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第14章 氢弹:氢能威力的见证(1)

氢弹概述

氢弹是核武器的一种,是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器。又称为聚变弹、热核弹及热核武器。

我国第一颗氢弹爆炸

氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量(TNT当量,是指核爆炸时所释放的能量相当于多少吨TNT炸药爆炸所释放的能量),氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。还可以通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素,其战术技术性能比原子弹更好,用途也更广泛。

1942年,美国科学家在研制原子弹的过程中,推断原子弹爆炸提供的能量有可能点燃氢核,引起聚变反应,并想以此来制造一种威力比原子弹更大的超级弹。1952年11月1日,美国进行了世界上首次氢弹原理试验。从20世纪50年代初至60年代后期,美国、苏联、英国、中国和法国都相继研制成功氢弹,并装备部队。

三相弹是目前装备得最多的一种氢弹,它的特点是威力和比威力都较大。在其三相弹的总威力中,裂变当量所占的份额相当高。一枚威力为几百万吨TNT当量的三相弹,裂变份额一般在50%左右,放射性污染较严重,所以有时也称之为“脏弹”。

氢弹具有巨大杀伤破坏威力,它在战略上具有非常重要的作用。对氢弹的研究与改进主要在3个方面:①提高比威力和使之小型化;②提高突防能力、生存能力和安全性能;③研制各种特殊性能的氢弹。

氢弹的运载工具一般是导弹或飞机。为使武器系统具有良好的作战性能,要求氢弹自身的体积小、重量轻、威力大。因此,比威力的大小是氢弹技术水平高低的重要标志。当基本结构相同时,氢弹的比威力随其重量的增加而增加。20世纪60年代中期,大型氢弹的比威力已达到了很高的水平。小型氢弹则经过了60年代和70年代的发展,比威力也有较大幅度的提高。但一般认为,无论是大型氢弹还是小型氢弹,它们的比威力似乎都已接近极限。在实战条件下,氢弹必须在核战争环境中具有生存能力和突防能力。因此,对氢弹进行抗核加固是一个重要的研究课题。此外,还必须采取措施,确保氢弹在贮存、运输和使用过程中的安全。

在某些战争场合,需要使用具有特殊性能的武器。至80年代初,已研制出一些能增强或减弱某种杀伤破坏因素的特殊氢弹,如中子弹、减少剩余放射性武器等。中子弹是一种以中子为主要杀伤因素的小型氢弹。减少剩余放射性武器(Reduced-Residual-Radioactivity weapon)也称为RRR弹,也属于一种以冲击波毁伤效应为主,放射性沉降少的氢弹。一枚威力为万吨级TNT当量的RRR弹,剩余放射性沉降可比相同当量的纯裂变弹减少一个数量级以上,因而是一种较好的战术核武器。从总的趋势来看,对氢弹的研究,更多的注意力可能会转向特殊性能武器方面。

氢弹比原子弹优越的地方在于:

(1)单位杀伤面积的成本低;

(2)自然界中氢和锂的储藏量比铀和钍的储藏量还大得多;

(3)所需的核原料实际上没有上限值,这就能制造TNT当量相当大的氢弹。

氢弹的缺点

氢弹的缺点主要体现在以下3个方面:

(1)在战术使用上有某种程度上的困难;

(2)含有氚的氢弹不能长期贮存,因为这种同位素能自发进行放射性蜕变;

(3)热核武器的载具,以及储存这种武器的仓库等,都必须要有非常可靠的防护。

在历史上,轻核的聚变反应实际上比重核裂变现象还要发现得早,但氢弹却比原子弹出现得晚,第一颗氢弹在1952年才试制成功,而可控制的聚变反应堆由于障碍重重,至今仍是科学技术上尚未解决的一个重大问题,原因是要实现轻核聚变反应的条件比实现重核裂变的条件要困难得多。

当前发展氢弹的重点

如何使氢弹威力增加以及如何使弹径及重量减少是发展氢弹的重点。目前已有1000万~1400万吨威力的核弹进行试爆,威力是不小,但是要缩小它的体积及重量就没有那么简单,其中最令人注目的理论是集中激光使氢弹引爆,这类炸弹可以变得很小,因为它不需原子弹的部分,新式氢弹的原理一直没有公开。1956年5月间美国宣称已能制造小型热核武器,其体积小到可以装在战机使用的飞弹内,也可用飞机空投或放在无人飞机(UAV)上,甚至使用在短、中、长程弹道飞弹上。

探索新原理,研究新的热核材料,用雷射来引爆氢弹,使氢弹可达到真正意义上的“干净”,热核武器中除使用氘化锂和一定数量的氚化锂外,还含有少量的氚,以加速热核反应。美国的氚年产量较大,每年也不过1~2千克,由于氚的衰变,需要定期替换,所以大部分氚除了用来维持核武库贮备,只能有一小部分用于制造新武器,因此,除了设法增加氚的生产外,俄、美两国都研究新的热核材料,据报道美国已经掌握了几种特殊聚变材料,曾用在义勇兵2型ICBM的MK—11C弹头上,多年来俄、美两国也展开了对超钚元素的研究,这种元素可用来制造微型核子武器,但是获取这种材料是十分困难的,而且费用高昂。

氢弹的研制历史沿革

氢弹的研制是在第二次世界大战末期开始的,自从原子弹试爆之后,因为它能产生上千万度的超高温,也为日后研制氢弹开创了条件。美国在研制氢弹初期,经过了多次试验都没有成功,1950年以后美国又重新开始试验,并且利用电脑对热核反应的条件进行了大量计算之后,证明在钚弹爆炸时所产生的高温下,热核原料的氘和氚混合物确实有可能开始聚变反应,为了检查这些结论,他们曾经准备了少量的氘和氚装在钚弹内进行试验,结果测得这枚钚弹爆炸时产生的中子数大大增加,说明了其中的氘氚确实有一部分会进行热核反应,于是在这次试验后,美国加紧了制造氢弹的工作,终于在1952年11月1日,在太平洋上进行了第一次氢弹试验,当时所用的氢弹重65吨,体积非常庞大,没有实战价值,直到1954年用固态的氘化锂替代液态的氘氚作为热核装料之后,才缩小了体积、减轻了重量,制出了可用于实战的氢弹。随着科学技术的发展,氢弹与洲际弹道飞弹的结合就为现代世界带来了以暴制暴的恐怖和平,使得人类进入按钮战争的时代,任何一个核子强国在战争中使用氢弹,也就意味着世界末日的来临。到目前为止,所有被制造出的氢弹当中,威力最大的是由苏联所制造的、当量为7千万吨的超大型氢弹,但因为过于笨重及庞大,难以搬运,欠缺实用性,因此早已退役。

衡量核子武器发展水平的标准

一般来说,衡量核子武器发展水平高低的标准有四个方面,就是威力比、核原料利用率、干净化程度以及突防能力。

所谓威力比,是指每千克重的核子弹所产生的爆炸威力,即爆炸的总当量与核武器重量之比,它是核武的一项极其重要的指标,从威力比的大小,可以看出核武器小型化的水平,目前俄、美两国在百万吨当量以上的核子武器,它的威力比水平约为每千克弹头达到2500~5000吨当量,20万~100万吨当量的核武威力比水平为每千克弹头2200~2500吨当量。

跟威力比有关的另一个问题是分导式多弹头飞弹的大力发展,由于多弹头增加了额外的结构重量,所以威力比会相对应地降低,弹头数目越多,下降的幅度越大,例如美国的义勇兵2型和海神潜射飞弹的核弹头,它们的威力比大约是每千克600吨TNT当量,俄、美两国都多次进行地下核子试验,改进核弹头的质量,使其不断地小型化,进一步提高威力比,但不管怎么改进,如果还是采用铀235和铀239作为核原料的话,那么它的威力比就不能像过去那样大幅度的几十倍甚至几百万倍的增长。

核原料的利用率,反映了核武器的技术水平,是指在核爆的时候,核弹中有多少核原料产生裂变链式反应而释放了能量,有多少核原料没有产生裂变链式反应而被核弹中的炸药给炸散了。随着科学技术的发展,核原料的利用率有了很大的提高,有的已经提高到25%以上,比以前提高了5倍左右。近年来在新型的核武器中,核原料利用率又有新的提高,但是要达到100%几乎是不可能的事。

所谓干净化程度,是指核武在爆炸时总能量中裂变能和聚变能所占的比重,由于现在的氢弹必须依赖原子弹来引爆,所以必然会产生大量的放射性裂变物质,根本谈不上什么干净,俄、美两国自称已经拥有了所谓的干净氢弹,实际上只是在氢弹爆炸的时候相对地增加了聚变的比重,减少了裂变的比重,使得放射性裂变产物相对地减少了,据说美国的氢弹裂变比重已经降到只占总能量的百分之几。

突防能力,也是衡量核武水平高低的一项标准,它主要是指核武本身突破敌方各种防御措施的能力,例如把单弹头发展到多弹头,就是提高核武突防能力的有效手段之一。另外,由于反飞弹武器的出现,人们正利用X射线、γ射线、中子、β粒子、电磁脉冲以及激光和粒子束武器等来对付攻击性核子武器,这迫使核子武器必须具有相对应的抵抗能力,也就是所说的突防能力,对核武各种部件的薄弱环节进行强化,就是抵抗那些敌方防御手段的有效办法。

目前,俄、美两国都在积极发展新的核原料和各种新型号的核弹头,使核武不断地小型化。随着核弹头小型化的发展,分导式飞弹携带的核弹头越来越多,进一步提高了核子武器的威力,氢弹是现代战略核子武器的主力,氢弹被个别国家(指美国)掌握时曾对其他国家起着核威慑的作用,当个别国家垄断氢弹制造技术被打破以后,核子武器就成为人类这个地球上保持政治、军事和经济稳定的手段。氢弹作为战略核武器还在向小型化、定向化方向进一步发展,这种核子武器在和平时期具有新的安全参数,而在战时则能有效并可靠地摧毁目标。这种武器一方面对全球的放射性污染仅为现有核武的数百分之一;而另一方面,能摧毁敌方在外层空间和地面的目标,引起世界各国人们的恐惧。

原子弹爆炸到氢弹实验所用时间

从爆炸第一颗原子弹到爆炸第一颗氢弹,美国用了7年零3个月,英国用了4年零7个月,苏联是6年零3个月,法国是8年零6个月,而中国只用了2年零8个月。

1952年10月31日,在太平洋埃尼威托克岛第一颗氢弹爆炸。这是把相对论运用到原子核物理学,从而使原子能的释放成为现实。

基于相对论的结论可以断定,在最重的核发生核反应时,即大量质子和中子组成的重核分裂为较小的核时,就释放出能量。

受控核聚变技术的进展

现在核聚变技术的成熟应用就是氢弹。不过基于核聚变技术可以产生巨大的能量,很多国家,包括我国都在积极研究受控核聚变技术,即实现人工控制核聚变,使它用来发电,就像裂变一样。但是也正因为能量太大了,使它极不受控制,现在仅有的成果就是能够利用托卡马克装置实现2000万~5000万度以上的人造太阳,普遍仅仅能维持数十秒钟。日本在2000万度的温度下,使“太阳”稳定地存在了31分钟45秒。

我国最近实现了长达20秒的可重复高温等离子体放电,最高电子温度超过3000万度,令人鼓舞。

氢弹之父——爱德华·特勒

爱德华·特勒于1908年1月15日出生于匈牙利首都布达佩斯的一个犹太家庭,父亲是一名律师,母亲是一位钢琴家。和爱因斯坦一样,将近两岁才张口说话的特勒在小学就显露出超人的数学才能。苦于父亲的压力,特勒在德国莱比锡大学学习的是物理,但他从来没有放弃对数学的钻研。1930年,特勒获得了莱比锡大学的物理学博士学位,并在德国的一所大学任教。

1935年,由于纳粹势力的甚嚣尘上,特勒和妻子米奇被迫离开德国前往美国,在乔治华盛顿大学任教。直到1941年才离开该校,而他就是在那一年成为了美国的公民。

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