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  • 原子弹

    原子弹(nuclear weapon)是核武器之一,由美国最先研制成功,是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器,在爆炸的同时会放出强烈的核辐射,危害生物组织。主要包括裂变武器(第一代核武,通常称为原子弹)和聚变武器(亦称为氢弹,分为两级及三级式)。亦有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素,以增大辐射强度扩大污染,或加强中子放射以杀伤人员(如中子弹)。

    编辑摘要
    科学 +
    原子弹

    在第二次世界大战期间,美国向日本投放了两枚核弹。这引发大众的深思,长崎和广岛还存在核辐射吗?[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 原子弹 外文名: nuclear weapon
    首次试射: 1964年10月16日

    目录

    武器简介/原子弹 编辑

    原子弹爆炸原子弹爆炸
    利用-235或-239等易裂变重原子核裂变反应瞬时释放巨大能量的核武器。又称裂变弹。瞬时释放出巨大能量的核武器。又称裂变弹。原子弹的威力通常为几百至几万吨级梯恩梯当量,有巨大的杀伤破坏力。它可由不同的运载工具携载而成为核导弹核航空炸弹核地雷核炮弹等,或用作氢弹中的初级(或称扳机),为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。威力通常为几百到几万吨梯恩梯当量,有很大的杀伤破坏力。可单独配置在不同的投射工具中而成为核导弹。核航空炸弹、核地雷和核炮弹等,或用作氢弹中的初级(或称“扳机”),为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量,重原子核裂变反应。[1]

    原子弹原理及其结构/原子弹 编辑

    原子弹爆炸原理

    原子弹是利用铀和钚等较容易裂变的重原子核在核裂变瞬间可以发出巨大能量的原理而发生爆炸的。

    原子弹结构原子弹结构
    铀-235、钚-239这类重原子核在中子轰击下通常会分裂成两个中等质量数的核(称裂变碎器),并放出2-3个中子和200兆电子伏能量(相当于3.2×1011焦耳)。放出的中子,有的损耗在非裂变的核反应中或漏失到裂变系统之外,有的则继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一代核裂变的中子数平均多于1个,裂变系统就会形成自持的链式裂变反应,中子总数将时间按指数规律增长。例如,当引起下一代裂变的中子数其均为2个时,则在不到1微秒之内,就可以使1千克铀或钚内的2.5×1024个原子核发生裂变,并释放出约2万吨梯恩梯当量的核能。裂变材料的装量必须大于一定的量,称为临界质量,才能使链式裂变反应自持进行下去。原子弹中要放置相当份量的裂变材料,但不使用时,它们必须处于次临界状态。使用时,要使处于次临界状态的裂变装料瞬间达到超临界状态,并适时提供若干中子触发链式裂变反应。超临界状态可以通过两种方法来达到:一种是“轮法”,又称压拢型,另一种是“内爆法”,又称压紧型。


    原子弹结构及其装药

    原子弹主要由引爆控制系统、炸药、反射层、核装料组成的核部件、核点火部件和弹壳等结构部件组成。引爆控制系统用来适时引爆炸药;是推动、压缩反射层和核部件的能源;反射层由铍或铀-238构成,用来减少中子的漏失;核装料主要是铀-235或钚-239;核点火部件用以提供“点火”中子,以引发链式裂变反应;弹壳用来固定和组合各部件。
    高能炸药

    原子弹结构图原子弹结构图
    高能炸药是推动和压缩反射层以及核装料的能量来源。

    反射层

    反射层一般由铍或铀-238组成,其作用为反射链式反应中射出反应系统的中子,使其回到反应过程中继续参与链式反应。
    铀-238不止可以反射中子,因为其密度较大,可以减缓核装料在释放能量过程中的膨胀,使得链式反应可以维持较长时间。

    核装料

    现在,能够大量得到且可以使用于原子弹的装药有铀-233,铀-235和钚-239铀235里面有钚239,钍232里面有铀233。
    核装药为原子弹引爆的主体,只要其的体积或质量超过一定的临界值,原子弹就会发生爆炸。


    原子弹结构类型

    根据原子弹的引发机制的不同,原子弹可分为“枪式”和“收聚式(内爆式)”两种。现代原子弹通常综合了这两种结构的特点,以提高核装药的利用率和增强破坏力。

    枪式结构

    中子-内部结构模型图中子-内部结构模型图
    最简单的原子弹采用的是所谓枪式结构。两块均小于临界质量的铀块,相隔一定的距离,不会引起爆炸,当它们合在一起时,就大于临界质量,立刻发生爆炸。但是若将它们慢慢地合在一起,那么链式反应刚开始不久,所产生的能量就足以将它们本身吹散,而使链式反应停息,原子弹的爆炸威力和核装药的利用率就很小,这与反应堆超临界事故爆炸时的情况有些相似。因此关键问题是要使它们能够极迅速地合在一起。
    将一部分铀放在一端,而将另一部分铀放在“炮筒”内,借助于烈性炸药,极迅速地将它们完全合在一起,造成超临界,产生高效率的爆炸。为了减少中子损失,核装药的外面有一层中子反射层;为了延迟核装药的飞散,原子弹具有坚固的外壳。
    在枪式结构中,每块核装药不能太大,最多只能接近于临界质量,而决不能等于或超过临界质量。因此当两块核装药合拢时,总质量最多只能比临界质量多出近一倍。这就使得原子弹的爆炸威力受到了限制。
    另外在枪式结构中,两块核装药虽然高速合拢,但在合拢过程中所经历的时间仍然显得过长,以致于在两块核装药尚未充分合并以前,就由自发裂变所释放的中子引起爆炸。这种“过早点火”造成低效率爆炸,使核装药的利用率很低。一公斤铀235(或钚239)全部裂变,大约能释放18000吨梯恩梯当量的能量,一颗原子弹的核装药一般为15~25公斤铀235(或6~8公斤钚239),以此计算,“小男孩”的核装药利用率还不到百分之五。
    铀在正常压力下的密度约为19克/厘米³。在高压下,铀可被压缩到更高的密度。研究表明,对于一定的裂变物质,密度越高,临界质量越小。

    收聚式(内爆式)结构
    根据这一特性,在发展枪式结构的同时,还发展了一种内爆式结构。在枪式结构中,原子弹是在正常密度下用突然增加裂变物质数量的方法来达到超临界,而内爆式结构原子弹则是利用突然增加压力,从而增加密度的方法达到超临界。
    在内爆式结构中,将高爆速的烈性炸药制成球形装置,将小于临界质量的核装料制成小球,置于炸药中。通过电雷管同步点火,使炸药各点同时起爆,产生强大的向心聚焦压缩波(又称内爆波),使外围的核装药同时向中心合拢,使其密度大大增加,也就是使其大大超临界。再利用一个可控的中子源,等到压缩波效应最大时,才把它“点燃”。这样就实现了自持链式反应,导致极猛烈的爆炸。
    内爆式结构优于枪式结构的地方,在于压缩波效应所需的时间远较枪式结构合拢的时间短促,因而“过早点火”的几率大为减小。这样,内爆式结构就可以使用自发裂变几率较大的裂变物质,如钚239作核装药;同时使利用效率大为增。
    美国投于日本长崎的那颗原子弹(代号叫“胖子”),采用的就是内爆式结构,以钚239作核装药。弹重约4500公斤,弹最粗处直径约152厘米,弹长约320厘米,爆炸威力估计为20000吨梯恩梯当量。 

    爆炸过程/原子弹 编辑

    原子弹爆炸试验原子弹爆炸试验
    原子弹中的引爆控制系统在预定时间或条件下发出引爆指令,使炸药起爆,炸药的爆轰产物推动并压缩反射层和核装料,使之达到超临界状态,核点火部件适时提供若干“点火”中子,使核装料内发生链式裂变反应,并猛烈释放能量。随着能量的积累,温度和压力迅速升高,核装料不断膨胀,密度不断下降,最终又成为次临界状态,链式反应趋于熄灭。从炸药起爆到核点火前是爆轰、压缩阶段,通常要几十微秒时间;从核点火到链式裂变反应熄灭是裂变放能阶段,只需要十分之几微秒。原子弹在如此短暂的时间里放出几百至几万吨梯恩梯当量的能量,使整个弹体和周围介质都变成高温高压等离子气团,中心温度可达107开[尔文],压力达1015帕[斯卡]。原子弹爆炸产生的高温高压以及各种核反应产生的中子、r射线和裂变碎器,最终形成冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲等杀伤破坏因素。 

    破坏效应/原子弹 编辑

    原子弹爆炸原子弹爆炸
    原子弹的破坏力和杀伤破坏方式主要有光辐射冲击波早期核辐射电磁脉冲放射性沾染等。

    光辐射

    在原子弹引爆后,核爆过程会释放出强烈的辐射光。1枚当量在2万吨左右的原子弹在当空爆炸后,距离爆炸核心7000米的地方人会受到比阳光强13倍的光辐射的照射。而在2800米范围内,光辐射会使人迅速致盲,且皮肤会因为光辐射照射而大面积灼伤溃烂,一些物体也会燃烧。

    冲击波

    原子弹爆炸后,核爆会产生出一种巨大的气流超压。一枚三万吨当量的原子弹爆炸后,在离爆炸核心800米处,冲击波会以200米每秒的速度席卷一切。

    早期核辐射

    在原子弹最初起爆的几十秒中内,核爆会释放出中子流和γ射线。一枚两万吨当量的原子弹爆炸时,离它1100米以内的人员单位会受到射线和中子流的极度杀伤。

    电磁脉冲

    原子弹爆炸所造成的核爆会制造出电磁脉冲,而电磁脉冲的电场强度可达1万至10万伏,完全可以摧毁起爆点周围的一切电子设备。

    放射性沾染

    在原子弹爆炸后,随着蘑菇云的飘散会有大量的放射性粉尘飘落到地面,会对人体造成照射或皮肤灼伤,严重者最终导致死亡。

    战例

    在日本投放的两枚原子弹(上图),原子弹爆炸后的广岛(下图)在日本投放的两枚原子弹(上图),原子弹爆炸后的广岛(下图)
    1945年8月6日美国向日本广岛投下原子弹,弹重4082公斤,弹长3.05米,弹径0.711米,装料为10公斤铀235,当量1.25万吨,因为该弹细长,被称为 “小男孩”。原子弹造成死亡7.1万人,伤6.8万人,遭到破坏的总面积达12平方公里,破坏建筑物5万余所,紧接着,美国又在长崎扔下名为 “胖子”的第二颗原子弹。这颗原子弹是用60公斤钚239制作的,弹长3.25米、弹径1.52米,当量2.2万吨。该原子弹造成的死亡人数约3.5万,伤约6万,毁坏房屋19587所,破坏面积4.7平方公里。 

    研制历史/原子弹 编辑

    美国研制

    1953年M65 280mm加农炮试射的W9型15KT小型核子炮弹1953年M65 280mm加农炮试射的W9型15KT小型核子炮弹
    二战期间,科学家西拉德为防止德国人抢先造出原子弹,动员著名科学家爱因斯坦上书美国总统罗斯福,阐述了研制原子弹对美国安全的重要性。

    1943年7月,美国成立原子弹研究所。 1941年12月6日(日本偷袭珍珠港的前一天),罗斯福才批准了美国科学研究发展局全力研制原子弹。 1942年8月,美国制订了研制原子弹的“曼哈顿计划”。

    1945年7月16日,在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中进行了世界上第一颗原子弹的爆炸试验。 

    1945年8月6日,美国用B-29超级空中堡垒轰炸机运载“小男孩”2万吨当量原子弹轰炸广岛。爆炸时间:8点15分43秒,城市中心12平方公里内的建筑物全部被毁,全市房屋毁坏率达70%以上。关于死亡人数,日美双方公布数字相差甚大。据日本官方统计,死亡和失踪人数达71379人,受伤人数近10万。

    1945年8月9日10点58分,“胖子”原子弹被投放于长崎

    苏联

    苏联在1941年6月遭受德军入侵前,也进行过研制原子弹的工作。铀原子核的自发裂变,是在这一时期内由苏联物理学家Г.Н.弗廖罗夫和Κ.А.佩特扎克发现的。卫国战争爆发后,研制工作被迫中断,直到1943年初才在物理学家И.В.库尔恰托夫的组织领导下逐渐恢复,并在战后加速进行。1949年8月,苏联进行了原子弹试验。

    英国 

    1952年10月3日,英国成功爆炸了第一颗原子弹。

    法国

    1960年2月13日,法国成功爆炸本国第一颗原子弹。

    中国

    中国发射的第一颗原子弹中国发射的第一颗原子弹
    中国在开始全面建设社会主义时期,基础工业有了一定的发展,即着手准备研制原子弹。1959年开始起步时,国民经济发生严重困难。同年6月,苏联政府撕毁中苏在1957年10月签订的关于国防新技术协定,随后撤走专家,中国决心完全依靠自己的力量来实现这一任务。中国首次试验的原子弹取“596”为代号,就是以此激励全国军民大力协同做好这项工作。1964年10月16日,中国首次原子弹试验成功。中国第一次核试验以塔爆方式进行,用的是“内爆法”铀弹。1965年5月14日第二次核试验时,核装置用飞机空投。1966 年10月27日第四次核试验时,核弹头由导弹运载。 

    其他 

    1974年印度进行第一次核试验

    2006年北朝鲜核试验

    2009年北朝鲜核子试爆

    核试验

    地球上已记录到约2053次核试验。美国1093次,其中200次为大气层核试验(11次高空,81次中空,72次地面,36次水面),888次地下核试验,五次水下。前苏联进行715次核试验,其中大气层212次,地下核试验500次,水下3次。法国188次,英国43次,中国45次,印度6次,巴基斯坦6次,北朝鲜2次。  

    发展趋势/原子弹 编辑

    1、原子弹体积重量的小型化;

    2、适应战场使用的多种低威力和威力可调的核装置;

    3、提高安全性、可靠性、有效性、提高核装料的利用效率;

    4、最重要的进展则是发展了“助爆型原子弹”。

    国际影响/原子弹 编辑

    由于核武器具有巨大的破坏力和独特的作用,与其说它可能会改变未来全球性战争的进程,不如说它对现实国际政治斗争已经和正在不断地产生影响。20世纪70年代末,美国宣布研制成功中子弹,它最适于战场使用,理应属于战术核武器范畴,但却受到几乎是世界范围的强烈反对。从这一事例也可以看出,核武器所涉及的斗争的复杂性。

    中国原子弹研制过程/原子弹 编辑

    方针

    原子弹爆炸试验原子弹爆炸试验
    毛泽东确立积极防御战略1956年初至1967年1月,早在50年代中期,党中央毛泽东主席就作出了要研制原子弹的决策。根据当时的国际形势,毛泽东主席确立了积极防御的战略方针。毛主席决定,为了防御,中国也要搞原子弹。我们不首先进攻别人,但不是消极防御,而是积极防御。这就是说, 如果有人进攻我们,我们要有办法对付他。这是毛主席一贯的战略思想。别人如果用原子弹轰炸我们,我们也要有办法回击他。所以,中央决定我们也要研制原子弹。
    总的方针是自力更生为主,争取外援为辅。要靠自己研制,同时,要争取外援 。那个时候西方国家封锁我们,中苏关系比较好,我们想争取苏联给我们一些援助。但是,有一条界线,只是争取援助,而不是搞合作、不搞共有。也就是说,搞原子弹的科研单位、工厂、各种设备与技术都是中国自己的。你来援助我可以,我欢迎你、感谢你,但是,你不能与我共同拥有,共同使用。这是维护国家主权的大问题。所以,提出自力更生为主,争取外援为辅,你不要和我一起来共同管这个单位,管这个事情。这就是中央当时搞原子弹的方针,是毛主席高瞻远瞩确立的积极防御的战略方针。 


    任务

    中央决定以自力更生为主研制原子弹。后来又决定自力更生为主研制导弹和自行研制人造卫星,统称“两弹一星”。原子弹氢弹是二机部负责,导弹是国防部五院(后来的七机部)负责。毛主席对原子弹研制有一个批示:“要大力协同做好这件工作。”中国科学院就是按照中央确定的“大力协同”和“三家拧成一股绳”的精神,主要承担原子弹和导弹研制中一系列关键性的科学和技术任务,包括理论分析、科学试验、方案设计、研制以至批量制造所需的各种特殊新

    原子弹原子弹
    型材料、元件、仪器、设备等。至于人造卫星,则从构思到建议,都是由中国科学院提出,先后两次上马(1958年、1965年)。由以周恩来周恩来总理为主任、罗瑞卿为秘书长具体领导这项工作的中央专门委员会批准后,在国防科委的统一组织下,由中国科学院负责整个系统的技术抓总,并负责研制卫星本体,七机部负责运载工具,科学院和四机部共同负责地面测控系统。
    科学院对党中央下达的“两弹一星”任务非常重视,并由裴丽生副院长具体抓“两弹一星”研究工作的安排落实。为了便于工作,在每一个研究所都安排几个拔尖的中年科学家作学术秘书,通过他们了解情况,听取意见,再找其他科学家谈工作。中国科学院为了落实“两弹一星”的研制任务,把管理机构分为两个口:一个是计划局,管不承担国防任务的单位;一个是新技术局,管承担国防任务的单位。
    新技术局管的单位虽然不及计划局多,但是,它管的所都是大所,参加“两弹一星”研制任务的科学研究人员占全院科研人员的三分之二。谷羽是新技术局局长,宋政是副局长,陆绶观是处长,帮助谷羽工作。谷羽是胡乔木同志的夫人,乔木是毛主席的政治秘书,住中南海。谷羽很热心、活跃、能干。她对国家计委和中央各部比较熟悉,去谈工作,互相支援、协作,很方便。有时候毛主席向她问起科学院与“两弹一星”的有关情况,还可以向毛主席当面反映。
    新技术局除了项目所需的经费、器材优先得到保证以外,还有很多非标准设备可以安排到各产业部门协助加工制造。研究室、实验基地用的非标准设备,由科学院研究所设计,由各有关产业部门按时制成,保证质量,按时交付使用。由国防科委统一管这方面的工作,派军代表驻厂监督,提出设计的研究所也可以派员驻厂监督。
    自力更生为主,就是主要靠中国自己的力量开展科研。当时研究核科学与核技术的力量主要集中在中国科学院原子能研究所,还有一些分散在中国科学院的20多个研究所和其他部门的研究机构与大专院校。争取外援为辅,主要是苏联答应帮助我们在北京某地建一个7000千瓦的实验性原子能反应堆。这个反应堆全部归中国科学院管。此外,在另一个地方建一个浓缩铀工厂,造原子弹的关键原料是浓缩铀。


    故事

    制造原子弹的原料是铀-235。毛主席找到地质学家李四光,他当时是地质部部长,也是中国科学院副院长。毛主席问:“中国有没有造原子弹用的铀矿石? ”李四光说:“有!但是,一般的天然铀矿石,能作为原子弹原料的成分只含千分之几。”要从矿石里把这千分之几的铀提出来,再浓缩成为原子弹的原料,最重要的是要搞浓缩铀工厂。

    原子弹原子弹
    为了搞原子弹,中央专门成立了二机部,宋任穷任部长。他比我大四、五岁,我叫他宋大哥。我们在安徽一起工作过几个月,那是在百万大军过长江的时候,中央决定成立安徽省委,他当省委书记兼省政府主席,我当省政府副主席。
    我到科学院工作后的一天,宋大哥打电话说要到我家拜访我。我说:“你不要来,我去,你是大哥呀。”他说:“不行。我一定去你那儿!”因为搞原子弹,自力更生为主,主要靠科学院原子能研究所,为了工作的方便,中央决定把这个所整建制交给二机部,但是对外还叫中国科学院原子能研究所,名义上由科学院和二机部双重领导。由于研制原子弹的任务繁重,科研力量不够,于是对任务作了分解,除了原子能所承担较大一块任务外,很多重要任务还要由科学院的各研究所来承担。当然,二机部也找中央各部来承担一些任务。不过,那时中央各部的研究机构刚刚建立不久,科技力量不强,有的能承担,有的承担不了,任务还是落在科学院肩上。原子能所整建制转到二机部后,骨干力量还不够,还要科学院支持,我们又从其他所调给他们一批科技骨干。
    科学院原子能所1956年建在中关村,是当时中关村建筑最好的楼。原子能所交给二机部以后,由苏联援助建实验性原子能反应堆。原子能所分为两部分,大部分人迁到实验性原子能反应堆那里。当时科学院搞原子能的有两个姓杨的科学家:一个杨承宗,从法国留学回来的;一个杨澄中,从英国留学回来的。他俩的名字有些音同字不同。为了区别,我们叫他们“法杨”、“英杨”。“法杨”是搞放射化学的,当时放射化学很关键。我们最重要的措施是把杨承宗等一批科学家调到原子能所原子能反应堆那里去(“英杨”杨澄中留在科学院兰州近代物理所负责配合原子能所工作)。原子能所的另外一部分人留在中关村搞理论工作。原子能所交给二机部后,我给他们打招呼说,以后科学院开会你们就不要来了,你们到二机部开会去。他们党委书记、所长却每次都要参加科学院的会,因为我们当时研究科学政策、科学家政策、知识分子政策问题很多,他们非常愿意听,一定要参加我们的会。当时,科学院很有吸引力。还有从大学调去的化学家汪德熙也到了二机部。
    原子弹爆炸试验原子弹爆炸试验
    搞原子弹,最重要的问题是浓缩铀的提炼问题,矿石里能提出的天然铀,同位素235含量只有千分之几。此外铀的提炼也很重要。所以,化学方面的科研任务很重。当时科学院有四个最知名的化学研究所都有优秀科学家担任所长,号称“四大家族”:一个是上海有机所庄长恭老先生;一个是长春应化所的吴学周先生;还有北京化学所的柳大纲先生。此外,大连化学物理所也是非常强的,那里有张大煜先生。我对三强说,科学院几个化学所承担你的任务, 哪个所能够承担什么任务你都清楚,让哪个所承担什么任务你提出来,我们安排,都选最好的人为你做工作。
    当时上海有机所只有研究力量没有生产力量,不能够提供产品。我到科学院以后,让各所建立小工厂,上海市委还送给我们若干小厂,给研究所当实验工厂。而且,还选最好的老师傅。我从铁道部吕正操部长那里请来了许多老工人,很不错。我说你铁道部有几千人的机车车辆厂,选一批最好的工人老师傅,来支援科学院吧,我们各个研究所里也搞附属工厂。我们需要的仪器设备不自己搞不行。要建立研究室,要研制设备。有的买得到,有的买不到,要自己做。另外,还有很多非标准设备,科研人员设计图纸,让工厂做才行。所以,我们从铁道部选了不少老师傅。我在北京中关村专门召开老工人会,我说你们是金手艺,手是金的,能做出好多好东西!老工人听了非常高兴。另外,从部队技术兵种的复员兵中,挑选了数千名有技术的战士当工人,他们起了很大作用。
    1960年,苏联单方面撕毁协议撤退专家。当时受影响最大的是浓缩铀厂,关键材料苏联不给了,整个厂就停顿了。最紧迫的关键技术问题有三个:
    此外,原子弹爆炸试验数据的采集,科学院也做了很多工作。那个试验主要是在空旷无人的地方进行,可以试验它的破坏力,针对各种建筑物、各种生物,包括铁笼子里面的猴子、兔子等等。因为原子弹有放射性,看它们受放射性的危害程度有多大。中国科学院有好多所,都派人到基地参加试验了。

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2010-08-05

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