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1、核能开发及应用核能开发及应用第二章第二章核能的军事应用核能的军事应用 美国当地时间1945年7月16日凌晨5:2945”，位于美国新墨西哥州荒漠的阿拉莫戈多空军基地，代号为“三一试验”(Trinity Test)的世界上第一枚原子弹爆炸成功。这是一枚选用239Pu作为裂变材料、长3.3m、直径1.5m、重达5吨的“内爆式”原子弹。爆炸装置(原子弹)事先放置在一个高达30.5M、重达上百吨的钢架上。爆炸威力远远超出了人们事先预计的结果：原子弹释放出了大约相当于1.9万吨TNT炸药完全爆炸所释放出来的总能量：钢架被部分地“蒸发”了，爆心附近的沙子被烧成了琉璃状。放置在不同距离处的摄像、录像器材被全
2、部损坏：人们惊呼爆炸生成的火球“比一千个太阳还亮”。弹坑深8米，直径为365米，半径1.6公里的范围内，所有有生命的东西都被破坏无遗。爆炸震破了300公里外城市建筑物的玻璃。2o获准在现场采访的唯一一位记者威廉劳伦斯描述到：天外飞来的闪光，宛如好几个太阳团聚在一起，令人眼花缭乱。这是一个人们从未见过的景象。仿佛一个巨大的太阳，瑰丽无比，在一瞬间腾升到2500 m的高空，直到与天上的白云混为一体，把大地和天空都映红了，光焰夺目。这个直径达2000m的巨大火球徐徐上升，不断变换着颜色，从紫罗兰到橙黄色，渐渐变得越来越大。它升得越高，就显得越大，顷刻间，它变成了一片奇异的绿色。人们简直要说天地裂开了
3、！也就是从这一时刻开始，人类进入了“核武器时代”。o奥本海默回忆说：“当时有几个人笑了，有几个人却哭了，大多数人惊呆了，一声不响”。 o1945年8月6日，一枚代号为“小男孩”Little Boy)的原子弹在日本的广岛上空爆炸其爆炸威力大约为2万吨TNT当量。这是枚以235U为裂变材料的“枪式”原子弹。原子弹的爆炸直接导致了大约70000多人的死亡，致伤68000多人，在面积为13km2的地区内，2/3的建筑物被彻底摧毁。o同年8月9日，另一枚代号为“胖子”(Fat Man)的原子弹在日本九州岛的长崎上空爆炸，炸死大约35000多人，炸伤60000多人，在4.7km2的区域内，40以上建筑物被
4、摧毁。这枚原子弹以239Pu为核材料，属于内爆式原子弹，爆炸威力大约为2.1万吨TNT当量。o1945年8月6日，美国总统杜鲁门发表声明说：“16小时前，一架美国轰炸机在日本的重要军事基地广岛投掷一颗炸弹。这颗炸弹的威力相当于2万吨TNT。日本卑鄙地偷袭了珍珠港，挑起了太平洋战争，现已遭到数十倍的报复为了将日本人民从毁灭中拯救出来，我们于7月26日在波茨坦向日本发出最后通碟，但是，遭到日本政府的断然拒绝。如果日本政府继续顽固不化，拒绝投降，那么，有史以来从未有过的毁灭性的原子激流，将从天而降落到日本人头上。”o“1939年以前，科学家们公认，把原子能释放出来在理论上是可能的，但是没有人知道实现
5、这一点的实际可行的方法。然而，到1942年，我们知道了德国人当时正在狂热地进行这项工作，以便在他们妄图用来奴役世界的其他武器之外，再增添上一种原子武器，但是他们失败了。”o“在敌对双方的实验室之间所展开的这一场战斗，就像陆地、空中和海上的战斗一样，对我们包含着致命的危险，但现在我们已经打胜了这一仗，我们在有史以来最大的一场赌博中花了20亿美元并且取得了胜利。” 5o按照核装置的原理结构划分：可分为原子弹、氢弹和特殊性能核弹。后者包括中子弹(增强辐射弹)、减少剩余放射性弹(冲击波弹)、感生放射性弹、核爆激励x射线激光器、核爆激励射线激光器、核爆激励高功率微波武器等。o按照投掷发射系统划分：核导弹
6、、核炸弹、核炮弹、核深水炸弹、核鱼雷、核地雷等。核武器分类核武器分类6原子弹的基本原理原子弹的基本原理 o按核燃料分：铀弹：以235U为核装药，浓度在90%以上钚弹：以239Pu为核装药，浓度在93%以上o原子弹的基本组成部分:核燃料链式裂变反应中子源点火（扳机）引爆装置原子弹的控制机构（使用前，核材料次临界，使用时，使核材料迅速变成超临界）中子反射层中子慢化外壳体o增值系数引起下一代核裂变的中子属于引起本代核裂变的中子数之比叫做增值系数ko临界：k=1，链式裂变反应可以维持进行，并且以固定不变的功率释放能量。核反应堆工作时o次临界：k1,链式裂变反应快速维持进行，核能瞬间释放出来。原子弹爆炸
7、时o“现场快速装配技术”：核材料的临界质量与其几何形状和物理密度有关，在平时分为若干块，或密度降低，核材料处于次临界状态。使用时，通过雷管引发普通的爆轰把核材料快速压在一体，同时提供“点火中子”。 o“现场快速装配技术”要求：快速完成装配(0.1ms)、精密同步（1 s）、高密度状态时表面积小、球形。o核系统处于临界状态时(K1)易裂变材料的质量称为临界质量M临，它所占有的体积称为临界体积。几个概念几个概念p核材料的种类。由于不同核材料的中子裂变截面不同、每次裂变放出的中子数不同等诸多因素造成不同材料临界质量不一样。235U材料裸球的临界质量大约是50kg；239Pu材料裸球的临界质量大约是1
8、6kg。p核材料的密度。密度越高，临界质量越小。压缩后密度增加，单位体积内的原子核数增加，中子引起的核裂变数增加，同时表面积减小，中子泄露的可能性减小。球形核材料的临界质量与核材料密度的平方根成反比，密度增加一倍，则临界质量就减少为原来的1/4。p核材料的几何形状。核材料的几何形状决定了它的表面积，因而也就决定了逃逸出核系统的中子数，所以就决定了其临界质量的大小。p核材料的纯度。核材料的纯度决定了被杂质核所俘获吸收的中子的数量。影响临界质量的因素影响临界质量的因素p中子反射层。在核材料的外表面加上一层可以反射中子的物质以后，逃逸出系统的中子就有可能与这层物质(原子核)发生碰撞，从而反射回核系统
9、继续参与核反应，使得系统中的中子数增加。实验和计算表明：如果在活性材料的外表面加上5cm厚的238U材料作为反射层的话，235U材料的临界质量就将由50kg减小为大约24kg，239Pu材料的临界质量由16kg减小为大约只有8kg。在所有的中子反射层材料当中，9Be是最好的。这是因为一方面9Be是单位体积中原子核数最高的核素，另一方面是因为它除了可以反射中子以外，还能够增殖中子。所以在其他条件允许的情况下，一般武器中部选用9Be作为中子反射层材料。影响临界质量的因素影响临界质量的因素假设一个由235U核材料组成的超临界系统，裂变一次所需要的时间为10-8s，当中子增值因数k=1.2时，由一个中
10、子引发的链式反应，求裂变完1kg的235U所用的时间， k=1.3时呢？画出放出能量与时间之间的关系。假设裂变一次所放出的能量为200MeV。1MeV=1.60210-13J、一公斤TNT爆炸可产生420万焦耳的能量。超临界链式反应的特点：超快超临界链式反应的特点：超快11根据上面的题目得到结论：p核系统在超临界状态下链式反应是s级p中子增殖因数k值越大，反应速度越快p能量绝大部分是在反应后期放出。以k=1.2为例。裂变0.1kg的235U需要2.86s的时间。而裂变1kg的235U则只需要2.99 s的时间，时间仅仅增加了0.13s ，而裂变的量却增加了9倍!p原子弹爆炸时，铀利用率仅仅为1
11、0左右，所以如果能设法延长链式反应的时间，就可以大大提高核材料的利用率12枪式原子弹：又称压拢形原子弹，是将一小块核材料用炸药推进到两块处于次临界状态的核材料之间，使核材料系统变为超临界，从而引起核爆炸。原子弹基本构造原子弹基本构造13Little BoyLittle Boy制造技术简单，易于制造，只能采用铀-235装料。缺点：核材料装量多，利用率低一般2万吨TNT当量的原子弹需25公斤铀-235，利用率10%。美国投在广岛的就是一颗枪式原子弹，装64公斤铀-235，爆炸当量1.5万吨，利用率仅为1.2%.枪式原子弹的特点枪式原子弹的特点使用内爆技术，用炸药爆炸产生强大的向心力，将处于次临界状
12、态的核材料压紧变成高密度的超临界核材料而产生核爆炸的原子弹。又称向心聚爆式原子弹。内爆式原子弹内爆式原子弹o所需要的核材料相对较少，核材料的利用率可高达10-20。目前世界上服役的原子弹大都为内爆式原子弹。o把核材料做成空心球壳形状、这样做的结果不仅不会使核装置体积增大，反面会使装置的体积减小，质量减轻。原因:留出的空间为外层部件的加速留出了余地，外层的金属部件经过这一段距离的加速，可以使得撞击速度大大提高，从而获得很大的核材料压缩比。它甚至比全部用炸药填充这部分空间的结构形式所能获得的核材料压缩比还要大得多。o多点起爆，提高了对核燃料的压缩效果。o同步性要求高，同步性小于1微妙。 o起爆点数
13、的疏密、雷管起爆同步性、炸药纯度、炸药装药密度的均匀性、结构部件加工误差等都会影响同步性。o核材料的压缩成高密度，可减少核装药量，降低成本。o超临界速度加快，核爆成功率加大，提高核材料利用率。o技术难度、储存难度比枪式高得多。o核材料一般不能少于1公斤，“胖子”就是一颗内爆式的钚弹，爆炸当量2万吨TNT。内爆式原子弹的特点内爆式原子弹的特点17o当整个核装置的外径尺寸确定时，怎样选取内部的结构尺寸，可以使得被驱动部件获得最大的动能呢? o当发生冲击碰撞时，飞层内层材料中的压力与飞层的能量体积密度成正比。要提高被碰撞物体中的压力，获得较大的材料压缩比，必须提高飞层撞击时的速度，或者选用较高密度的
14、飞层材料。为了使飞片充分吸收爆轰产物的能量，必须保证飞片有足够的飞行距离。实验证明：飞片的加速过程是十分迅速的。一般的加速过程在40-60 mm长的空腔内即可完成。飞层起了“能量泵”的作用，使金属从爆轰产物中吸收更多的能量。两个理论问题两个理论问题18o就是在原子弹裂变材料的中心形成一个较小的聚变反应，依靠聚变反应所提供的高温、高压条件和大量中子增大裂变爆炸的威力。这种技术目前大量应用于先进的核武器当中。o在裂变武器爆炸时，中心部分处于极高的温度和压力下，（几百亿个大气压，几千万度）。如果在爆炸中心放置一些聚变材料的话，可以引发聚变反应。由于聚变反应所产生的中子具有14MeV以上的能量，当它们
15、与可裂变核碰撞时，就可以使得可裂变核产生裂变反应并放出更多的中子。o这两种反应共同作用，使原来的链式裂变反应比没有聚变反应时增殖的更快，从而发生更多的裂变反应。o助爆式原子弹与末助爆的原子弹相比，威力可增大2-10倍。p气体助爆：聚变材料在武器中以D、T气体的形式存在。p固体助爆：聚变材料在武器中以某种固态化合物形式存在。 助爆式原子弹助爆式原子弹19o助爆式原子弹当中聚变材料的选取不同于氢弹当中聚变材料的选取。在氢弹中，首选的聚变材料6LiD，而对于助爆型原子弹来说这不是最好的选择。因为Li要吸收裂变中子以后才能产生造氚反应n+6LiT+4He+4.78MeVo这使得系统中的中子数减少。用液
16、态的D和T做为聚变材料也是不合适的，因为为了使 D和T液化，要用到庞大的加压和冷却设备，从而导致武器的体积和质量大幅度增加。唯一的选择是选用气态或固态的D和T的混合物。由于D是一种放射性材料，并且它的半衰期只有12.3年，因此武器中的“助爆材料需要定期更换。助爆式原子弹助爆式原子弹20美国美国“小男孩小男孩”原子弹爆炸后现场原子弹爆炸后现场 长崎被轰炸后的街道 广岛，曾经的一条繁华大道 长崎一家被轰炸后的工厂 广岛被破坏的程度比长崎要厉害得多 广岛被炸后的废墟 广岛市区远景 走在这里，确实会让人怀疑自己是人是鬼 一家被轰炸后的工厂 英军官兵乘卡车穿行于长崎市区 俄罗斯的核武器博物馆o氢弹是利用
17、轻元素原子核的聚变反应，在瞬间释放出巨大能量，起杀伤破坏作用的爆炸性核武器。o氢弹的物理基础：借助于原子弹爆炸时产生的高温和高压条件，实现轻核材料的聚变反应。o泰勒一乌拉姆模型：原子弹初始爆炸的主要产物是x射线，以光的速度传播，比任何爆炸中产生的粒子状物质要快得多。用x射线(而不是中子) 作为从裂变扳机到聚变燃料的能量输运的主要手段。o另一个关健因素：先利用千吨级核装置的爆炸来引发几十万吨级核装置的爆炸，再接着用几十万吨级核装置的爆炸来引发百万吨级、甚至千万吨级核装置的爆炸，这就避免了直接从较小的千吨级扳机引爆具有百万t威力核装置爆炸的困难。氢弹氢弹67根据黑体辐射的普朗克公式，高温物体的辐射
18、本领见曲线。由曲线可见，绝对黑体的辐射本领在一定的温度下有一个峰值，该峰值对应的波长称为峰值波长，意即在此温度下，黑体辐射的光子波长中以m，占绝大部分。如果提高系统的温度，发现波长会向短波的方向移动。根据原子弹爆炸时温度3107k可以得出射线能量为12.8keV是硬X射线、软射线。初级核爆炸产生光子的频率范围初级核爆炸产生光子的频率范围68o光电效应：光子从原子中打出电子，同时剩余的原子受到反冲，而光子本身消失的过程。o康普顿效应：光子与原子中的电子散射碰撞过程。碰撞后的光子损失能量、改变运动方向，电子获得能量而从原子中飞走。o电子对效应：光子的能量大于电子静止质量的两倍时，光子转化为一对正负
19、电子。o三种效应哪一种效应占据主导地位，与吸收物体的性质有关、也随光子能量的不同而不同。o相干散射（瑞利散射）：低能光子与束缚电子间的弹性散射。与材料所有电子散射，能量不变，只改变方向。低能光子和高Z材料效应显著。随能量增加，角度变化减小。光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用69低能、高Z，光电效应占优势；中能、低Z，康普顿散射占优势；高能、高Z，电子对效应占优势。光 电效 应康普顿散 射电子对效 应7071o在光子能量的输运过程中，哪一种效应损失的能量少，则说明它在能量输运中起主要作用。那么，在光电效应和康普顿效应中，哪一种效应是能量输运的主要形式呢?o入射光子的能量不大时，经康普顿散射
20、后，光子的能量损失也不大。光电效应中，光电子的能量绝大部分损失掉。o结论：在辐射内爆过程中，原子弹初级核爆光子的能量主结论：在辐射内爆过程中，原子弹初级核爆光子的能量主要是以康普顿散射的方式到达次级氢弹的。要是以康普顿散射的方式到达次级氢弹的。72o在氢弹弹壳里装有液态的D和T，这是氢弹的聚变核装药，另外还有三块互相分开的铀或钚块，它们是原子弹的核装药，此外还有高能炸药和引爆装置。o原子弹爆炸产生高温和高压环境，D和T的核外电子都离开原子核跑掉了，成为一团由原子核和自由电子所组成的气体(等离子体)，此时D、T以高速互相碰撞，产生聚变反应，放出大量的能量，形成了氢弹爆炸。湿式氢弹湿式氢弹73o1
21、950年1月美国总统杜鲁门决定研制氢弹。由匈牙利籍的科学家泰勒领导。o1951年5月 氢弹原理试验准备工作就序，试验弹代号 “乔治”，在太平洋上的恩尼威托克岛试验场进行。62吨，放在60余米的钢架上，装置以液态氘作为核聚变装料，并有冷却系统使氘处于极低温。o1952年11月1日“迈克”在太平洋的恩尼威托克岛上爆炸。该装置高6米，直径为1.8米，重达65吨，看上去像个大暖瓶，爆炸威力达1000万吨TNT当量。相当于广岛型原子弹的500倍。“迈克”体积比一辆载重汽车还大，它必须装有笨重的制冷系统，这样的装置飞机、导弹都无法运载，没有什么实战价值。第一枚氢弹第一枚氢弹74o“迈克”爆炸：巨大的火球吞
22、没了位于太平洋的整个试验岛礁，岛上所有的东西都汽化了，中心处形成了近50 m深、直径巨大的弹坑。爆炸冲击波达到了数公里远的距离，在其经过的途中摧毁并扫除了一切东西，附近岛屿上的植物及动物被热浪及冲击波扫除的一干二净。o“伴随着极其明亮的闪光，人们马上感觉到热浪，距离可达4856km。在海平面看巨大的火球像升起一半的太阳，短暂停留以后迅速膨胀，直径达1.6km。爆炸后不久就出现了巨大的蘑菇云，好像是支撑在灰褐色的茎上，显然茎是由被抽吸到空中的珊瑚粒子、碎片及水组成的。”o“冲击波及声响大约在爆炸后2.5min时到达海上船只，先是一声剧烈的爆炸声响，随后是拖长的、持续的隆隆声，耳朵感觉到的压力脉冲
23、时间及负压时间特别长。”o“你一定会发誓，整个世界着火了。” 第一枚氢弹第一枚氢弹75o热核材料D和T在常温和常压下都是气态，密度很小，只有在低湿或高压条件下才能成为液体，因此必须放在笨重的冷藏容器中，失去了军用价值；此外，T的成本非常高，半衰期则比较短，致使武器价格昂贵，且无法长久贮存。o 就“迈克装置”而言，为了达到液化D所需要的-253C，装置中使用了庞大的低温冷藏系统，导致装置的体积相当于一座二层楼房那么大，重量达到约65t。因此严格来说，“迈克”只是一个实验性的装置，远远不是一个可以运载、实用的军事武器。“湿式氢弹湿式氢弹” ” 缺点缺点76o6LiD就是一种理想的热核材料。其中的6
24、Li可以在中子的作用下发生造T反应：n+6LiT+4He+4.78MeVo反应生成的氚又可以与氘进行以下聚变反应：D+Tn+4He+17.6MeVo6LiD是一种稳定的固体化合物，无须冷藏，所以大大减小了氢弹的体积和重量。D非常容易获得，所以也降低了氢弹的成本。干式氢弹干式氢弹77o干 、湿两种氢弹，其核爆炸过程都是只包括裂变和聚变两个阶段，所以一般称之为“两相弹”。在二相弹内加入了大量的可裂变装药238U为三相弹，裂变聚变裂变。oD+Tn+4He+17.6MeV反应生成的中子具有14MeV以上的能量，远远高于一般的裂变反应所放出中子的能量，故称之为高能中子。o目前世界上服役的核武器绝大多数是
25、三相弹三相弹三相弹78核武器的五种破坏效应核武器的五种破坏效应o冲击波、光辐射（热辐射）、瞬时核辐射（瞬发核辐射）、剩余核辐射（放射性沾染）和核电磁脉冲。其中主要的杀伤破坏作用是冲击波和光辐射。o能量分配比例冲击波光辐射剩余核辐射瞬时核辐射原子弹50%35%10%5%79核武器的五种破坏效应：核武器的五种破坏效应：光辐射光辐射p原子弹在空中爆炸时产生大量的热量，其周围的空气温度高达几十万摄氏度，在约百分之几秒至十分之几秒的很短时间内形成一个直径约为 100m的大火球，其表面的温度比太阳表面温度（6000oC）还高，其亮度比一千个太阳还亮。p光辐射在爆炸后3秒至十几秒的时间内起作用，其主要作用是
26、着火燃烧。2万吨TNT当量的核爆炸产生的光辐射对人的伤害半径为5.6km，其中重度和极重度伤害半径为3.6km。50万吨TNT当量的核爆炸产生的光辐射对人的伤害半径为10km，其中重度和极重度伤害半径为5.0kin。人眼最容易受光辐射伤害，即便是1万吨TNT当量的核爆炸，视网膜不受损伤的安全距离也要大于 50km，闪光盲安全距离大于 100km。在对人员起烧伤作用的范围内，光辐射都会引起房屋、庄稼等着火燃烧。p对光辐射的主要防护措施是技遮白色反光物，或躲入碉堡、地下工事中。暴露的人首先要闭眼。热就是这里所说的光辐射。光辐射向四周传播到很远的地方80核武器的五种破坏效应：核武器的五种破坏效应：
27、冲击波冲击波o核爆炸中心温度高达几百万甚至几千万摄氏度，压强高达十几亿甚至数百亿大气压。这样高的温度和压强下的蒸气迅速向四周膨胀，强烈地压缩空气层而形成冲击波。冲击波以超音速从核爆中心向四周扩散。冲击波摧毁建筑物和工程设施，摧毁和破坏坦克等武器，抛出人体、损伤器官而造成人员伤亡。2万吨TNT当量核爆炸的冲击波可引起半径为2km内的人员伤亡，其中引起重度和极重度伤亡的半径为0.5km。50万吨TNT当量核爆炸的冲击波可引起半径为6.5km内的人员伤亡，其中引起重度和极重度人员伤亡的半径为3.2km。o对冲击波进行防护的主要办法是修筑工事。一般的人防工事都可以防冲击波。距离爆炸中心 0.2km的地
28、方，砖瓦建筑会受到相当大的破坏，但钢筋混凝土构成的掩蔽部即使离爆炸零点很近，也不致受破坏。两公里以外的楼房对一般原子弹爆炸也是比较安全的。81核武器的五种破坏效应：核武器的五种破坏效应： 瞬时核辐射瞬时核辐射o核爆炸后一分钟内释放的核辐射叫做瞬时核辐射。主要是核爆炸瞬时放出的中子和射线，它对建筑物不起破坏作用，但对人、畜有明显的杀伤作用，引起放射病，并可破坏电子系统，使电子系统致盲或失灵。人员被瞬时辐射伤害的程度取决于其所受吸收剂量及其健康状况。o人在短期间受到照射超过1Gy会引起急性放射病。急性放射病分为轻度、中度、重度、极重度4级。2万吨TNT当量的核爆炸可能引起急性放射病的范围为半径1.9km，其中引起重度和极重度急性放射病的范围为半径1.4km。50万吨TNT当量的核爆炸引起急性放射病的范围为半径2.7km，其中引起重度和极重度急性放射病的范围为半径2.3km。战时军用允许照射剂量24h内无害照射应小于0.5Gy，中等照射最大为0.2Gy，急性照射不得超过0.5Gy。82急放射性等级及效果急放射性等级及效果
