于敏构型与t-u构型的区别?
最新更新:经过和JK JK的讨论,我认为于敏的设计,也就是中国早期的氢弹设计,很可能和英国早期设计类似:球状次级+级间屏蔽(就是我配图中所谓的“X射线透镜”),整个弹体内部也许没有采用泡沫填充,很有可能次级没有裂变材料作为“火花塞”,后两者是典型的T-U构型的特点。
所以,基本原理不会有差,都是X射线引发次级推进层烧蚀压缩聚变材料,但具体结构可能有所区别。当然,T-U构型及其后续并不是一成不变的,比如美国后期设计的核弹头W87就很可能采用了球状次级的设计:
后来更先进的W88则很可能采用了非球状初级的设计,把次级移到弹体底部,这样次级可以做的更大,总体积几乎不变的情况下威力增加了50%。
顺便说一下目前某高票答案,首先他用错了wiki的配图,这个图本来是用来说明泡沫等离子压来压缩次级的,而不是推送层烧蚀机制。其次W80核弹根本没有那么大的当量,实际最高当量只有15万吨TNT,这是美国人70年代的设计。
更晚更先进的W87和W88都有一人高,当量也只有30到45万吨。当然W87为了装进圆锥形的用来球状次级@JK JK 说两者毫无区别,我并不同意,并且KKTT关于辐射内爆的解释我认为也有失实之处。
首先明确我的看法,相信在这一点上大家的想法是类似的:由于裂变初级的辐射能量集中在X射线波段,所有的氢弹必须围绕X射线辐射内爆来设计,并且就目前来看,重元素推送层烧蚀是唯一的利用X射线的办法。
因此,仅仅从放射产物是无法获知采用此种原理的氢弹的设计差别的。
还有一个定义在于泰勒乌拉姆结构,如果认为只要采用上述原理就必然归类为泰勒乌拉姆设计方案的话,那这个问题的确可以终结,的确大家都一样,但如果把泰勒乌拉姆方案的具体细节拿出来,譬如,球状初级加圆柱状次级,并且圆柱状次级存在梯级压缩的话,那么球状次级的方案理应与此有所区别。
关于KKTT对泰勒乌拉姆构型的解释:
“在Teller-Ulam原理中,初级产生的X射线迅速充满辐射通道,形成近似的温度均匀的黑体辐射空腔,辐射通道中的低原子序数材料被X射线热化为高温等离子体,……”
我不认为初级X射线照射泡沫填充层产生的次发X射线是主要的X射线来源,更重要的应当是和初级中重元素包层以及整个核弹的重元素外壳的作用。
轻元素材料同X射线的作用截面极小,几乎完全透明,很难与X射线相互作用。把整个核弹中的X射线均匀化更重要的过程应当是核弹外壳对X射线的漫反射,因为只有原子核够重,才能增加跟X射线的作用截面。此后,均匀加热的泡沫等离子体由于达到了极高的温度,离子平均动能接近X射线的光子动能,此时的确可以起到充分散射X射线,让整个腔体的X射线辐射均匀化的作用。
关于X射线透镜:
经过和同学的讨论,我也认为X射线透镜并不是“聚焦”X射线的意思,而是利用X射线的能量实现均匀压缩的机制,类似初级对于炸药透镜的称呼。
但这并不意味着氢弹就一定能简化为初级+次级的简单布置。一个问题是,次级包层的烧蚀,到底是X射线直接产生的,还是来自泡沫等离子体的加热?如果是后者,那么初级直接照射到次级的X射线并不重要,可以直接去掉下图中X射线透镜的装置。
如果是前者,必须考虑到如何保证均匀烧蚀次级的解决办法。
在JK JK的资料中,美国人也意识到泰勒乌拉姆结构的柱状次级是存在梯度压缩的,(“但是使用圆柱形次级后,次级不同部分实际上是独立地被压缩.
..沿轴线精确计算压力时间曲线,允许差异存在,这是很重要的”)。这样说明了KKTT解释中的错误:单单靠泡沫等离子体是无法保证腔体内均匀的X射线辐射场的。这种时间差也说明了内壁对X射线的漫反射是更主要的产生烧蚀效果的机制。
所以,我认为为了保证球状次级的均匀压缩,要么设计成非均匀球体,要么在初级和次级之间增添可以延缓次级近端首先烧蚀的结构,这个结构,我姑且称为“X射线透镜”。
先发一张自己猜测的于敏构型的热核武器结构,看上去有些逗比,但请听我细细解释。这份设计基于以下前提(不一定都是事实):
1.裂变弹(初级)的主要能量以X射线的形式发出;
2.重元素材料的烧蚀是把X射线的能量转化为热能/机械能的最有效形式(之一?);
3.
于敏构型的“球柱球”结构,也就是球形初级通过柱状结构向球状次级输送能量:基本的材料都来自于老同志的回忆录。例如21所的杨吉纯同志:
我的1967(下)
:“我心里咯噔一下:糟糕!甲球响了,但没有引爆乙球,此次氢弹试验失败了。”我的1979(中)
:“ 1967年12月进行的那次氢弹试验,因为甲球没有引爆乙球,变成了一次小原子弹试验。这是第一次失败的试验。
1972年3月进行的那次氢弹试验,还是因为甲球没有引爆乙球,又变成了一次小原子弹试验。这是第二次失败的试验。”
以及《神剑》2007年第六期擎起核盾牌的科学巨子
:“邓稼先、程老……在第一时间马上奔赴现场。我在212吉普车前面坐,他俩坐后面,一路上就在不停地讨论研究“能量输运”,分析是通过一个管子向弹体输送的能量不足,所以没爆。 ”
4.存在可以作为X射线透镜并能在热核武器中使用的材料。
对于以上几点的解释我会慢慢补上。
1.关于X射线透镜:之所以需要X射线透镜,源于被设计成球状的次级。从初级发出的X射线相对次级来说本身是放射状的,为了让次级尽量得到均匀的X射线辐射,需要将X射线变成汇聚的形态。
但X射线本身非常特殊,光子能量极大,对于大多数材料几乎可以无损耗的穿透,并且折射率均接近1,但实际上会略小于1(相速度大于真空中光速),所以如果想做成X射线透镜,透镜形状应当接近于凹透镜(这也是为何示意图中会画成这种形状),但由于折射率非常接近1,我比较怀疑这样制成的凹透镜的效果,另一种可能的设计是利用全(外)反射:光从高折射率介质(真空/泡沫塑料)进入低折射率介质(透镜材料,例如铝),入射角较大时发生的全反射现象。
只是由于X射线折射率极其接近1,想发生全反射只能利用掠入射,这种设计在钱德拉X射线天文卫星中就使用过:
当然这种设计会损失相当数量的X射线(上图红色部分),不过我们并不需要非常高的汇聚角,最终的损失会少一些。
当然这种设计会损失相当数量的X射线(上图红色部分),不过我们并不需要非常高的汇聚角,最终的损失会少一些。补一张铝单质的X射线折射率/不透明度和波长的关系:
复折射率=(1-delta)-i*beta,beta即是不透明度,1-delta就是我们通常说的折射率。
复折射率=(1-delta)-i*beta,beta即是不透明度,1-delta就是我们通常说的折射率。关于X射线透镜的新想法:
昨天和同学讨论过后,觉得难点在于如何保证次级的均匀压缩。上图的这种设计,如果不能保证次级相对初级的远端和近端以相同的速度压缩的话,次级很难充分聚变。
我们觉得一个可能的解决方式是借鉴炸药透镜的原理:选择烧蚀速度/烧蚀后反冲速度不同的材料来平衡远端和近端的时间差。一般来说,重元素的对X射线的不透明度较高,也就是更能吸收X射线的能量,那么我们可以通过在次级的近端采用更多的轻元素材料解决这个问题:将原本用重元素制成的烧蚀-推送层的一部分置换为轻元素材料,例如铝材,对应的烧蚀速率降低,从而达到次级均匀压缩的目的。
当然,这可能需要非常复杂的计算,较简单的办法也许就是类似原本的设计,直接在两级直接增加一个轻元素屏障,延缓近端的烧蚀速率。
2.关于初级裂变弹的能量输出:热核武器的设计难点在于如何利用裂变弹(初级)的能量用于引发聚变弹(次级)的核聚变。
在早期探索过程中,中子压,辐射压均被考虑过,对于中子压,一般认为裂变弹产生的能量中,中子动能只占比较小的份额,并且中子速度较慢,等到中子作用到次级上,冲击波可能已经快到次级了,还没来得及充分压缩次级达到点火条件,次级已经被吹散开。
我们可以看下单次裂变事件的大致能量分布:
MeVKinetic energy of fission fragments 165 +/- 5Instantaneous gamma rays 7 +/- 1Kinetic energy of neutrons 5 +/- 0.
5Beta particles from product decay 7 +/- 1Gamma rays from product decay 6 +/- 1Neutrinos from product decay 10TOTAL 200 +/- 6
裂变是个统计学过程,一般来说重核是二分裂,但分裂产物的质量分布可能有多种,所以只能给出一个能量范围(来源:Introduction to Nuclear Weapon Physics and Design
)。其中大多数能量被裂变产物的动能带走,但这个能量不好直接利用,很容易在裂变弹内部就被耗散掉,最终结果是将裂变核心加热到非常高的温度,大约10^6到10^7K。再就是大量的伽马射线,穿透力极强,不排除与周围物质作用能量降低到X射线水平的可能性。
中子动能也不算太多,剩下的三项都是裂变产物衰变才有的,爆炸瞬间是几乎不存在的。注意刚刚提到的温度范围,假设此时达到了瞬态的热平衡,用维恩位移定律可以知道此时电磁辐射的峰值在0.
1纳米到1纳米左右,恰好是X射线的波长范围,对于裂变初级,有大量的能量是以X射线的形式放出的,比例可能高达80%。所以,如何充分利用初级的X射线来引爆次级,是热核武器设计的关键。显示全部
