氫彈的爆炸——是一瞬間？還是一段時(shí)間？

只要一提原子彈，緊接著就有人非得讓W(xué)君說(shuō)氫彈、中子彈……這都是老段子了，一般的老百姓或者初級(jí)的軍迷知道氫彈是一種利用原子彈作為核扳機(jī)引發(fā)核聚變反應(yīng)的武器就已經(jīng)很不錯(cuò)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

那么，今天咱們就來(lái)具體的從設(shè)計(jì)根源上聊聊氫彈以及氫彈的設(shè)計(jì)、變種，相信你看完之后，會(huì)理解為什么今天會(huì)有這么一個(gè)奇怪的標(biāo)題。

其實(shí)，無(wú)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(jì)的區(qū)別，和氫彈的工作原理并沒(méi)有太大的關(guān)系，只不過(guò)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(lái)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(dòng)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(gè)過(guò)程，其實(shí)所謂的“構(gòu)型”設(shè)計(jì)并不重要。

為了理解這個(gè)問(wèn)題，咱們先說(shuō)世界上第一枚氫彈——常青藤麥克（Ivy mike）1952年11月1日，美國(guó)在常青藤行動(dòng)中引爆了一枚代號(hào)麥克的核實(shí)驗(yàn)裝置。這個(gè)裝置有點(diǎn)類似于一個(gè)小型化工廠：

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

這枚TX-5的原子彈核心脫胎于美國(guó)在1950年開始逐步裝備的Mark 5原子彈，輸出當(dāng)量大約為6000噸TNT，液氫儲(chǔ)存罐內(nèi)存放的是940升總計(jì)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(diǎn)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(shí)候測(cè)量?jī)?nèi)部的光電信號(hào)并發(fā)送到三公里之外的信號(hào)收集存儲(chǔ)裝置內(nèi)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看這些光導(dǎo)管可以涵蓋整個(gè)爆炸過(guò)程內(nèi)的極其短暫瞬間內(nèi)的光電信號(hào)。

用來(lái)做理論計(jì)算和實(shí)際工程效果之間的差異測(cè)量。

很多人認(rèn)為氫彈爆炸是一個(gè)單一過(guò)程，但事實(shí)遠(yuǎn)比這復(fù)雜。在“麥克”這樣的大規(guī)模熱核試驗(yàn)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(dòng)，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(gè)過(guò)程都有明確的時(shí)間延遲與空間布局。

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

不理解？那舉個(gè)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(jì)極難。

但氘和氚就不一樣了。

相對(duì)于鈾和钚來(lái)說(shuō)，氘和氚簡(jiǎn)直便宜的像不要錢，同時(shí)由于這兩種材料是聚變材料，并沒(méi)有臨界值的限制，簡(jiǎn)單的說(shuō)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(dāng)量是沒(méi)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(duì)氫彈的知識(shí)積累就達(dá)到了小學(xué)生水平。咱們繼續(xù)深入說(shuō)下去：

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

你會(huì)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(shí)，這是一個(gè)巧合，雖然“麥克”這個(gè)裝置是愛德華·泰勒在設(shè)計(jì)的，但這個(gè)裝置僅僅是一枚氫彈的入門款，還談不上什么構(gòu)型。同時(shí)，你還得知道一個(gè)秘密——這枚爆炸當(dāng)量高達(dá)1040萬(wàn)噸TNT的裝置，真正來(lái)自于氘的聚變所釋放的能量不足1/4，也就是說(shuō)這枚氫彈爆炸的77%的能量其實(shí)還是來(lái)自于核裂變。

是不是有點(diǎn)打破了大家的固有印象？氫彈的爆炸不是要來(lái)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(wàn)噸TNT當(dāng)量的能量，我們?nèi)绻凑针圩兊姆匠叹涂梢杂?jì)算出大約有70%的氘參與了反應(yīng)，這個(gè)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(dāng)量也就是大約350萬(wàn)噸TNT當(dāng)量。離著1040萬(wàn)噸的當(dāng)量還差上那么一大截。

氘-氘聚變?cè)凇胞溈恕毖b置中無(wú)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(wú)法形成正反饋鏈條。同時(shí)，液氘密度太低，即使是液態(tài)也遠(yuǎn)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(wú)法快速達(dá)到“α粒子（或中子）能量再加熱其他氘”的正反饋機(jī)制。

那么這額外的700萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的爆炸能量是哪里來(lái)的？了解完這個(gè)，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(gè)被很多軍迷忽略掉的知識(shí)點(diǎn)。

第一、核彈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有窗口的，我們所說(shuō)的钚鏈?zhǔn)椒磻?yīng)通常是這樣寫：

一個(gè)钚239原子捕獲了一個(gè)中子生成鍶和氙，釋放出2個(gè)中子和207兆電子伏特的能量。問(wèn)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(lái)的是“快中子”。中子所具備的動(dòng)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(gè)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(guò)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(wú)法依靠減速劑在如此短的時(shí)間內(nèi)完成減速。一次核爆炸從鏈?zhǔn)椒磻?yīng)啟動(dòng)到核心膨脹失控，整個(gè)過(guò)程不過(guò)數(shù)十到一百納秒（1納秒 = 十億分之一秒）。在這個(gè)時(shí)間尺度上，大部分裂變所產(chǎn)生的中子根本來(lái)不及經(jīng)過(guò)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(dá)到臨界狀態(tài)的原子彈往往無(wú)法點(diǎn)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?zhǔn)椒磻?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?zhǔn)椒磻?yīng)的演示動(dòng)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(shí)質(zhì)。如果是按照真實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的動(dòng)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(jìn)行裂變的場(chǎng)景你得等幾個(gè)小時(shí)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?cè)谟懻撛氐臅r(shí)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(shí)，每個(gè)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(qiáng)核力作用下的異常核態(tài)，這意味著“一個(gè)元素”背后，是一個(gè)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(gè)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(huì)有概率釋放出一個(gè)電子形成镎239，同樣镎239也不穩(wěn)定，會(huì)在大約兩天半的時(shí)間后繼續(xù)失去一個(gè)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(duì)鈾238吸收了慢中子或者熱中子的表現(xiàn)。這是一個(gè)普通能級(jí)的鈾同位素。

通常，在極其嚴(yán)謹(jǐn)正式的場(chǎng)合中，我們會(huì)以 23?U 來(lái)表示鈾239，這是表示默認(rèn)能級(jí)的方式。但我們還會(huì)用23??1U和23??2U來(lái)表示這個(gè)原子核內(nèi)含有92個(gè)質(zhì)子和147個(gè)中子的元素的不同激發(fā)態(tài)。

和打臺(tái)球一樣，入射的母球力道不同臺(tái)球也會(huì)呈現(xiàn)不同狀態(tài)。原子也一樣，體現(xiàn)出來(lái)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(huì)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(lái)自于鈾238外殼的裂變反應(yīng)呢？實(shí)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(jī)的TX-5原子彈核心有6公斤的钚239（實(shí)際分裂350克），如果再多就超過(guò)臨界值了。而這個(gè)裝置的鈾238外殼則重達(dá)1噸。在這次爆炸中，經(jīng)過(guò)計(jì)算有超過(guò)200公斤的鈾238捕獲了中子進(jìn)入了激發(fā)態(tài)。

第三、第一枚濕式氫彈其實(shí)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(lái)說(shuō)這是一枚三相彈。是一枚“裂變-聚變-裂變”式的增強(qiáng)型氫彈。

好了，到這里，初中課程完畢。咱們繼續(xù)進(jìn)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(jì)呢？于敏的設(shè)計(jì)和泰勒-烏拉姆設(shè)計(jì)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(gè)小化工廠本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是為了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。在對(duì)愛德華·泰勒的采訪中他表示必須要有一個(gè)1:1的裝置進(jìn)行觀測(cè)才可以驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性。在麥克裝置之后，美國(guó)生產(chǎn)了試驗(yàn)性的濕式氫彈。

這種氫彈的顯著特點(diǎn)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(guó)人搞了一個(gè)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(jì)。

其輸出當(dāng)量并不大，只有40萬(wàn)噸TNT。但是這是把干式氫彈實(shí)用化的首先用例。

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

答案相當(dāng)簡(jiǎn)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(duì)流和熱輻射三種形式傳播。

但是如果到微觀層面呢？其實(shí)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的劇烈程度決定了溫度的高低，而傳遞熱量的過(guò)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(dòng)能，可以迅速的加熱聚變材料。實(shí)際上就是“小球碰小球”，當(dāng)然了，更微觀層面還有其他效應(yīng)。但我們可以知道粒子動(dòng)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(jì)來(lái)進(jìn)行加熱的。只不過(guò)和熱傳導(dǎo)以及對(duì)流來(lái)對(duì)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(duì)外擴(kuò)展的。而安置在核彈一側(cè)的核材料僅僅能接受整個(gè)爆炸范圍極小投影范圍內(nèi)的粒子動(dòng)能交換（升溫），而且要知道的是粒子的動(dòng)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(yuǎn)大于聚變所需要的能量，但離著核彈核心遠(yuǎn)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(jì)中增加了對(duì)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(shí)采用了氘化鋰材料。首先這種材料并不完全是因?yàn)殇囋谥凶愚Z擊下可以轉(zhuǎn)變成氚，更重要的是氘化鋰的密度高達(dá)0.91g/cm3，遠(yuǎn)大于液態(tài)氘的0.16g/cm3這個(gè)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(shí)際上是增加了一個(gè)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(guò)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(shí)由于透鏡的匯聚面更大，也就從兩個(gè)方向上提高了核彈板機(jī)的能量利用率。在氫彈小型化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其實(shí)于敏構(gòu)型不只是我們?cè)诓捎茫芏鄧?guó)家都在“偷學(xué)”。例如法國(guó)的S2彈道導(dǎo)彈上的MR-31彈頭，其實(shí)也是典型的x透鏡設(shè)計(jì)。

當(dāng)然了超小型氫彈無(wú)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(diǎn)：在原子彈爆炸的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)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(méi)有用在早期的核武器設(shè)計(jì)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(wèn)題了——粒子和能量的輸送。如果了解了這個(gè)關(guān)鍵核心，你也就會(huì)深刻的理解氫彈以及氫彈的變種。

無(wú)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(jī)制”的實(shí)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(wú)論是干式氫彈還是濕式氫彈，爆炸的過(guò)程中聚變并不完全是所有的能量輸出來(lái)源，人們依靠鈾238外殼實(shí)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(jì)中就開始使用的，在早期的核武器中，鈾238外殼也是一個(gè)相當(dāng)重要的組件。只不過(guò)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(kuò)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(huì)發(fā)現(xiàn)氫彈中核爆炸的過(guò)程是一個(gè)典型的中子輸送過(guò)程，中子發(fā)生器產(chǎn)生中子-進(jìn)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(jìn)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(jì)都是優(yōu)化了這條鏈路。

所以說(shuō)，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(diǎn)上再繼續(xù)優(yōu)化，就可以讓氫彈擔(dān)任一個(gè)“萬(wàn)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(dāng)量小，因此剩余輻射減小，可以在爆炸后讓己方部隊(duì)迅速進(jìn)入爆炸區(qū)域。

同理，如果降低鈾238包殼，并設(shè)計(jì)松散的聚變材料裝填，用一枚微小當(dāng)量的原子彈作為核扳機(jī)，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(guò)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(duì)某一個(gè)地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的污染，這就是感生輻射彈。在上世紀(jì)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(méi)有研制成功，但這是一個(gè)方向。

這些都是在核爆炸幾百納秒內(nèi)對(duì)中子路徑的規(guī)劃。所以，回到我們開篇的標(biāo)題：“氫彈的爆炸——是一瞬間？還是一段時(shí)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(shí)間內(nèi)，還是有很多事情可做的。