核武器设计的物理基础
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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。
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。
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：
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。
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。
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：
（1）
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：/
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）
在反射层内部，中子扩散方程为：
（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：
（4） （5）
（6） （7）
首先，方程（2）有通解：，
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。
因此有：。A为新的参数。
由条件（4）、（6）可得：
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：
（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 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 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)
刘星.几种典型电子雷管简介.期刊论文.2003.12
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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