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氢弹设计有多难?在几微秒时间内解决不和调和的矛盾

来源:未知 作者:中国视图网 人气: 发布时间:2017-02-14
摘要:一个成功的热核武器爆炸,要求在极端的温度和压力条件下,多种竞争过程巧妙地达到平衡。参与竞争的基本上是要将核燃料系统打散和要使燃料系统在足够长的时间里保持在一起以达到核武器设计威力这两种过程。 早在上世纪40年代后期,美国热核武器专家碰到了一个

一个成功的热核武器爆炸,要求在极端的温度和压力条件下,多种竞争过程巧妙地达到平衡。参与竞争的基本上是要将核燃料系统打散和要使燃料系统在足够长的时间里保持在一起以达到核武器设计威力这两种过程。

  早在上世纪40年代后期,美国热核武器专家碰到了一个如何用较小的裂变扳机去引发一个任意大小的自持热核反应的问题。这个问题包含四个要素:1、建立温度、压力、X射线和中子注量率条件,创造一个有助于热核“点火”和“燃烧”的环境。2、大量热核燃料的点火。3、聚变反应维持。4、热核燃料的完整性要维持足够长的时间使得达到预期的爆炸威力和效率。

  

  当时科学家只发现氘与氚发生聚变的温度要比氘一氘聚变小一个数量级。显然,聚变燃料中添加些氚是大有帮助的。另外用中子照射锂-6(在各种锂中,锂-6约占8%)能形成氚。此外,锂可与氢化合,这样一旦发明引发聚变“燃烧”的方法之后,氘化锂一6就可用作固体燃料。

  为了热核反应在氘化锂一6的热核燃料中发生,燃料必需压缩到它的常密度的15〜30倍。要求这样高的压缩有两个原因:(1)压缩能增大聚变概率,因为挤压聚变燃料使原子间靠得更近,也就使得有一个克服原子核之间的静电斥力的势头;(2)压缩能增大聚变速率,稠密介质中的聚变反应比稀疏介质中快得多。

  

  研究发现,燃料的密度对于维持热核反应起着决定性的作用。在一定的温度下,锂、氚和氘核总量中的相当大部分参与聚变过程所需的时间与燃料的密度成反比:即燃料的密度越高,反应时间越短,在给定的时间间隔内发生大量反应的机会越大。热核反应速率与燃料密度的平方成正比:若密度増加20倍,则反应速率增加400倍。压缩还有一个有益的附带作用:点火后燃料的整体性保持得时间更长一些。用压缩力将聚变材料保持在一起的这个方法,现在被叫做“惯性约束聚变”(这个名词是不是很熟?)。惯性约束聚变中,燃料的惯性(阻止动量的改变)使燃料保持在一起;这一技术在聚变武器和聚变能的和平利用中都是通用的。

  借助原子爆炸或裂变爆炸是已知的引发非受控聚变反应(或爆炸)的唯一实际可行的办法。当用裂变爆炸时,热核燃料在点火前的压缩是使点火成功和达到高威力的关键。如果燃料未被压缩,燃料中的原子会在它们可能有机会参与热梭反应之前就飞散(由于裂变“火花塞”的点火)〇理想情况下,核燃料不但要压缩得好,还要燃料向心挤压自己,使燃料原子受到一向心的动量,有助于阻滞聚变反应产生的向外的爆炸力。

  

  麻烦的是,压缩之前燃料不能太热。低温下(即粒子的动能低时)去压缩物质总要比高温下容易:物质的温度越高,它的原子的动能越大,它就越能抵抗压缩力。因此,热核燃料必须在它还是“冷”的財候压缩——然而为了点火又必须对它加热!这一明显的矛盾需要在武器设计中解决,否则就发生不了聚变。更麻烦的是,在来自初级爆炸的碎片与冲击波把热核燃料打散之前,使聚变反应开 始、并且达到相当规模的时间,只能有几微秒。无论用什么办法引发聚变,一定要非常快速。

责任编辑:中国视图网

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