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置在外围，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：=1.02cm，=0.3059m，R=7cm,Dr=0.25/cm,=3333cm2,，代入计算（6）式计算，易某某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厚的铍布置在紧贴着铀-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，我们在外围布置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 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。 一种可靠的中子管结构图如下：
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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。气压控制装置与储氘器相整合，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：XX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置
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】：
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从开关稳压电源上接一路15VDC电线给控制器储能电容C1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***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:
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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***相关产品，外型及参数如图：
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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
阎某某.核反应堆工程.XX工程大学出版社.2004
黄某某.核反应堆中子动力学基础.XX大学出版社.2007
韩某某.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)
朱某某.核聚变原理.中国科学技术大学出版社.1992
蔡某某.核动力反应堆中子动力学.国防工业出版社.2005
л.п.ОРЛЕНКО.Explosion Physics.ФИЗМАТЛИТ.2002.
孙某某.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)
孙某某.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)
赵某某，炸药强爆轰驱动高速飞片的实验及理论研究.2005
王某某.强度为2.5X109中子管的研制.期刊论文.1993.27(3)
Л.М夏某某.等离子体发射带电粒子束源.国防工业出版社.2000
杨某某.便携式1010中子发生器电路的研制.2004
韩某某.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)
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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