原子弹设计

原子弹设计

原子弹是核武器之一，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。同时，各国都在研究高能、小巧的核弹头，例如：中国东风-31、俄罗斯白杨-M等。要想原子弹小巧且高能，则需要从原子弹的设计方面考虑。目前，原子弹主要有枪式结构和内爆式结构两种。

枪式结构原子弹

1945年8月，美国投到日本广岛代号叫“小男孩”的原子弹采用的就是枪式结构，核装药为铀235，爆炸威力约为14000吨TNT当量。从图中可以看出，枪式结构非常简单，2个分别为临界质量一半重量的铀235，炸药以及中子发生器等就组成了原子弹。但它也有缺点，首先需要较多的核材料。在正常密度下，纯铀235球体的临界质量约50千克，钚239球为15～16千克，一颗枪式结构原子弹至少需要临界质量的核装药。其次是效率太低，两块铀还没完全合拢前，距离接近到一定程度，由于高压自由释放的一些中子就很容易引发链式反应、核爆炸，链式反应规模扩大的速度不算快，因此爆炸不够理想。

内爆式原子弹

而内爆式结构原子弹，是较为理想的原子弹模型，其利用炸药的球面向心爆炸，使处于次临界状态的球形裂变材料的密度迅速增高到临界状态而产生核爆的一种压紧型原子弹。在长崎爆炸的核弹胖子，是内爆式原子弹，使用了6.2千克钚239装药，用铀238包裹并充当中子反射层，核装药的周围均匀的放置了常规炸药，而这些炸药将在爆炸时同时起爆，引起内爆。内爆使得钚被强烈压缩密度增加，达到了临界质量并开始链式反应。相比枪式结构，内爆式结构更易于原子弹的轻量化，小型化。

但内爆式原子弹可以在结构上细化、优化，使其有更高的威力。主要从炸药、中子源以及包裹层的细分来考虑。

若要让原子弹顺利的爆炸，就要使裂变材料的钚达到它的临界质量，炸药是原子弹中至关重要的一环。目前主流炸药有黑索金（C3H6 O6N6）、奥克托金（C4H8 O8N8）、特屈儿（C7H5N5O8）和太安（C(CH2ONO2)4）。对于炸药 CaHbOcNd氧系数计算公式

得知黑索金和奥克托金的氧系数为66.7%，特屈儿为48.5%，太安为85.7%。所以太安的分子氧饱和程度较高，工作氧含量适用范围广，适合用作原子弹炸药。

对于中子源的选择，有两种方法，一是利用元素的自发裂变放出中子，二是利用放射性核素与 Be 的核反应后放出中子。如果用 Be 作为中子源，就会用引入一种新的物质，在钚到达临界质量时，不能压缩到一个实心裸球。所以，在该反应中用钚的同位素做中子源是最好的选择。Pu242 在发生自发裂变后，可生成 氪92,钡141和2 个中子。如果，用 Pu242 做中子源，自发裂变放出的 2 个中子具有的 209.47 MeV足以使 Pu239 生成 Pu240 进一步裂变。另外Cf 252通常也用作核反应的中子源。

为了增强内爆效果，可以将低密度金属（如铝、铍或者是两种金属的合金，选用铝是因为它很容易安全的变形，而选用铍是因为他的中子反射性）制成中间层，放置在爆炸物和反射层之间。这样，一部分的冲击波会被反射回去，而冲击波的作用时间就加长了。胖子核弹就使用了铝制成的中间层。

核以道和，铸“弹”为犁，但愿未来核武器只是用来威慑的道具，不再是杀人的工具。