氫彈的爆炸——是一瞬間？還是一段時間？

只要一提原子彈，緊接著就有人非得讓W(xué)君說氫彈、中子彈……這都是老段子了，一般的老百姓或者初級的軍迷知道氫彈是一種利用原子彈作為核扳機引發(fā)核聚變反應(yīng)的武器就已經(jīng)很不錯了。但是，要更深入的了解氫彈，泰勒-烏拉姆構(gòu)型、于敏構(gòu)型這些看似很專業(yè)，但是又讓人丈二和尚摸不到頭腦的詞匯似乎還遠遠不夠。

那么，今天咱們就來具體的從設(shè)計根源上聊聊氫彈以及氫彈的設(shè)計、變種，相信你看完之后，會理解為什么今天會有這么一個奇怪的標題。

其實，無論是泰勒-烏拉姆構(gòu)型還是于敏構(gòu)型本質(zhì)上都是工程設(shè)計的區(qū)別，和氫彈的工作原理并沒有太大的關(guān)系，只不過由于我們有所謂的“于敏構(gòu)型”在結(jié)構(gòu)上和泰勒-烏拉姆構(gòu)型有了區(qū)別，給我們帶來了情緒上的自豪感罷了。

先別急，氫彈的本質(zhì)是利用原子彈爆炸的能量所產(chǎn)生的高溫使熱核裝料的原子獲得更大的熱動能，從而相互碰撞產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，從而釋放出能量。

只要能完成這個過程，其實所謂的“構(gòu)型”設(shè)計并不重要。

為了理解這個問題，咱們先說世界上第一枚氫彈——常青藤麥克（Ivy mike）1952年11月1日，美國在常青藤行動中引爆了一枚代號麥克的核實驗裝置。這個裝置有點類似于一個小型化工廠：

圖片左邊是一個巨大的冷卻罐塔，內(nèi)部裝有一枚原子彈和一個用鈾238制造的液氫儲存罐。

這枚TX-5的原子彈核心脫胎于美國在1950年開始逐步裝備的Mark 5原子彈，輸出當量大約為6000噸TNT，液氫儲存罐內(nèi)存放的是940升總計160公斤的液態(tài)氘，這些氘被周圍的制冷裝置冷卻到了20K（零下250攝氏度）。

在這套裝置中，我們需要注意的是hotspot light pipes（熱點光導(dǎo)管）。

這是一系列的設(shè)置在裝置中深入裝置內(nèi)部的光電傳感器，在爆炸發(fā)生的時候測量內(nèi)部的光電信號并發(fā)送到三公里之外的信號收集存儲裝置內(nèi)。從結(jié)構(gòu)上來看這些光導(dǎo)管可以涵蓋整個爆炸過程內(nèi)的極其短暫瞬間內(nèi)的光電信號。

用來做理論計算和實際工程效果之間的差異測量。

很多人認為氫彈爆炸是一個單一過程，但事實遠比這復(fù)雜。在“麥克”這樣的大規(guī)模熱核試驗裝置中，物理反應(yīng)的“連鎖順序”極為重要。從最初的钚核心壓縮、臨界啟動，到X射線泄露與透鏡聚焦、再到液氘加熱聚變的開始，每一個過程都有明確的時間延遲與空間布局。

但，我們回頭去看這個爆炸裝置，你卻可以簡單的理解為一個原子彈炸了一個裝滿液態(tài)氘的罐子。

不理解？那舉個游戲里的例子，在游戲里面手雷的威力通常并不大，但是如果把手雷扔到油桶上，引爆了油桶，就可以炸飛半邊天了。

由于鈾原料極其難以取得，而且利用核裂變連鎖反應(yīng)的原子彈的核心有質(zhì)量上限的限制，造出便宜又威力大的裂變核彈成本極高，設(shè)計極難。

但氘和氚就不一樣了。

相對于鈾和钚來說，氘和氚簡直便宜的像不要錢，同時由于這兩種材料是聚變材料，并沒有臨界值的限制，簡單的說就是量大管飽。你只要舍得往原子彈周圍堆聚變材料，那么造氫彈的當量是沒有上限的。

讀到到這里，如果你能理解上面的內(nèi)容，那么在W君眼里，你對氫彈的知識積累就達到了小學(xué)生水平。咱們繼續(xù)深入說下去：

看麥克裝置的結(jié)構(gòu)圖，你再對照下面的泰勒-烏拉姆構(gòu)型

你會發(fā)現(xiàn)“麥克”裝置是具備原始的“泰勒-烏拉姆構(gòu)型”結(jié)構(gòu)的。但其實，這是一個巧合，雖然“麥克”這個裝置是愛德華·泰勒在設(shè)計的，但這個裝置僅僅是一枚氫彈的入門款，還談不上什么構(gòu)型。同時，你還得知道一個秘密——這枚爆炸當量高達1040萬噸TNT的裝置，真正來自于氘的聚變所釋放的能量不足1/4，也就是說這枚氫彈爆炸的77%的能量其實還是來自于核裂變。

是不是有點打破了大家的固有印象？氫彈的爆炸不是要來自于氘氚等輕元素聚變所釋放出的能量嗎？怎么又變成裂變了？

原因是在“麥克”結(jié)構(gòu)中，氫彈中液態(tài)氘的聚變是難以自持的。在這次爆炸中氘-氘的聚變一共釋放出了239萬噸TNT當量的能量，我們?nèi)绻凑针圩兊姆匠叹涂梢杂嬎愠龃蠹s有70%的氘參與了反應(yīng)，這個反應(yīng)是一瞬間完成的，完全拜裝置中的原子彈爆炸所賜。所以即便是罐子里所有的液態(tài)氘完全反應(yīng)，其爆炸輸出當量也就是大約350萬噸TNT當量。離著1040萬噸的當量還差上那么一大截。

氘-氘聚變在“麥克”裝置中無法自持的根本原因，在于聚變產(chǎn)物（高能粒子和熱能）不能在高密度條件下有效回饋并維持足夠的能量密度，導(dǎo)致反應(yīng)無法形成正反饋鏈條。同時，液氘密度太低，即使是液態(tài)也遠不夠——液氘密度約為 0.1624 g/cm3，在這種密度下，聚變反應(yīng)幾率（即碰撞截面 × 粒子密度）極低，無法快速達到“α粒子（或中子）能量再加熱其他氘”的正反饋機制。

那么這額外的700萬噸TNT當量的爆炸能量是哪里來的？了解完這個，你就能到初中水平了。

原因在于有一部分氘-氘聚變的中子擊中了作為外殼的鈾-238！

這里有三個被很多軍迷忽略掉的知識點。

第一、核彈的鏈式反應(yīng)是有窗口的，我們所說的钚鏈式反應(yīng)通常是這樣寫：

一個钚239原子捕獲了一個中子生成鍶和氙，釋放出2個中子和207兆電子伏特的能量。問題是——反應(yīng)方程箭頭左邊的“n”和箭頭右邊的“n”是不是一樣的呢？完全不一樣！

钚吸收的是“慢中子”甚至是“熱中子”而放出來的是“快中子”。中子所具備的動能被定義為冷、熱、快、慢。大部分裂變材料所需要的中子是熱中子或者慢中子。因此我們能聽到一個概念，核反應(yīng)堆中要增加水或者石墨作為減速劑，為的就是通過中子在水和石墨中的不停碰撞降低速度成為慢中子才才可以真正的被裂變材料所吸收，引發(fā)下一次裂變。

而在原子彈中，我們并不是“不愿意”讓中子減速，而是根本無法依靠減速劑在如此短的時間內(nèi)完成減速。一次核爆炸從鏈式反應(yīng)啟動到核心膨脹失控，整個過程不過數(shù)十到一百納秒（1納秒 = 十億分之一秒）。在這個時間尺度上，大部分裂變所產(chǎn)生的中子根本來不及經(jīng)過數(shù)百次彈性碰撞、穿梭反射、逐步熱化成為“熱中子”。

因此，一枚達到臨界狀態(tài)的原子彈往往無法點燃所有的裂變材料，通常只有臨界質(zhì)量的不到10%的核材料可以參與鏈式反應(yīng)，剩下的90%的核材料只是做分母增加裂變碰撞的概率而已。

在很多鏈式反應(yīng)的演示動畫中，您看到的次次命中次次分裂只是讓你看到反應(yīng)原理，而并非真正的工程實質(zhì)。如果是按照真實場景設(shè)計的動畫中你只能看到一只只代表中子的小球在一大堆代表原子的大球中碰撞穿梭，而原子裂開進行裂變的場景你得等幾個小時才能閃現(xiàn)的出現(xiàn)一下。

第二、元素周期表并不是二維的，為了方便使用元素周期表才做成了大家現(xiàn)在所看到的樣子。我們在討論元素的時候通常討論的都是最基本的元素形態(tài)——這往往指的是最基本穩(wěn)定同位素形態(tài)的中性原子。但其實，每個元素都有不同同位素、不同離子態(tài)、不同激發(fā)態(tài)、甚至在強核力作用下的異常核態(tài)，這意味著“一個元素”背后，是一個復(fù)雜的狀態(tài)空間。

很多人可以查到鈾的同位素鈾238，在接收了一個中子之后可以形成新的同位素鈾239。這是一種不穩(wěn)定的元素，半衰期只有23.45分鐘，在23.45分鐘之后鈾239會有概率釋放出一個電子形成镎239，同樣镎239也不穩(wěn)定，會在大約兩天半的時間后繼續(xù)失去一個電子變成大家很熟悉的钚239。

但是，要知道，上面的表述只是對鈾238吸收了慢中子或者熱中子的表現(xiàn)。這是一個普通能級的鈾同位素。

通常，在極其嚴謹正式的場合中，我們會以 23?U 來表示鈾239，這是表示默認能級的方式。但我們還會用23??1U和23??2U來表示這個原子核內(nèi)含有92個質(zhì)子和147個中子的元素的不同激發(fā)態(tài)。

和打臺球一樣，入射的母球力道不同臺球也會呈現(xiàn)不同狀態(tài)。原子也一樣，體現(xiàn)出來的狀態(tài)就是原子的“激發(fā)態(tài)”。在激發(fā)態(tài)下的鈾239會在200-300納秒內(nèi)直接裂變，釋放出大量能量。

23??U → ??Kr + 13?Ba + 2.5n + 205 MeV

23??U → ??Sr + 1??Xe + 3n + 207 MeV

23??U → ?2Rb + 1?2Cs + 2.6n + 208 MeV

那么為什么這次“氫彈”爆炸的主要能量來自于鈾238外殼的裂變反應(yīng)呢？實際上這件事和為什么造氫彈的理由是一樣的，還是便宜、量大管飽。

在“麥克”裝置中作為核扳機的TX-5原子彈核心有6公斤的钚239（實際分裂350克），如果再多就超過臨界值了。而這個裝置的鈾238外殼則重達1噸。在這次爆炸中，經(jīng)過計算有超過200公斤的鈾238捕獲了中子進入了激發(fā)態(tài)。

第三、第一枚濕式氫彈其實是一枚三相彈。到這里或許大家明白了“麥克”的爆炸流程，本質(zhì)上聚變材料提供的是外殼上的鈾238所需要的快中子。按照核武器的分類原則來說這是一枚三相彈。是一枚“裂變-聚變-裂變”式的增強型氫彈。

好了，到這里，初中課程完畢。咱們繼續(xù)進入高中課程。

麥克裝置和現(xiàn)有核彈有什么區(qū)別，以及到底什么是泰勒-烏拉姆設(shè)計呢？于敏的設(shè)計和泰勒-烏拉姆設(shè)計有什么不一樣的地方呢？

濕式氫彈主要是以液態(tài)氘為聚變材料的氫彈，麥克裝置之所以這么復(fù)雜象一個小化工廠本質(zhì)上來說是為了實驗觀測。在對愛德華·泰勒的采訪中他表示必須要有一個1:1的裝置進行觀測才可以驗證裝置設(shè)計的合理性。在麥克裝置之后，美國生產(chǎn)了試驗性的濕式氫彈。

這種氫彈的顯著特點就是在投放前需要加注液態(tài)氘。但是，這種氫彈只制造了5枚就很快消失了，取而代之的就是氘化鋰為聚變材料的干式氫彈。

1953年8月俄國人搞了一個RDS-6S（結(jié)構(gòu)圖右下），采用的多層結(jié)構(gòu)疊層設(shè)置氘化鋰和鈾238，這是一種不同于泰勒-烏拉姆結(jié)構(gòu)也不同于“于敏”結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

其輸出當量并不大，只有40萬噸TNT。但是這是把干式氫彈實用化的首先用例。

我們回過頭來看，為什么“麥克”裝置、RDS-6S的疊層設(shè)計都可以引爆氫彈中的聚變材料呢？

答案相當簡單——熱。

通常，我們看宏觀的熱傳導(dǎo)方式主要是以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種形式傳播。

但是如果到微觀層面呢？其實是依靠粒子碰撞和光輻射。熱的本質(zhì)是物體內(nèi)部大量分子或原子的無規(guī)則運動。這種運動的劇烈程度決定了溫度的高低，而傳遞熱量的過程是能量的轉(zhuǎn)移。

到了微觀層面，大量核爆炸所產(chǎn)生的粒子具備了極大的動能，可以迅速的加熱聚變材料。實際上就是“小球碰小球”，當然了，更微觀層面還有其他效應(yīng)。但我們可以知道粒子動能電子伏特和宏觀溫度是等效的。

從宏觀層面只要能把聚變材料在炸飛之前加熱到足夠熱那么就可以引發(fā)聚變反應(yīng)。我們看到的“麥克”裝置和RDS-6S都是依靠這樣的設(shè)計來進行加熱的。只不過和熱傳導(dǎo)以及對流來對比的話，依靠粒子碰撞加熱聚變材料的方式能耗比太低——核彈部分的核心爆炸是以球體的形式對外擴展的。而安置在核彈一側(cè)的核材料僅僅能接受整個爆炸范圍極小投影范圍內(nèi)的粒子動能交換（升溫），而且要知道的是粒子的動量也是守恒的，在最靠近核彈核心的位置上快中子、飛濺的阿爾法粒子可以給外層的氘、氚原子遠大于聚變所需要的能量，但離著核彈核心遠一些的位置上氘、氚原子所獲得的能量又不足了。

為此，泰勒-烏拉姆的構(gòu)型設(shè)計中增加了對光壓的優(yōu)化，利用爆炸的所產(chǎn)生x射線光壓在聚變材料內(nèi)部投射足夠的熱量讓聚變材料從內(nèi)部加熱。

這樣就有助于更高效率的利用聚變材料。同時采用了氘化鋰材料。首先這種材料并不完全是因為鋰在中子轟擊下可以轉(zhuǎn)變成氚，更重要的是氘化鋰的密度高達0.91g/cm3，遠大于液態(tài)氘的0.16g/cm3這個層次的密度就給了干式氫彈更高的反應(yīng)窗口區(qū)間。

至于“于敏”構(gòu)型，實際上是增加了一個x透鏡這里面就利用到了逆康普頓效應(yīng)。將一部分在爆炸過程中產(chǎn)生的接近于x光的深紫外光倍頻到了x光的范疇，同時由于透鏡的匯聚面更大，也就從兩個方向上提高了核彈板機的能量利用率。在氫彈小型化的設(shè)計過程中，其實于敏構(gòu)型不只是我們在采用，很多國家都在“偷學(xué)”。例如法國的S2彈道導(dǎo)彈上的MR-31彈頭，其實也是典型的x透鏡設(shè)計。

當然了超小型氫彈無論是泰勒-烏拉姆構(gòu)型還是于敏構(gòu)型都玩不轉(zhuǎn)。

提示一點：在原子彈爆炸的時候產(chǎn)生強大的光電磁輻射，我們用了光的部分，但更容易約束的磁力還沒有用在早期的核武器設(shè)計中。

到這里，高中就上完了。

現(xiàn)在，如果要在這方面再提高，就是要觸及到氫彈的核心問題了——粒子和能量的輸送。如果了解了這個關(guān)鍵核心，你也就會深刻的理解氫彈以及氫彈的變種。

無論是泰勒-烏拉姆構(gòu)型還是于敏構(gòu)型，都集中在了X射線壓縮的“輻射慣性約束”和“能量壓縮機制”的實現(xiàn)上。這只是氫彈能在內(nèi)部引發(fā)聚變的一種手段。但無論是干式氫彈還是濕式氫彈，爆炸的過程中聚變并不完全是所有的能量輸出來源，人們依靠鈾238外殼實現(xiàn)爆炸輸出功率增量的行為也不僅僅呢是在氫彈的設(shè)計中就開始使用的，在早期的核武器中，鈾238外殼也是一個相當重要的組件。只不過和原子彈相比，聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的大量中子能更有效率的擴大鈾238的輸出增量。

我們?nèi)绻S著一顆由中子發(fā)生器所產(chǎn)生的中子的路徑，我們會發(fā)現(xiàn)氫彈中核爆炸的過程是一個典型的中子輸送過程，中子發(fā)生器產(chǎn)生中子-進入钚或者鈾的核心-裂變產(chǎn)生中子-聚變產(chǎn)生更多的中子-中子進入鈾238-鈾238繼續(xù)裂變產(chǎn)生更多中子……所有的氫彈設(shè)計都是優(yōu)化了這條鏈路。

所以說，并不存在真正意義上的三相彈，任何氫彈的爆炸本質(zhì)上都是由“裂變-聚變-裂變”的三相特征的。

但如果從粒子路徑的不同節(jié)點上再繼續(xù)優(yōu)化，就可以讓氫彈擔(dān)任一個“萬金油”的角色。例如我們可以在氫彈中加入中子慢化劑和中子吸收劑。

這樣所產(chǎn)生的爆炸往往可以放大沖擊波的輸出而降低光輻射、熱輻射和核輻射的輸出。由于活化產(chǎn)物少、裂變當量小，因此剩余輻射減小，可以在爆炸后讓己方部隊迅速進入爆炸區(qū)域。

同理，如果降低鈾238包殼，并設(shè)計松散的聚變材料裝填，用一枚微小當量的原子彈作為核扳機，那么就可以顯著的降低光輻射和沖擊波的輸出，而將大量本應(yīng)被鈾238吸收的中子溢出。這就是“中子彈”。

我們還可以在爆炸氫彈的爆炸過程中在彈殼中加入超量的鈷、鉈、釹等元素，利用元素吸收中子后產(chǎn)生的感生輻射對某一個地區(qū)進行長時間的污染，這就是感生輻射彈。在上世紀50年代，被提出的概念武器“鈷彈”就是一種典型的感生輻射彈，雖然最終沒有研制成功，但這是一個方向。

這些都是在核爆炸幾百納秒內(nèi)對中子路徑的規(guī)劃。所以，回到我們開篇的標題：“氫彈的爆炸——是一瞬間？還是一段時間？”，到此大家應(yīng)該理解氫彈的爆炸雖然只是一瞬間，但在這短短的幾百納秒的時間內(nèi)，還是有很多事情可做的。