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核弹设计理论

发布时间:2019-07-25 20:32 来源:未知 编辑:admin

  核弹设计理论_城乡/园林规划_工程科技_专业资料。核武器设计的物理基础 核弹是利用易裂变元素进行链式反应, 将亏损的质量以质能方程: E=MC2 转化成如冲击波、辐射等形式的能量,在几百万分之一秒内 释放出来,从而造成巨大破坏的武器,下面,我们将详细

  核武器设计的物理基础 核弹是利用易裂变元素进行链式反应, 将亏损的质量以质能方程: E=MC2 转化成如冲击波、辐射等形式的能量,在几百万分之一秒内 释放出来,从而造成巨大破坏的武器,下面,我们将详细介绍一枚核 弹的设计过程。 第一章 认识裂变物质 首先允许我小小地科普一下,按照宇宙物理学的图景,我们的宇 宙产生于一个奇点,起初并没有物质,只有能量与弦,在弦与能量交 汇的节点产生了光子,高能光子又分裂为正负电子对,随着弦的波动 与能量的纠缠诞生出强子及电子、中微子等各种物质,这些物质如夸 克、电子等以精细对称的形式结合成稳定的基团,也就是我们熟知的 各类元素,在大质量的天体如恒星的中央,较轻的元素比如氢,在巨 大的压力下进行聚变反应产生出新的更重的元素,如氦、锂,同时释 放出能量, 这一自持聚变燃烧反应对原子序数在铁之前的元素是有效 的,对于铁之后的物质,则可能是晚年恒星坍缩爆炸的产物,所以平 衡性减小,如果原子核受到新的粒子如中子、或者质子等扰动,则新 基团的势垒将高于核子结合能,核子将分裂开来,并释放出多余的结 合能,这就是核能的来源。 第二章 核反应简介 在这里我们主要探讨中子所造成的核反应,当一个自由中子入 射到原子核附近时,按照不同的几率,会产生如下几种反应: 1. 弹性散射(EL) ,就像两个乒乓球相撞,然后又互相弹开了,改变 的仅仅是各自的速度和运动方向,我们通过经典力学就足够了解 它们了。 2. 非弹性散射(NON),当发生非弹性散射时,中子首先被原子核吸 收形成激发状态的复合核,然后复合核通过发射伽马射线放出中 子而回到基态,发生这一反应的前提是中子的动能必须达到原子 核的第一激发态。 3. 吸收(INL),吸收反应就是中子被原子核吸收掉了,产生出一个不 稳定的复合核,通过发射各种物质如:γ、α、氢离子等来消耗多 余的能量来回到基态,有一类元素在吸收低能中子后有很大概率 分裂成几个较小的原子核,并释放 2 个以上的中子,引发新一轮 的裂变反应,反应式为: 235 92 1 A1 A 1 U ? 0 n ? [ 236U ]* ? Z1 X ? Z 2Y ?? 0 n (1) 92 2 这种元素被称为易裂变元素,在核反应工程中具有重要的意义, 如铀-235、钚-239 就属于此类物质。 当不同能量的中子入射到不同物质中时,发生每种反应的几率是 不一样的,称之为核反应截面,现在网络上有详细的评价核数据 库供我们使用。例如铍-9 的总截面谱为: 第三章 核临界及弹芯设计 下面我们来正式进入核弹的理论设计工作,我们知道核弹的爆 炸来自于链式反应(1)放出的巨大能量,而如何使(1)持续地进行 下去,我们就要引入“核临界”这个概念,即单位时间内穿过单位体 积的中子数保持恒定,即中子通量守恒。在没有外中子源的情况下, 核燃料内部的中子扩散方程为(我们假定只有快群中子参与反应) : ?2?c (r) ? Bc 2?c (r) ? 0 (2) 在反射层内部,中子扩散方程为: ?2?r (r ) ? kr 2?r (r ) ? 0 (3) 在核燃料与反射层的边界面上, 必有中子通量相等, 中子泄露量相等, 边界条件: ?c (r )? ?r r (4) ( ) Dc? c ? Dr? r (6) l i mc ? ? ? r ?0 (5) (7) ?r ? 0 r ?R?T ?c (r ) ? Ac cos Br sin Br ? Cc r r , 首先,方程(2)有通解: sin Br ?c ( r ) ? C r 由条件(6)知 AC=0,故有 。 在反射层中 (3) 有通解: 由于边界条件(7) ,故有 ?r (r ) ? Ar cosh(kr r ) sinh(kr r ) ? Cr r r , Ar ? ?Cr tanh[kr ( R ? T )] 。 因此有: ?r ? A sinh[kr ( R ? T ? r )] r 。A 为新的参数。 由条件(4)(6)可得: 、 C Dc A[ sinh( BC R) sinh(kT T ) ?A R R Bc cos( Bc R) sin( Bc R) k cosh(krT ) 1 ? ] ? Dr C[? r ? 2 sinh(krT )] R R2 R R 将以上两式相除, 我们就可得到带有反射层的球型核弹临界方程: Dc [1 ? Bc R cot( Bc R)] ? Dr [1 ? R T coth( )] Lr Lr (8) (8) 式给出了带有反射层的弹芯在核临界时各种材料的物理性质 与他们半径的关系。经计算,在带有足够厚度的铍中子反射层时,铀 -235 的临界质量为 13KG。在我们的设计中,弹芯材料选为铀 235, 反射层为铍 9,弹芯由几层球状的金属壳构成,中心部位是一个半径 为 3cm 的聚变材料球, 它是一个铍制的空心金属球, 里面填充氘化锂 固体,用来发生聚变反应,外部为 3.2cm 厚的铀 235 燃料层(铀-235 总重量为 18.5KG) ,以及 6cm 厚的铍制反射层,我们将一部分反射层 布臵在外围,以保证未点火前核弹处于次临界状态,通过查询评价核 数据库并计算,容易得到如下参数: Dc =1.02cm, Bc =0.3059m, R=7cm,Dr=0.25/cm, Lr 2 ? Dr ? a =3333cm2,,代入计算(6)式计算,易 得当 T=4cm 时,弹芯是亚临界的,当 T=6cm 时,弹芯处于超临界状 态,故而我们将 2.5cm 厚的铍布臵在紧贴着铀-235 表面,其余的放在 爆轰驱动机构中去,为了使反射层具有足够的中子屏蔽性能及动量, 我们在外围布臵 3cm 厚的铍加 1cm 厚的铀-238 金属,总质量大约为 50KG,当然最后不能忘记在弹芯中间插上一根半径约 2cm 的中子管 (具体设计见后文) ,这样我们就完成了弹芯的临界设计(当然出于 材料的考虑, 我们完全可以换成钚-239,这样只需要根据中子截面重新 算一遍参数 就可以了) 。结构示意图如下: 第四章 综合设计 然而光有临界状态的弹芯尺寸还不够,为了能安全地操作并满 足顾客的需要,我们需要为弹芯装上一套驱动装臵(即能迅速地将弹 芯由次临界状态变为超临界状态的动力装臵)及相应的遥控系统,这 样,恐怖份子大帝就可以躺在绿洲上操纵世界了。 4.1 驱动装臵我们选用一个球形爆轰驱动装臵,示意图如下: 该装臵的原理是由布臵在最外侧的一组炸药透镜均匀地引爆主 炸药柱 1 产生一个向心爆轰波,推动 4cm 厚的中子反射层 2 向铀-235 燃料球 3 迅速压缩,当反射层与核燃料之间紧密结合时,延时电路启 动中子管释放出中子来点燃处于超临界状态的核燃料, 从而引发链式 反应。要取得良好的爆轰压缩效果,我们必须对每个过程及参数进行 周密地计算。 首先我们需要求得中子反射层即飞板被炸药 1 驱动后能达到的 最高加速度以及加速的时间,设 t=0 时,密度为,长度为 l,质量为 m,爆速为 D 的炸药在外围被均匀起爆,t=l/D 时,爆轰波到达反射 层 M 表面,根据文献【15】 ,粒子的速度 u 满足关系: u ? D(1 ? ? ?1 l ? ?) ?? Dt (7) 其中 2 ? ? ( 1? ? ?1 D/ t ?1 /)(8) 2 (l ) ? ? (16 / 27)m / M (9) 我们可以算出,u 的极限值大约是 D/3,为了尽可能地提高压缩 效果,m/M 取 7~8 左右,飞行空腔不宜过长,否则会造成较大的变 形, 按常规取为 4.5cm 就足够了, 我们要推动的反射层内径为 13.2cm, 外径为 17.2, 其中包括 3cm 厚的铍金属, 厚的铀 238,总重量为 40kg, 1cm 这样向心压缩时,它们就可以完美地亲吻到核燃料球上,主炸药 1 的 质量取为 400kg,材料可以选用 JO-9159,该种炸药密度为 1.86g/cm3, 正常爆速为 8.86km/s,爆压为 36.8Gpa,Gurney 速度为 2.85km/S,与美 国的 PBX-9404 炸药性能相当,属于我国军方最好的炸药。我们可以 将反射层制成如下图的锥体均匀布臵在球面上: 经计算,主炸药的外径为 38.5cm,炸弹总质量约一吨左右。爆轰 波从主炸药外端传播至反射层共耗时 t=S/U=2.39X10-5 秒,随后反射 层金属通过 4.5cm 的自由空腔被加速到接近 Gurney 速度,约 3KM/s 撞击核燃料球,飞行耗时 1.5X10-5 秒,两者共计耗时 3.85X10-5 秒。 4.2 炸药透镜 在炸药中,爆轰波是以电子雷管为点爆散心的,而我们所设 计的装臵是一个直径一米多的球体, 为了将球面波转化成我们所需的 平面波,均匀地投射到主炸药表面,我们可以仿效光学折射原理,利 用两种高低爆速的炸药组合成炸药透镜, 即平面波发生器。 (十) 如图 所示: 在这里,我们以 Baratol(TNT/Ba(NO3)2 作为低速炸药, 铸装 TNT/RDX(40/60)作为高爆速炸药,两者交界面处理成圆滑 双曲面,锥顶角β符合如下公式: tan ? ? D12 ? 1 2 D2 带入计算得顶角为为 53°,为了在球面上保持对称,我们 将 32 个多边形炸药透镜对称装在主炸药的表面,就像一个个突起的 足球皮, 1945 年胖子核弹就是采用类似的炸药透镜, 由于对爆炸时间 计算的需要, 该炸药透镜的工作高度可近似看成是轴线处 (即尖顶处) 低速炸药 Baratol 高度的 1.4 倍左右, 所以爆轰波通过炸药透镜的时间 是 1.5X10-5 秒。 最后为了将中子管部件插入裂变材料中心,我们需要拆掉一 块炸药透镜组件,这对其产生的不均衡度不到 10%,是可以接受的。 第五章 中子管组件 5.1 商品中子管的使用 中子管是为核弹提供中子源的关键部件,它是利用 penning 放电 原理,将氢离子通过引出电极并高压加速后轰击在靶材料上,进行 D-D、D-T 反应,即: 2 2 D ? 3T ? 4 He ? n ? 17.6Mev D ? 2 D ? 3He ? n ? 3.8Mev 从而产生 17Mev 或者 3Mev 的中子,对于核弹专用中子源,最重 要的指标是中子产额。 一个很简便的办法就是, 我们只要弄到实验室或大学的批文就可 以购买成品,用途就注明是探伤检测。目前市面上可以买到的中子管 大致有如下几种型号, 5.2 自己研发的产品 如果买不到成品,或者不合要求,也可以自己来组装一个,并且 投产后还可以产生经济效益, 下面来介绍一种目前通用的高效中子管, 图片来自文献【10】 : 主要由 1.空腔 penning 离子源 2.加速电极 3.锆-石墨储氘器 4.铜-钛靶 5. 线.高压电源控制系统,等 6 个主要部分组成,目前美国 最先进的中子管产额可稳定达到 1014n/S,而我们因为材料及真空工艺 的原因,目标定在 1010n/s 也能凑合用了。 设计并制造一个精密的电子产品并非易事, 我们可以根据已有的 产品及理论来优化细节,尽量少走弯路,节省投资。 一种可靠的中子管结构图如下: 为了跟我们所设计的核弹相匹配,离子源的阳极为φ14mm 的钼 电极筒,靠末端是空腔钼阴极,其中空腔结构为:2mmX10mm 的凹 槽,这种结构可以增大轴线处等离子体密度。参考文献【11】 ,靠近 加速极的是对阴极,中间开一 ? 4mm 的孔,两极间距为 2mm,极间用 绝缘子绝缘。外面分别用绝缘子固定在φ17mm 的可伐金属筒上,再 把可伐金属筒与 1.5mm 厚的氧化铝陶瓷外壳焊接在一起,这样做的 好处是将强磁场限制在筒内,并加强了结构强度。0.5T 的强磁场由两 块钐钴镍永磁体提供,在 200°以内场强稳定。气压控制装臵与储氘 器相整合,工作时用一根钨灯丝加热,功率为 5V,6A。靶做成顶角 为 120 ° 的 圆 锥 以 增 加 聚 变 反 应 面 积 , 靶 基 为 无 氧 铜 , 靶 膜 为 0.74~0.78mg/cm2 的钛靶,采用电子枪蒸镀工艺制成。平时管内压强 为 10-5Pa,工作时为 10-3Pa。 5.2.1 中子管高压电源系统【12】 中子管电路共需要三路电源,5KV/20mA 的离子源电源,5V/6A 的灯丝电源,以及 200KV/5mA 的靶极电源。在这里,我们可以直接购 买市场成品然后组装起来,为了便于核弹的机动部署,整枚核弹用高 能电池组统一供电, 通过逆变器及开关电源转换后提供给其他用电部 门,需要注意的是,中子管高压电极开启时间应设定在常规炸药点火 后 5.35X10-5 秒。 例如: 天津东文高压厂的高压电源模块可以稳定达到 5KV, 20mA 的技术条件,有民用,工业,军品三种型号可选择,模块外形如图: 5.3 电子雷管及手机遥控装臵 下面我们来确定电子雷管及手机遥控开关,为了降低设计成本, 直接采购市场成品。 电子雷管是国际上成熟发展并逐渐走向普及应用的一种先进的 引爆产品,目前仍有较大发展潜力,与传统的延时火药雷管相比,具 有安全性高,误爆率低达 10-12,定时精度可达 0.1ms,拥有不可替代 的优势,电子雷管的基本原理如图【14】 : 从开关稳压电源上接一路 15VDC 电线 及起 爆储能电容 C2 充电,C2 采用一个 68uf/50V 的陶瓷电容,在已充电 情况下, 当单片机判断起爆器传来 “起爆”脉冲信号时, 即启动 K3, 引爆雷管,K3 采用一个装有两级反相器驱动的 MOS-FET 物理开关, 可高效迅速地将电容 C2 中的能量导入点火桥丝。 为方便起见,我们可购买现有产品加以适当改装。 例如:日本旭化成工业公司在二十世纪八十年代开发的 EDD 高 精度电子雷管,示意图如下: 5.32 手机遥控电路 手机遥控开关作为核弹的总开关, 要求在宇宙中任何一个有手机 信号覆盖的城市均能遥控起动核弹引爆程序, 手机遥控器可选用国内 某公司相关产品,外型及参数如图: 这样,通过将上述部件组装在一起,一枚绝对可以起爆的低成本 高效率的核弹就诞生了,希望能对大家有所帮助: ) 参考文献 1. 阎昌琪.核反应堆工程.哈尔滨工程大学出版社.2004 2. 黄祖洽.核反应堆中子动力学基础.北京大学出版社.2007 3. 韩 银 录 . 中 子 与 裂 变 核 238U 反 应 双 微 分 截 面 的 理 论 分 析 . 期 刊 论 文.2004.28(2) 4. 朱士尧.核聚变原理.中国科学技术大学出版社.1992 5. 蔡章生.核动力反应堆中子动力学.国防工业出版社.2005 6. л . п . О Р Л Е Н К О .Explosion Physics. Ф И З М А Т Л И Т.2002. 7. 孙 承 纬 . 多 级 炸 药 爆 轰 驱 动 技 术 的 Gurney 模 型 优 化 分 析 . 期 刊 论 文.2004.24(4) 8. 孙 承 纬 . 平 面 二 级 炸 药 强 暴 轰 驱 动 装 置 的 优 化 设 计 . 期 刊 论 文.2009.23(2) 9. 赵锋,炸药强爆轰驱动高速飞片的实验及理论研究.2005 10.王启新.强度为 2.5X109 中子管的研制.期刊论文.1993.27(3) 11.Л.М夏宁.等离子体发射带电粒子束源.国防工业出版社.2000 12.杨喜峰.便携式 1010 中子发生器电路的研制.2004 13.韩 秀 凤 . 对 炸 药 驱 动 飞 片 速 度 的 理 论 计 算 方 法 及 评 价 . 期 刊 论 文.2005.28(1) 14.刘星.几种典型电子雷管简介.期刊论文.2003.12 15.炸药爆炸理论。 哈恩发现了核裂变反应 至今已过去 68 个年头 你在图书馆,正凝视着书上的字母 我却在一旁计算你嘴边弧线的方程, 聚变、裂变、散射、俘获,那是谁的发现 我像孤独的中微子,已在银河中穿梭了几十万光年 加速器加速了我的心跳 离心机分解了我的梦想 思念像链式反应般蔓延 当时空已经被电离 聚变就是你我唯一的宿命 我给你的爱写在核弹发射之前 想不起几个世纪前造成了穿越 只因无力看见你离去的身影 我眼底的等离子体燃起了火焰 却无法击穿灰色的空气,吻上你冰冷的阴极。

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