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[图帖] 讲一下氢弹的原理[12P]

清疯

一代综师

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1楼大中小发表于 2023-2-19 21:21 只看该作者

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讲一下氢弹的原理[12P]

严格意义上说，核聚变装置比利用链式反应的核裂变装置更早的进入人们的视野，再1920年就有核聚变的理论被提出来，到了1932年，世界上第一个核聚变装置就已经完成了。

这个东西实际上现在我们在家里也能搞一搞，并不复杂。马克·奥利芬特在1932-1936年这段时间内不断的利用加速器加速氘原子（重氢）轰击各种原子，发现氘和其他原子结合后释放出的能量远远大于输入能量，于是就发现了核聚变的秘密。当时，美国在搞曼哈顿计划的时候也就顺理成章的将氢弹的研究放到了计划之内。只不过搞原子弹很容易，搞加速器产生核聚变也容易，但是要搞出氢弹来就并不是一件容易的事情了。读到这里，很多人就会开始说于敏结构和泰勒-乌拉姆结构。这些东西其实都是氢弹皮毛。在此之下还有更核心的技术要关注。我们先来看一下核聚变的基本原理：核聚变，就是利用两个较轻的原子克服原子核之间的库仑力使之结合成一个较重的原子的过程。

在结合的过程中，释放出原子的结合能，形成新的原子，如果所释放的结合能大于使两个原子聚变所消耗的能量，就实现了能量的正收益。为什么是“氢弹”呢？氢本身是最轻的原子，原子核内只有1个质子，所携带的正电荷势垒最小，突破氢原子之间的库仑力阻碍所需要的能量最小，因此氢原子同位素也就获得了最大的反应截面。

氘（D）氚（T）反应截面我们知道了氘和氚有最大的反应截面后，只要两个原子核之间的动能达到105千电子伏特就可以发生聚变反应，同时放出1个中子和14.1兆电子伏特的能量。对于加速一个氘原子达到105千电子伏特这件事对于实验室来说并不难，最早马克·奥利芬特在他的实验室内仅仅用了一个直径1.5米，电压60千伏的环形加速器就做到这一点，完成了氘氚核聚变。只不过这件事是一个实验室内的微观行为，所需要的输入能量并不是很大，一个110V的插座就能提供核聚变能量了，让几个原子发生核聚变。

要知道，这些炸药的能量仅仅能驱动1克氘原子达到与氚聚变的动能。把如此巨大的能量在瞬间集中在一个很小的区域内目前人类的手段还仅仅只有几种，而实现的方法和设备规模都不适用于战争。直到有了原子弹。人类终于可以在极小的时间段内、在极小的空间范围内用简单的方法爆发出巨大的能量。但问题是，如果去用原子弹去“炸”聚变材料，除了能把聚变材料“炸碎”，几乎不能引起任何有效的核聚变产生。原因就是因为爆炸的冲击波会直接打散聚变材料，使聚变材料的空间密度大幅度降低，高能加速的后的氘氚原子就很难相互碰撞发生聚变。氢弹结构的核心问题就是——如何在聚变材料被炸碎之前，让聚变材料获得足够多的能量。这里我们要知道的事情是原子弹的裂变反应之后能量输出包括哪些方面？

这里面有一部分能量是以早期核辐射的形式输出的。早期核辐射主要分三个部分：核裂变所释放出的伽马射线、X射线和中子射流。这里X射线的重要性就凸显出来了。

x射线具有强大的穿透作用，在链式反应初期就可以达到峰值向外输出，其速度是光速。要比核弹爆炸所产生的冲击波速度（260-400km/s）高了几个量级。它们会首先到达聚变材料，在零点几毫秒后冲击波才会达到聚变材料将之打散。正是因为有这个时间差。x射线有足够的时间“加热”聚变材料。X射线加热？没错，这里面就涉及了三个方面的问题。第一个是X射线和原子之间传递能量的方式。X射线是一种高频率极短波长的高能射线，直接作用于原子核后可以向原子传递能量，在高强度的X射线下，原子核可以获得巨大的动能。第二个是光辐射压力，X射线同时也是一种“光”，巨大的光照强度下会产生光辐压。辐射压虽然在常规环境下无法感知，但是我们可以通过观察彗星就可以看到彗星的彗尾就是被太阳光线产生的辐射压的作用下散开的。

在核爆炸产生的X射线作用于聚变材料的时候其辐射压高达7-140吉帕斯卡，这个压力足以维持聚变材料的约束。但是，如果有这么大的辐射压聚变材料会不会被X射线“照飞”呢？使之向相反的方向窜出去？这里就牵扯到第三个方面了。x射线的瑞利散射。瑞丽散射是一个光学现象。瑞利散射能使我们看到的天空是蓝色的

这是有空气中的氧气和氮气原子散射了光谱中的蓝色光线，使得在一定大气层厚度下，我们看到的天空是蓝色的，当太阳逐渐落下，光线经过大气层的路径变长，大气中就区分出了光谱中由蓝到红的各个层级色彩。x射线在物质中穿行也会有瑞利散射的现象。如果x射线肉眼可见的话，你会发现整个聚变材料被x射线照得通体发亮。前阵子W君不是在做青空灯吗？做了几个瑞利散射材料。

例如桌面上的这块材料，本身是无色透明的，但是再阳光下就会显示出蓝色来。这就是瑞利散射效应，让大部分蓝色的光线“留在了”材料内。核聚变材料的设计也是这样，只不过存留的是x射线。这一旦X射线照射到聚变材料中，在聚变材料内能维持一个极高的x射线辐射压。而且这个压力在大多数方向上是均一的。通过x射线的方式向聚变材料中传递了大量且均匀的能量，第二波辐射就到达聚变材料了。这就是早期辐射中的中子辐射。在核裂变开始的时候，也会产生大量中子。中子射流的传播速度略低于光速，但远高于冲击波的速度。到了聚变材料内部。这些中子会射入一部分氘原子内形成氚。这时候聚变材料（一般是氘化锂），中就含有大量的氘和氚，由于氚的产生，大幅度的提高了聚变反应截面，此刻核聚变反应开始。至于“于敏结构”和“泰勒-乌拉姆结构”其实只是为了让x射线能更好的聚焦于聚变材料上的x射线光学结构。一个主打利用反射x射线的方式将x射线汇聚到核聚变材料中，另一个则是使用x射线透镜折射的方式将x射线汇聚到聚变材料中。其实我们小邻居的氢弹和我们早期于敏结构都是一样的