〖2.2.1.2 纯裂变武器设计的理论核心〗
纯裂变武器共有两种主流设计,枪式和内爆式。但在介绍这两种设计前,我们还需要掌握纯裂变武器设计的理论核心
我先对次临界状态和超临界状态的概念进行必要的补充。次临界状态和超临界状态的概念是由临界质量这一概念引申出来的。临界质量是指能够维持核材料链式裂变反应所需的裂变材料最小装量。临界质量与核裂变材料本身性质有关,与核材料的几何形状和密度也有关。在给定材料装量的前提下,球状装料是最佳选择。因此,采用球状装料的内爆式设计成为后来有核国家以及拥核国家的主要发展方向。则当核裂变材料的临界质量高雨质量时,裂变材料处于称为次临界状态;同理,临界质量低于裂变材料的质量时,则处于超临界质量。由此可见,从次临界状态跨越向超临界状态,是核武器实现裂变链式反应的关键一步。
裂变武器设计的理论核心
1. 在引爆前将裂变物质控制在临界状态之下,即裂变材料处于次临界状态
2. 使裂变物质由次临界状态进入超临界状态
3. 当裂变物质到达最大超临界状态时引入中子射流开始链式反应
4. 将裂变物质控制在一起,直到足够比重的裂变物质参与链式反应
虽然使裂变材料进入超临界状态是实现链式反应得关键,但光获得链式反应还不够,我们需要的是极高反应速率下的链式反应,这样才能保证在极短的时间内,在裂变物质四分五裂前,让尽可能多的裂变材料参与反应。因此,通常来说需要三倍于临界质量的超临界裂变材料才能获得可观的裂变反应速率。也就是说,“超临界状态裂变材料与临界质量间的比值”越大,其链式反应的速率也就越高
前面已经说到,临界质量与材料本身形状、密度、性质有关,因此对裂变材料的密度形状加以改变,其临界质量也会随之改变。这里有一个关键概念,裂变材料的临界质量与其密度的平方呈反比。也就是说,裂变材料质量一定的前提下,其密度越大,临界质量越小,那么“超临界状态裂变材料与临界质量间的比值”也就越大,其链式反应速率也就相应越高
所以,设计一种密度可在极短时间内被提高的裂变材料,就可以在极短时间内实现“超临界裂变材料与临界质量间的比值”翻倍的目的,也就由此获得极高反应速率的。举个例子,将某种次临界状态的弹芯裂变材料密度翻倍,我们就瞬间得到了4倍于临界质量的裂变材料。因此,纯裂变武器的两大发展方向(枪式设计和内爆式设计)都应用了这种短时间内增加裂变材料密度以达到“超临界状态裂变材料与临界质量间比值”倍增的思路。
次临界状态及超临界状态下链式反应示意图