiáng)5~20倍；3、有極強(qiáng)的輻射穿透力；4、爆炸時(shí)不產(chǎn)生放射性物質(zhì)。

缺點(diǎn)：

中子彈穿透力強(qiáng)，但對付不了地道。1.5米厚的土層就能頂住中子彈的輻射，25厘米厚混凝土或30厘米厚的濕土就能阻止90%的中子，50厘米厚的混凝土或76厘米厚的濕土就可阻止99%的中子。中子彈爆炸后半小時(shí)輻射就消失，人員暫時(shí)轉(zhuǎn)入地道等隱蔽物即可有效防止中子彈的傷害。

中子彈可以對付坦克，能穿透30厘米厚的裝甲（三）實(shí)戰(zhàn)型中子彈的設(shè)計(jì)中子彈設(shè)計(jì)需要高技術(shù)1.聚變材料（又稱聚變?nèi)剂希?.引爆裝置3.小型化4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.核素的半衰期四、核武器的當(dāng)量可調(diào)性1945年7月新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”試驗(yàn)場內(nèi)的一個(gè)30米高的鐵塔上試爆了世界上第一個(gè)核爆炸裝置，它的代號叫“大男孩”，屬于钚彈，钚裝藥約重6.1千克，當(dāng)量為2.2±0.2萬噸。钚裝藥大小與柚子差不多，核武器的當(dāng)量大小往往是可以調(diào)節(jié)的，改變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的引發(fā)時(shí)間、改變中子源狀態(tài)或變換彈芯，就能改變當(dāng)量?？刂齐暗挠昧炕蚋鼡Q彈芯，即可改變當(dāng)量。1945年8月“小男孩”廣島上空、60千克濃縮235鈾，重約4噸，當(dāng)量1.2～1.5萬噸（有報(bào)道1.25萬噸）。1945年8月長崎“胖子”，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。

現(xiàn)代化核彈及生物原子彈

現(xiàn)代核武器的特點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：1、威力巨大，但是其附帶殺傷效應(yīng)較小2、殺傷手段和殺傷破壞目標(biāo)更為單一沖擊波或是電磁脈沖或是其他的殺傷破壞因素，來攻擊特定的目標(biāo)或設(shè)備，令使用者在使用核武器攻擊時(shí)有更大的選擇余地，也更加靈活。3、研究手段中高科技含量非常高由于有全面禁止核試驗(yàn)條約的限制，必須有超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬核試驗(yàn)等；大型粒子加速器、離子對撞機(jī)和慣性約束核聚變裝置等先進(jìn)的研究設(shè)備。目前一些核大國正在加緊研制能增強(qiáng)或減弱某種殺傷破壞因素的各種特殊性能的核武器，如感生輻射彈、電磁脈沖彈等。一、核爆激勵(lì)定向能武器以核能作為動力源的定向能武器，屬于第三代核武器，這類武器利用核彈或核反應(yīng)堆所釋放的巨大能量，激勵(lì)或驅(qū)動產(chǎn)生高能的激光束、粒子束、電磁脈沖、等離子體等，并將其定向發(fā)射，因而可以有選擇地攻擊目標(biāo)，能量也更為集中，具有可控的特殊殺傷破壞功能。美國軍方設(shè)想以地球同步軌道衛(wèi)星作為運(yùn)載平臺，將其部署在外層空間。

俄羅斯的科學(xué)家則對等離子體武器情有獨(dú)鐘，提出利用高密度的等離子云團(tuán)，攔截飛行中的導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器。其作戰(zhàn)原理是：利用核反應(yīng)堆發(fā)出的巨大能量，產(chǎn)生高頻電磁波并將其聚焦于大氣層中的某一處，在聚焦處生成一個(gè)高密度和高電離度的等離子云團(tuán)。一旦導(dǎo)彈或飛機(jī)等飛行器進(jìn)入這一等離子云團(tuán)，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使飛行器頃刻之間粉身碎骨。高頻電磁波飛行器頃刻之間粉身碎骨由于電磁波束以光速傳播，再加上這種等離子武器集目標(biāo)搜索、指揮控制和實(shí)施攻擊于一身，簡化了攻擊程序，反應(yīng)速度奇快。可在瞬間攻擊多個(gè)空中目標(biāo)。核爆激勵(lì)定向能武器目前研制主要在以下幾個(gè)類型：1.電磁脈沖彈：利用核爆炸能量來加速核電磁脈沖效應(yīng)的一種核彈?？蔁龤щ娮釉O(shè)備，可以造成大范圍的指揮、控制、通信系統(tǒng)癱瘓。2.伽瑪射線彈：造成放射性沾染，迫使敵人離開。所以它比氫彈、中子彈更高級，更有威懾力。3.感生輻射彈：是一種加強(qiáng)放射性沾染的核武器，利用中子產(chǎn)生感生放射性物質(zhì)，造成放射性沾染，達(dá)到阻礙敵軍和殺傷敵軍的目的。4.沖擊波彈：是一種小型氫彈，采用慢化吸收中子技術(shù)，減少了中子活化削弱輻射的作用，其爆炸后，部隊(duì)可迅速進(jìn)入爆炸區(qū)投入戰(zhàn)斗。5.三相彈：用中心的原子彈和外部238鈾反射層共同激發(fā)中間的熱核材料聚變，以得到大于氫彈的效力。二、無剩余核輻射的武器屬第四代核武器，也就是能夠在使用中不產(chǎn)生剩余的核輻射，使用后沒有放射性沾染等核污染，可視作“常規(guī)武器”的核武器。（一）同質(zhì)異能素武器核同質(zhì)異能素的特點(diǎn)是處于亞穩(wěn)態(tài)的核素蘊(yùn)含著極大的能量，其核裂變的反應(yīng)能量是一般高能炸藥能量的幾千萬倍。目前核同質(zhì)異能素武器尚處于理論研究階段，研究工作主要集中在研究核同質(zhì)異能素的特性，以及在核裂變反應(yīng)中，如何控制其能量的釋放等。主要是通過重離子碰撞或慣性約束聚變中產(chǎn)生的中子脈沖來合成。

（二）反物質(zhì)武器在這個(gè)世界上還存在有一種完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，也就是反物質(zhì)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，極少量的物質(zhì)同它的反物質(zhì)相互作用，能夠釋放出極大的能量。幾微克的反物質(zhì)放出的能量，就可作為熱核反應(yīng)的扳機(jī)，或者可以激勵(lì)出很強(qiáng)的X射線或γ射線激光，因此反物質(zhì)在軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景，成為目前各國研究的重點(diǎn)，令各個(gè)核大國倍加重視，那就是研制反物質(zhì)武器。三、生物原子彈—基因工程生物武器利用生物技術(shù)可以制造出某種可能徹底毀滅人類的新型生物武器——基因武器，基因武器的出現(xiàn)向全世界敲響了警鐘：人類將面臨新的生物戰(zhàn)和生物恐怖的威脅。（一）基因武器的基本原理基因是生物細(xì)胞核內(nèi)起遺傳作用的物質(zhì)，其化學(xué)組成是DNA，基因具有遺傳性和變異性，遺傳性決定著生物的“子代同于親代”的特征，即所謂“種瓜得瓜，種豆得豆”；而變異性則決定著“子代不完全同于親代”的特征，使世界多姿多彩、變化無窮，物種多達(dá)200萬以上，而且還在繼續(xù)進(jìn)化。

基因武器是一種按照軍事需要而設(shè)計(jì)的具有殺滅、攻擊、失能特殊功效的新型生物武器?；蛭淦饔袃纱笙盗校阂环N是利用基因工程技術(shù)，創(chuàng)造出具有新特性的致病微生物及其毒素制劑去破壞人的免疫系統(tǒng)；另一種是針對某一人群或動、植物的基因密碼特征，去殺傷特定種族（或培養(yǎng)出恐怖動物）。1.重組DNA微生物目前設(shè)計(jì)上有以下幾個(gè)方向。（1）改變生物戰(zhàn)劑抗原性用基因工程技術(shù)將天花病毒與一種最新發(fā)現(xiàn)、致死性極高的“埃博拉”病毒結(jié)合在一起，生成了一種名為“天花-埃博拉病毒復(fù)合體”的基因武器。據(jù)稱，它既有天花的高度傳染性，又有“埃博拉”的嚴(yán)重內(nèi)出血致命性，即使接種了疫苗也無濟(jì)于事，威力相當(dāng)驚人。a在大腸桿菌中接入炭疽毒素基因的工作。b在大腸桿菌接入鼠疫桿菌基因的工作。

圖2-5新型“埃博拉”病毒

如果將埃博拉病毒、馬爾堡病毒、艾滋病毒、炭疽桿菌、鼠疫桿菌、霍亂弧菌，甚至流感病毒等都制作成基因武器，這些“生物原子彈”足以毀滅全人類。（2）增強(qiáng)生物戰(zhàn)劑抗藥性生物戰(zhàn)劑抗藥性增強(qiáng)通過把多種抗藥性基因拼接起來，克隆到一種目的菌中，使其具有廣譜抗藥性，就將使藥物治療變得無能為力。如果將這些抗藥性或抗疫苗基因轉(zhuǎn)移或拼接到經(jīng)典生物戰(zhàn)劑中，培養(yǎng)出抗藥物、抗疫苗的新菌株，一旦將這種生物戰(zhàn)劑投入戰(zhàn)場，將無可救藥。據(jù)悉，美國早就篩選出了抗鏈霉素的土拉桿菌和鼠疫桿菌新菌株，也完成了抗四環(huán)素和抗青霉素菌株的研究工作。德國軍方正在研究耐受抗生素的大腸桿菌、霍亂、鼠疫等病原體。前蘇聯(lián)利用基因工程技術(shù)也完成了多種病毒外層蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改構(gòu)工作，可以使有效疫苗喪失保護(hù)功能，使原來有特異性的診、檢、消、防、治等方法全部失效。

（3）生物毒素武器

毒素的需用量一般較少，只需簡單的設(shè)備、簡潔的方法，幾周內(nèi)所生產(chǎn)的炭疽毒素、肉毒毒素就足以毀滅十幾座大城市。特別是把2種或2種以上的毒素基因融合到一個(gè)菌體中，制造出用于軍事目的的毒素戰(zhàn)劑，就會對當(dāng)今和未來的生物戰(zhàn)帶來更大的威脅和挑戰(zhàn)。據(jù)報(bào)道，美國已將肉毒毒素基因拼接到大腸桿菌中，使普通細(xì)菌變成一種毒性極大的新型生物戰(zhàn)劑。前蘇聯(lián)也已成功的將眼鏡蛇毒素基因與流感病毒基因拼接，創(chuàng)造出一種新型生物戰(zhàn)劑，它能使人群出現(xiàn)流感癥狀，同時(shí)又出現(xiàn)蛇毒中毒癥狀，導(dǎo)致患者癱瘓和死亡。（4）利用基因工程方法可以合成病毒研制殺傷預(yù)定種族對象的基因武器，有選擇地攻擊具有特定種族基因的目標(biāo)?！爸粚硨ΨN族具有殘酷殺傷力，而對已方毫無影響”的新型生物武器稱為“種族武器”。

“1998年西方媒體爆出驚人內(nèi)幕——以色列軍方已研制出一種專門對付阿拉伯人的“種族武器”。研究人員首先確認(rèn)了阿拉伯人的獨(dú)有基因，又發(fā)現(xiàn)了一種含有特殊基因的細(xì)菌，利用這種細(xì)菌的特有功能，可以攻擊并改變阿拉伯人細(xì)胞內(nèi)的DNA，進(jìn)而達(dá)到消滅阿拉伯人的目的。據(jù)說這種“人種炸彈”能識別阿拉伯人和猶太人的基因，而且只對阿拉伯人具有殺傷”

“識別不同種族基因、性別基因、血型基因等多種類型的“人種炸彈”。最近以色列又宣稱，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阿拉伯人特別是伊拉克人的基因結(jié)構(gòu)，并研制完成了對付伊拉克人的“人種炸彈”，找到了對付薩達(dá)姆的有效辦法。”

2.轉(zhuǎn)基因動物生物武器把一段已破譯的目的基因轉(zhuǎn)移到同類動物體內(nèi)，繁殖的后代稱為轉(zhuǎn)基因動物。曾有科學(xué)家設(shè)想從琥珀中一只蚊子的嘴角里發(fā)現(xiàn)了恐龍的DNA基因，再用青蛙的DNA補(bǔ)起殘缺部分，結(jié)果復(fù)活了許多真恐龍，釀成一場災(zāi)難?？膳碌脑O(shè)計(jì)：？？？轉(zhuǎn)基因昆蟲可以作為“人種炸彈”的載體。如果如前所述，以色列已經(jīng)破譯了阿拉伯人的基因密碼，并找到了攻擊其種群的特異細(xì)菌（或特異基因片段），則可以進(jìn)一步通過遺傳工程技術(shù)，把這種細(xì)菌或基因片段轉(zhuǎn)移到蚊子體內(nèi)，再大批克隆攜帶了“人種炸彈”的蚊子。當(dāng)這種蚊子叮咬阿拉伯人群時(shí)，就會釋放出特異生化成分攻擊阿拉伯人的基因，使其發(fā)生致