被騙了！核彈“钚心”的結(jié)構(gòu)不是大家想象的樣子，小型化的關(guān)鍵！

那啥，今天的文章盡量不違反《核不擴(kuò)散條約》，咱們就來捋清思路說一個(gè)悖論。

目的也是一個(gè)很簡(jiǎn)單的目的，就為了說明一件事——理性思考可以讓大家打破迷霧，即便是層層保密的核武器技術(shù)也是一樣。

首先說個(gè)騙局就是現(xiàn)在大家看到的原子彈的結(jié)構(gòu)都是騙人的“示意圖”。

對(duì)于核武器的核心大家是怎么想的？很多軍迷會(huì)立刻拿出這張照片：

沒錯(cuò)，這就是最早出現(xiàn)在公眾視野中的核彈核心部件——惡魔核心。很多人就是以這個(gè)核心為藍(lán)本來理解內(nèi)爆式核武器的。

但……這里有一個(gè)悖論。

先說惡魔核心，這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)完整的钚核，而且并不干凈。它在生產(chǎn)的過程中也就是按照理論來說，鈾238在反應(yīng)堆內(nèi)捕獲1個(gè)中子經(jīng)過一系列的嬗變可以生成钚239。但是核反應(yīng)堆內(nèi)的中子是不可控的，在生成钚239是一個(gè)鈾238捕獲了一個(gè)中子，但如果一個(gè)鈾238原子捕獲了兩個(gè)中子呢？就生成了钚240。

钚240很容易自發(fā)裂變釋放出中子（每分鐘每克钚240中有440個(gè)钚240原子裂變，每秒產(chǎn)生920個(gè)中子），這些中子會(huì)被钚239所俘獲產(chǎn)生下一步的裂變反應(yīng)。久而久之钚彈就會(huì)失效，這也是為什么早期核武器是有存放壽命的依據(jù)了。到了現(xiàn)代核武器中，武器級(jí)的钚是要限制钚240的含量的，只有含量在一定百分比之下的才是真正的武器級(jí)钚，這樣一枚钚為核心的核彈才有更長(zhǎng)的儲(chǔ)備時(shí)間。當(dāng)然了，這是一個(gè)題外話，早期原子彈中的钚240本身就可以成為原子彈的中子源，也正因?yàn)檫@個(gè)特性才引發(fā)了惡魔核心的一系列事故。

照片中中間的這二位就在钚核心發(fā)生超臨界事故的時(shí)候患上了急性輻射病死掉了。

事故的原因就在于他們?cè)趦H差5%的超臨界狀態(tài)的钚核心外堆放了碳化鎢金屬塊，碳化鎢是一種具有中子反射性材料它可以把中子反射回去，如果一個(gè)核心所發(fā)出的中子大部分被反射即便是它沒有達(dá)到臨界質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，正所謂質(zhì)量不足概率來湊。

好了，到現(xiàn)在基本的背景信息大家都了解了，咱們可以來講臨界質(zhì)量了，在這一個(gè)環(huán)節(jié)你能明白一個(gè)基本的道理就是原子彈的核心為什么會(huì)做成球形。但同時(shí)這個(gè)問題也會(huì)給你帶來更大的疑問。

“臨界質(zhì)量”——指維持核子鏈反應(yīng)所需的裂變材料質(zhì)量。簡(jiǎn)單的說當(dāng)一枚钚239元子捕獲了一枚中子后會(huì)立刻裂變，釋放出2-3個(gè)中子并釋放出能量。這釋放出來的2-3個(gè)中子繼續(xù)被其他钚239原子所捕獲，這些钚239原子依然會(huì)維持分裂、釋放中子、放出能量的過程。

但這其中的問題是原子和原子之間的距離要遠(yuǎn)比中子大，如果一個(gè)原子是一個(gè)足球場(chǎng)大小，那么原子核大約是足球場(chǎng)中的一個(gè)沙粒大小，當(dāng)一枚原子裂變后，依然要在另一個(gè)“足球場(chǎng)”內(nèi)命中另一枚沙子。這枚中子在進(jìn)入一個(gè)“足球場(chǎng)”后如果沒有命中這個(gè)足球場(chǎng)內(nèi)僅存的“沙子”，就會(huì)穿過這個(gè)足球場(chǎng)后進(jìn)入另一個(gè)“足球場(chǎng)”。當(dāng)這枚中子路徑上有足夠多的“足球場(chǎng)”，按照概率來說就一定可以命中一枚沙子。那么在中子路徑上有多少“足球場(chǎng)”就成了一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)概率問題了，換算出來就是“質(zhì)量”。質(zhì)量嘛就是物質(zhì)的量。

而通過這次統(tǒng)計(jì)概率計(jì)算出的質(zhì)量就是臨界質(zhì)量。钚239的臨界質(zhì)量是10公斤。但是如果給你10公斤的钚239你就可以促成鏈?zhǔn)搅藛幔慨?dāng)然是不可能的。例如給你10公斤甚至20公斤的钚239，但這是一根長(zhǎng)度為細(xì)絲例如長(zhǎng)度641米，直徑1毫米的钚-239絲（恰好10公斤）。這根絲即便是達(dá)到了臨界質(zhì)量也不會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，拉直后只會(huì)比環(huán)境溫度略高個(gè)0.1-0.5攝氏度安靜的存在。

原因是當(dāng)钚239分裂后射出的中子后，中子在細(xì)絲的長(zhǎng)度方向上可以有概率碰觸到另一個(gè)钚239原子核，而在其他方向上中子在沒碰到任何一個(gè)钚原子核前就已經(jīng)離開了這根絲——中子逸出。

正因?yàn)橹凶拥纳涑龇较蚴请S機(jī)的，為了保證隨機(jī)射出的中子在各個(gè)方向上都有概率命中另一個(gè)钚原子核，那么球形無疑是最好的解決方案了。

所以，在達(dá)到臨界質(zhì)量的钚239核心需要做成一個(gè)直徑9.9厘米的球體才能保證在內(nèi)部產(chǎn)生裂變的中子能碰觸到其他的钚原子核產(chǎn)生持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

但是到這里，大家得注意一點(diǎn)，直徑9.9厘米并不是說分裂出的中子要經(jīng)過9.9厘米才可能碰到另一個(gè)钚原子核。真實(shí)的情況是在一個(gè)默認(rèn)密度的钚金屬塊內(nèi)部，如果有一個(gè)钚239原子分裂出中子，這枚中子只需要在钚金屬內(nèi)行進(jìn)1.1厘米的距離就可以碰上另一枚钚239的原子。

之所以是9.9厘米的直徑，還是概率學(xué)在起作用，為的是球體邊緣的分裂的钚239原子所釋放出的中子也有一定概率擊中其他钚原子核。

但這里就有個(gè)問題了！直徑9.9厘米的钚239的重量是多少？

常溫下钚的重量為19.86克/厘米3，直徑9.9厘米的钚核心重量達(dá)到了10.1公斤。這已經(jīng)達(dá)到了臨界值超過了臨界質(zhì)量了。不過通過計(jì)算的公式是100%的純钚239而不是核彈核心中的钚。通常在二戰(zhàn)胖子的設(shè)計(jì)中钚239的豐度只有90%。

有雜質(zhì)就大大降低了中子撞擊到正確的钚239原子的概率。其實(shí)，豐度在90%的钚核心的臨界質(zhì)量被擴(kuò)大到了13.5公斤。只有達(dá)到這種級(jí)別的“物質(zhì)的量”等級(jí)上才有可能達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本條件。

那么，胖子這類的核彈只有10公斤重的核心是如何達(dá)成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)呢？主角并不是钚，而是惡魔核心事故的另一個(gè)成員——中子反射材料。惡魔核心事故的原因是碳化鎢塊，而在核彈中的高效材料是鈹。

剛剛我們討論了“臨界值”和“中子逸出”

有一些材料，例如“鈹”本身是有中子反射性的。當(dāng)中子射入鈹金屬的時(shí)候，會(huì)有一定概率被“反射”回去。

這是因?yàn)殁斢兄鴺O低的中子吸收截面約為0.0076 barn（靶恩），靶恩是一個(gè)粒子物理學(xué)中常用的面積單位，約為10?2?m2，大約是一個(gè)鈾原子核的截面積。0.0076 barn意味著一顆鈹原子對(duì)中子的吸收率約為鈾原子的千分之7.6。但是鈹原子的質(zhì)量又為9，是一種極其輕的原子，同時(shí)又具有六方晶系的晶格結(jié)構(gòu)。這就導(dǎo)致對(duì)質(zhì)量接近于1的中子有了極高的散射率。集中在鈹原子上的中子很容易被鈹散射，連續(xù)的散射在宏觀上會(huì)導(dǎo)致一部分中子原路返回，也就是鈹?shù)摹爸凶臃瓷湫浴薄?/p>

因此在工程上鈹是很有意思的東西，薄片的鈹經(jīng)常會(huì)用作中子透射窗口的材料。

而達(dá)到一定厚度的特定形狀的鈹又被做成了中子反射材料。所以我們?cè)诤芏嗟暮藦椩O(shè)計(jì)中都會(huì)看到鈹（beryllium）反射層的存在。

正是這層鈹反射層的存在，減少了在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的初期核彈內(nèi)部中子的逸出，讓小質(zhì)量的核心具有達(dá)到超臨界狀態(tài)的可能性。

只不過這里有個(gè)悖論。也是現(xiàn)代各種核武器模型宣傳過程中所刻意具略掉的一點(diǎn)。

即便是在各種公開場(chǎng)合所展示的核彈切面模型，也并不會(huì)把這個(gè)鈹反射層給更清楚的展現(xiàn)出來。

這些東西其實(shí)只是“示意”圖，告訴大家有這么一個(gè)層存在，但不會(huì)告訴大家這層到底是什么樣子。

悖論就在此，如果鈹層是一個(gè)封閉的球體有足夠能力反射中子的能力，即便是武器級(jí)的钚所做成的原子彈核心其實(shí)也會(huì)很快由于內(nèi)部中子的產(chǎn)生導(dǎo)致核彈失效。甚至?xí)斐珊藦椬陨淼姆€(wěn)定性下降的風(fēng)險(xiǎn)。

那么應(yīng)該怎么做？實(shí)際上還是概率問題，通過在鈹反射層上做精確計(jì)算的開口，讓核彈內(nèi)部產(chǎn)生的中子有概率逃出鈹反射層，這樣钚在自發(fā)衰變的過程中產(chǎn)生的中子就不會(huì)對(duì)钚核心造成過大影響，同時(shí)也可以有效的保證核彈本身對(duì)穩(wěn)定性。

通常，現(xiàn)代核彈也就做成了這樣的四層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的钚核心，外部則是蜂窩狀的鈹反射層。再外層則是一層高中子吸收率的鋁層，最外則是鈾238的增值層。

那么問題來了，在核爆炸的過程中，這些滿是洞洞的鈹反射層是不是就不會(huì)起到反射中子降低臨界值的作用呢？

這里就有爆炸過程中的重鍛過程了。通常在核彈核心外部包裹有烈性炸藥，在爆炸的過程中這個(gè)核心表面的壓力可以達(dá)到200GPa。

在這個(gè)壓力下在爆轟波從外層炸藥同時(shí)、對(duì)稱包圍钚核心的瞬間，球形結(jié)構(gòu)承受超過200GPa的沖擊壓力，蜂窩狀鈹中子反射層因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向垂直于球面，在沖擊壓力作用下迅速塌縮，蜂巢窗口閉合，形成高致密連續(xù)反射殼層。此時(shí)钚核心內(nèi)部開始劇烈壓縮，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，由常溫穩(wěn)定但較松散的α相（密度約19.8 g/cm3）轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏合碌摩南啵潴w積急劇縮小、密度升高至約24 g/cm3。由于蜂窩反射層閉合后的高反射性，使中子逃逸率驟降，大量初生中子開始被局限在極小的體積中激發(fā)钚239的快速裂變。整個(gè)過程發(fā)生在數(shù)十納秒時(shí)間尺度內(nèi)，在這個(gè)過程當(dāng)中核彈的核心才被真正的觸發(fā)。

這個(gè)技術(shù)在最早的胖子核彈就在使用，不過，也是由于機(jī)密的原因，鈹層的設(shè)計(jì)直至最近幾年才被逐漸的通過相關(guān)的論文透露出來。

那么，這么原始的設(shè)計(jì)和小型化核彈的關(guān)聯(lián)度在哪里呢？

這里有三點(diǎn)：

第一，真正做過設(shè)計(jì)的帶有反射層的核心比不帶反射層的裸核心有著更低的臨界質(zhì)量需求，這就可以讓人們通過優(yōu)化反射層的設(shè)計(jì)用更小的核材料消耗量制作一枚可以正常工作的核彈。

第二，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核彈例如胖子直徑達(dá)到了60英寸（150厘米），而小型核彈的直徑只有11英寸（28厘米）

這是由于反射體的重鍛設(shè)計(jì)有的時(shí)候可以不需要一個(gè)完全的球形爆炸環(huán)境。僅僅需要在特定形狀下由兩端的高爆炸藥在對(duì)稱的位置起爆就可以對(duì)核心進(jìn)行重鍛。

這樣不僅僅簡(jiǎn)化了炸藥層的結(jié)構(gòu)，也同時(shí)降低了外圍起爆系統(tǒng)的復(fù)雜度。

第三，也正因?yàn)榫_的重鍛反射層的設(shè)計(jì)，可以有效的降低和調(diào)節(jié)核彈的輸出功率。

以B-61核彈為例，這是一枚戰(zhàn)術(shù)氫彈，其當(dāng)量可以從三千噸到四萬進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的戰(zhàn)術(shù)目的。它在原子彈這一級(jí)別的功率調(diào)節(jié)實(shí)際上就是依靠?jī)牲c(diǎn)式的爆炸的先后次序（納秒級(jí)）對(duì)反射層重鍛結(jié)構(gòu)的差異實(shí)現(xiàn)的。

所以，核武器的真正“神秘”，從來不在于它本身有多玄學(xué)，而在于人們不愿意用理性去剖析它的物理基礎(chǔ)。我們今天所看到的核武器的核心悖論，其實(shí)正是技術(shù)發(fā)展過程中“隱藏的邏輯”：如果你一味相信圖紙展示的一切，卻忽略了材料力學(xué)、概率論、熱力學(xué)的制約條件，就會(huì)陷入想象中的迷霧被網(wǎng)上的那些結(jié)構(gòu)示意圖所欺騙。按照W君的觀點(diǎn)來說——作為一個(gè)軍迷嘛最好是回歸基本的科學(xué)推理，明白钚為何選擇球體、為何要有蜂窩狀反射層、為何需要重鍛而非一次成型，我們才能真正揭開這個(gè)時(shí)代最危險(xiǎn)武器背后的“工程常識(shí)”。當(dāng)然了，這不是為了教大家制造核武器，而是為了破除神話，讓更多人看見：理性比神秘主義是更有力量的。