中子武器的優勢?


談到中子彈,很多人都會說:「殺人不毀物」,稍稍資深一點的,會說「中子流殺傷範圍超過了火球和衝擊波的殺傷範圍「,這些理解其實是不準確的,下面解釋一下中子彈的特性。

首先是一些關鍵概念:

裂變比例

「次級當量」和「聚變當量」不要弄混淆,是因為「次級」中會有大量的能量來自裂變:鈾238惰層會吸收聚變中子,發生裂變。而現代核武器是使用鈾238做次級惰層來廉價地提高總當量。當然也有美國這種因為儲量足夠而直接用鈾235的(提高當量的效率更高)。

美國上世紀五六十年代提出的「乾淨」熱核武器就是要降低熱核武器中的裂變比重。這就要求用其他材料替換鈾238,比如1956年7月11日的核試驗中使用了鉛,1958年7月12日試爆的核裝置則使用了碳化鎢。

但是這些「乾淨」熱核武器都是在百萬噸到千萬噸級別的,Samuel Cohen(美國中子彈之父)在1958開始研究低當量「乾淨」熱核武器。

當量

很明顯,要達到高當量就要有較厚的輻射外殼(radiation case、氫彈輻射屏蔽殼;作用是儘可能長時間地約束熱核燃料,材料是鋼),而這輻射外殼將阻止中子的逃逸。那降低熱核武器的總當量也就可以減少輻射外殼的厚度,讓更多的中子輻射出來。鉻和鎳也可能被用為「級間材料」,可以讓中子逃逸出去。Samuel Cohen的發現就可以舉例為:1千噸級別「乾淨」氫彈輻射外殼的厚度是1百萬噸級別氫彈的十分之一。這就是中子彈當量要小的原因。

中子彈的當量於是被限定在1千噸到1萬噸TNT左右

初級

當然,當量也不能太小,否則初級將無法點燃次級。進一步來說,不僅初級當量小,放出的X射線少,連X射線在初級當量中占的比例也會很低;結果是無法釋放出足夠的能量點燃次級。小當量初級的最大問題是它釋放的能量大部分是流體力學意義上的衝擊波,而不是X射線;而這種動力學內爆壓縮是無法產生X射線輻射壓縮的高效率的。為什麼?因為小當量初級的當量/重量比(比威力)低,產生的當量不得不推動相對較重的碎片。這是因為要內爆壓縮鈈彈芯,基本的一系列重量是不能減少的,當量降低到一定程度,重量就難以繼續減輕了。所以,如果能提高初級的比威力,中子彈的特性就可以增強。

比威力

如何提高小當量初級的比威力?最直接的答案就是使用更多的助爆材料(特別是氚),當然也需要提高常規炸藥的爆轟效率。但是沒有必要增加鈈的用量。(一個有關的話題是:核試驗中初級當量如果過高,次級也無法點燃,就是因為輻射外殼沒有設計成能約束住過高能量的X射線,次級來不及聚變就解體了。而過於保守地設計輻射外殼的厚度就會導致武器的整體比威力過低、核輻射塵過多。)

總結起來,就是要研製一種低當量的高比威力扳機,還有相對來說比較薄的次級(次級結構可能也要改變)。

把增強輻射武器叫「中子彈」沒錯,因為同當量條件下,增強輻射武器釋放的中子流要強很多。

不過如果只比較「殺傷範圍」,任何兩千噸當量以下的核武器都可以叫「中子彈」,甚至包括純裂變武器

這是因為由於當量降低後,輻射外殼的厚度降低,結果早期核輻射的殺傷面積都會大於其他效應的殺傷範圍(在早期核輻射中,中子流占的比重也會比伽馬射線要大)。只要你把這種低當量(純裂變)武器的爆高定為幾百米,熱輻射和衝擊波殺傷範圍會更加小,而中子流的破壞力不變。

看圖說話:

這是1千噸當量的純裂變武器,爆高500米。黑色內環是衝擊波(5磅psi)的殺傷範圍,黑色外環是熱輻射(二度燒傷)的殺傷範圍,紅色內環是「立即失能」(8000 rad)的範圍,紅色外環是「10%致死率」(150 rad)的範圍

下面這是1千噸當量的增強輻射武器。

對比可知,所有當量足夠低的核武器都可以讓中子流的殺傷範圍超過其他效應。

不過增強輻射武器(「真正的中子彈」)是氫彈,也就是可以運用聚變中子,比低當量純裂變武器的中子威力更明顯。

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W-79八英寸中子炮彈(當量2千噸左右)70-75%聚變+25-30%裂變

34%衝擊波+22%熱輻射+40%早期核輻射+4%放射性沉降[早期核輻射能量比同當量純裂變彈大10倍]

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W-70 Mod 3長矛導彈的中子彈頭(兩個當量:大大低於1千噸、略高於1千噸)60%聚變+40%裂變

W-79八英寸中子炮彈(兩個當量:大大低於1千噸、1千噸)50%聚變+50%裂變

40%衝擊波+25%熱輻射+30%早期核輻射+5%放射性沉降[早期核輻射能量比同當量純裂變彈大6倍]

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總而言之,「降低當量」只是實現增強輻射武器的部分條件,而僅把「降低當量」跟「控制高溫高壓的殺傷範圍」聯繫起來就會走向低當量純裂變武器,而不是低當量氫彈。

即使確認了「低當量氫彈」的方向,如果走的是「使用U238惰層」的方向,仍然不能體現出高通量聚變中子的優勢。

就算取消了U238惰層,還有一個「低當量的高比威力扳機」需要攻關,否則可能導致次級點火失敗。(從W-70和W-79各當量選項的能量分配來看,500噸左右的初級應該是必須的。)

下面我們再來看看美國的材料:

《Capabilities of Nuclear Weapons》

DNA-EM-1, U.S. Department of Defense, Chapter 5, Nuclear Radiation Phenomena, August 1981 revision

第五章第24頁(5-24):

「中子流和次級伽馬射線跟武器設計有很強的關聯......而相對而言,裂變產物放射劑量則與核武器設計關係不大;但是裂變產物放射劑量與武器總當量、裂變當量所佔比例的關聯度很高。」

上面這幾句話很好地總結了「收集他國核爆後放射碎片」的意義。下表是八種核武器構型的代表和它們的「典型當量區間(Representative Yield Range)」。這八種核武器被認為對(至少是1981年的)美國核武庫有很強的代表性:所計算的核武器可以用其中一種來做模板。

第五章第25頁(5-25)

I型核武器 次千噸級別裂變彈 0.08kt空爆

II型核武器 純裂變彈 50kt空爆

III型核武器 大體積助爆裂變彈 200kt地爆

IV型核武器 小體積助爆裂變彈 30kt地爆

V型核武器 增強中子武器 1kt空爆

VI型核武器 槍式裂變彈 15kt空爆

VII型核武器 熱核彈 500kt空爆

VIII型核武器 熱核彈 10Mt,40%裂變

分清了武器構型,接下來就是中子流的殺傷範圍問題。由於關注的是致死劑量,主要看「短距離(Short Ranges)」的圖表。

第五章第33頁(5-33):

圖5-9a. 1kt地爆,核武器類型I-IV,中子劑量與直線距離(斜距,Slant Range)的關係

中子流強度從大到小依次排列是:小體積助爆裂變彈(IV)、次千噸級別裂變彈(I)、大體積助爆裂變彈(III)、純裂變彈(II)

這裡可見內爆式裂變武器所用的高爆炸藥層對中子輻射的強度有很大影響,所謂「純裂變彈」估計就是標準的內爆武器,結果是要依靠大量的高爆炸藥+惰層來壓縮、約束彈芯,於是許多裂變中子被減速、吸收掉了。

第五章第35頁(5-35):

圖5-10a. 1kt地爆,核武器類型V-VIII,中子劑量與直線距離的關係

中子流強度從大到小依次排列是:

600米內:增強中子武器(V)、槍式裂變彈(VI)、40%裂變熱核彈(VIII)、熱核彈(VIII)

大於1600米:增強中子武器(V)、40%裂變熱核彈(VIII)、熱核彈(VIII)、槍式裂變彈(VI)

這裡可見槍式裂變彈放出的裂變中子也很可觀,但是正是因為它是裂變中子,穿透力不強,而且在稍遠距離就迅速衰減掉了

關於「中子流強度的爆高(HEIGHT OF BURST)修正因子」的圖表(頁碼5-37)中,也有很有意思的信息。

首先是爆高越大,修正因子越大,中子流的強度也就越大。關鍵是圖中只有3條曲線,也就是把八種核武器分成了三組。

第一組:小體積助爆裂變彈(IV)、兩種熱核彈(VII,VIII)

這三種核武器的共性可能是聚變中子的比例很高,但是次級的U238惰層又吸收了大量裂變中子。目前估計VII型熱核武器(500kt)是高比威力的熱核彈頭,ICBM和SLBM用的;VIII型熱核武器(10Mt,40%裂變)可能是大當量的重型「骯髒」氫彈。

第二組:次千噸級別裂變彈(I)、純裂變彈(II)、大體積助爆裂變彈(III)

這三種裂變武器的共性可能是內爆法要求的高爆炸藥含氫量大,而這些高爆炸藥又是包裹住整個彈芯,會想水一樣起到中子減速劑的作用。

第三組:增強中子武器(V)、槍式裂變彈(VI)

之所以把「槍式裂變彈」跟中子彈歸為一組,是因為槍式裂變彈所用的鋼管散射中子,卻不吸收裂變中子的能量;比較起來,內爆裂變彈的高爆炸藥中含有的氫核會大大降低裂變中子的能量。從某種意義上說,這兩種核武器都有一個比較薄、比較透明的外殼,可以讓中子放射出來。

中子彈的設計要素?

引號內的是Chuck Hansen1988年的書《美國的核武器》上的內容。方括弧內是解釋。

關於「乾淨」中子彈的爭論,由已故Chuck Hansen1988年的書《美國的核武器》(獵戶座出版社),175-201頁上提供了一些有關資料:

「W79[是火箭推進、直徑8英寸的核炮彈,43英寸長,215磅重。這炮彈裝有火箭發動機,將一般8英寸炮彈的射程提高了一倍,達到18英里;有一個目標感測器和可調爆高功能,並內置D型PAL來防止非授權的使用]」

「...W79的工程開發工作開始於1975年1月,利弗莫爾實驗室。1976年,陸軍正在開發一種8英寸原子炮彈的核彈頭,它將成為美國第一個專門設計以減少附帶損害的核武器。」

[由於氚氘聚變釋放的能量有80%是14.1兆電子伏特的(高穿透性)中子,爆炸衝擊波和熱輸出量減少。]

「在1977年1月,福特總統批准了一份庫存備忘錄,內容是把W79作為一種"增強輻射"武器(所謂的"中子彈"無非是一個助爆型裂變裝置)。批生產的工程開發工作開始於1977年3月,在9月底這一階段的工作(由於政治原因)被暫停,直至1978年11月初才重啟。 」

[其實,中子彈之父科恩指出,中子彈機制是一個標準的泰勒-烏拉姆構形,其當量降到非常低時自動就有了很高的中子輸出。輻射外殼厚度——把X射線能量從武器內裂變初級反射到聚變材料上必須的——同武器總當量的立方根成正比。1kt的泰勒-烏拉姆熱核武器可以允許超過90%的中子逃逸出去,而1Mt的氫彈則有90%左右的中子被吸收、散射、降低了穿透力。]

「第一個試生產件於1981年7月下線。批量生產出現從9月份開始,一直持續到1986年8月,550枚(包括325枚"增強輻射"和225枚標準型)W79被製造出來。」

Hansen接著指出的W79-1型是中子彈,當量可調,最高可至2kt。

W79-1彈頭非常小,採用圓柱形內爆的鈈239扳機,而不是球形內爆扳機。也就是說,初級包含有一個圓柱形的鈈239核,周圍是鈹中子反射層,然後是圓柱形的高能炸藥包層。

使用圓柱形內爆扳機(而不是球形內爆)來點燃聚變反應不是新鮮事,在1951年5月9日進行George核試驗就試爆了這種構型。

使用圓柱形扳機的原因是,在彈體中心的鈈桿的兩端是暴露出來的,沒有高能炸藥的遮擋,直接在這兩端就近放置聚變材料。於是聚變反應的點燃比球形內爆扳機容易得多:球形扳機的高能炸藥包層必須先吸收X射線,然後再把X射線重新輻射出去(這是一個低效率的過程,因為一些能量被吸收後轉換成了衝擊波,並沒有實現X射線的完全再輻射。也會有幾何形狀上的問題:扳機裂變材料和聚變燃料間的距離大,降低了輻射流輸送到次級的效率。)。

Chuck Hansen的描述稱,熱核燃料是一個可移除的「氚容器」,放置在圓柱型鈈裂變扳機之中(跟助爆原子彈一樣)。這是不正確的。在圓柱形扳機武器中,同球形扳機不一樣,聚變材料可以放置在鈈桿的端頭:緊貼裂變材料,無需佔用管狀鈈扳機內部的空間。X射線由鈈桿的端頭髮射出來,然後可以用於泰勒-烏拉姆壓縮,,這是一個比助爆更有效的結構。

2kt當量中子炮彈是需要圓柱形內爆初級的,因為(1)要把核裝置放進炮彈中;(2)在如此低當量的條件下,讓泰勒-烏拉姆構型有效地工作,就要消除一般球形初級的高能炸藥層,這高能炸藥層擋在裂變材料和聚變材料之間。

但是,極低當量(1kt左右的)核武器要實現有效起爆,熱核裝葯中就要包括有氚氣體膠囊(而不是只用高當量氫彈中的固體氘化鋰6),Hansen說的這點是正確的。但這不是他說的「助爆」形式,由於氚和裂變初級是分開的。中子彈採用了泰勒-烏拉姆構型。 (不是助爆原子彈,否則中子將無法輕易逃逸出去。)

W66彈頭是另一型中子彈,是為「Sprint」準備的反導彈頭:中子流會破壞大氣層內來襲的敵方洲際彈道導彈頭(因此當量低,小附帶損害,潔凈中子彈是理想的選擇)。

W66的理論研究開始於科恩在1958年的中子彈探索,但Sprint反導中子彈的批量生產技術研究工作到1972年1月開才始。1974年6月製造出第一枚W66核彈頭。到1975年3月,已經製造出70枚W66彈頭。

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所以,中子彈設計的特點是:1,圓柱形扳機(?),2,熱核裝葯中的膠囊助爆(「pill boosting」)

第二點實際上已經得到證實了:

《Tiger Trap: America"s Secret Spy War with China》

膠囊助爆(因為要使用半衰期很短的熱核材料)導致中子彈的價格可能相當昂貴,所以它作為要大量使用的戰術核武器,可能是極其不划算的。這也是為什麼沒有什麼國家至今還大規模部署中子彈的原因。

最後補充多點國內材料:

補充的國內材料:

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http://qzone.qq.com/blog/622005681-2

5. 突破中子彈

......

中子彈原理的突破也標誌我們核武器技術水平的一大提高。中子彈是一種特殊型的氫彈,不是通常的氫彈小型化,是另外一種類型核武器,它有自己的作用原理。所以這樣又碰到一個難關,怎麼去突破中子彈原理?當然仍然只能是自力更生,依靠中國人的智慧。那個時候研究所內有一個室投入到中子彈的突破研究。當時有一種看法認為可用通常氫彈的理論研究中子彈。我負責一個組十幾人進行原理探索和一維設計,我們仔細分析和研究後認為中子彈有其特殊性,不能因循舊框框,應按新的思維進行研究。

核武器的作用關鍵是要解決點火和自持燃燒兩個問題。這必須研究清楚能源與能耗競爭問題,即外界做功或核能釋放不斷加熱燃料和能量耗散系統冷卻(包括系統對外做功和輻射流失)之間的競爭或消長關係。如果能量流失得太厲害,也就是「消」佔優勢,就不斷冷卻,點不起火來;如果剛好達到某一個層次,兩者平衡的時候,就達到點火點;如果「長」超過「消」,熱核燃燒就自持地進行,直到燃耗加深,「消」又超過了「長」,最後系統釋放大量核能後,發生崩潰。如果把這兩個問題在不同狀態下研究得很清楚,就能抓住中子彈「牛鼻子」。中子彈像原子彈、氫彈一樣是一個複雜系統,不過這一複雜系統有它自己的特殊性。研究這樣複雜系統中「長」與「消」特殊競爭關係,首先需要把影響中子彈系統的各種因素分解開來,並研究清楚它們的物理規律,其中總有幾個因素起主要的作用,需要抓住這幾個主要矛盾,清楚了解它的作用規律,然後再搞清楚這些因素(或過程)的相互作用關係,進行總體集成,就能抓住中子彈的總體物理規律。我們分解研究了幾十個到成百個因素,研究了各種過程互相競爭的關係,終於抓住了幾個關鍵的過程,抓住了主要矛盾。

當時我們用於中子彈總體理論設計的計算機計算的峰值速度約一百萬次,弄得滿屋子的紙帶。因為當時計算機還沒有圖形顯示設備,沒有辦法把數據變為圖形很好地顯示出來,都是紙帶中的數據。你不敢丟一張,萬一在丟了的一張紙帶里,有核心的數據,就得不到重要的結果,所以都保留起來,進行仔細分析。有些數據不得不用手把曲線畫出來,所以工作量非常大。就是在這種情況下,大家群策群力,克服了很多困難,最終熱試驗證明了我們的研究結果,突破了中子原理。

從原子彈、氫彈到中子彈研製所用的電子計算機。先是每秒一萬次的104機,它由電子管組成,主要用於突破原子彈計算。後來是119機,再後來便是109丙機了。J501機在上海,為突破氫彈立下了汗馬功勞。在幾年以後又用了60萬次的655機。突破中子彈時已用了百萬次計算機。現在完全不一樣了,一個好的PC機,主頻可能是五六百兆,峰值運算速度約每秒十億次,現在我們用的高性能超級計算機峰值速度可以達到幾萬億次以上。當時就在一萬次、幾十萬次、百萬次計算機上數值模擬,突破了原子彈、氫彈和中子彈。

......

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首都科學講堂:中國蘑菇雲升起的背後(2)_科學探索

......然後就是突破中子彈,中子彈我們77年開始接受任務,它是一種以高能中子殺傷別人的千噸級的核武器,但是關鍵的作用原理是不同於氫彈的,所以在原理上有一種新的突破,當然我們有了原子彈、氫彈研究的經驗,仍然需要探索,大量的物理過程的分解、研究和探索,經過了幾年的時間,我們除了理論的模型研究之外,我們每秒百萬次的計算機上面,進行了大量的數字模擬,克服了很多困難,抓住了熱核點後互相制約的主要因素,因為因素太多了,所以我們通過分解研究以後,把有些不重要的都排除掉,把主要的元素集成以後,終於在80年代初,熱實驗證實是成功的......

還有學界流傳的最新關於中國中子彈研究的文章:《Red China"s "Capitalist Bomb": Inside the Chinese Neutron Bomb Program》

http://ndupress.ndu.edu/Portals/68/Documents/stratperspective/china/ChinaPerspectives-8.pdf


回答真是沒知識,,,

真正的作用在於,,,

防衛來襲核彈。


引用西西河裡黃河故人的話說:

在THU爆一顆可以給馬路對面的PKU留個全屍,過幾天UCAS就可以過來接收了。


最大作用是損傷核裝葯,攔截敵核彈(效果存疑)。其次是搞出一堆不穩定同位素,污染戰場(效果同樣存疑)。還有就是殺傷生物,破壞敏感元件。

中子彈最大的意義是攔截核彈(效果存疑),用在對敵進攻方面效果不理想,而且我軍難以快速進入戰場,遠不如用低污染衝擊波核彈實在,當核地雷噁心敵人尚可。


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