造氢弹都有怎样的技术难题呀?

看到新闻说

【于敏获#2014年度国家最高科技奖#】今天上午,2014年度国家科学技术奖励大会在北京举行。中国著名核物理学家、核武器研究和国防高技术发展的杰出领军人之一的于敏院士荣获2014年度国家最高科技奖,也是此次唯一获得该奖项的科学家。一图解读中国“氢弹之父”↓↓

我对这块不太理解所以有些好奇,氢弹的主要技术难题在哪些地方呢?


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17个答案
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玛雅蓝翻译爱好者,MOOC学习者

2015-01-09 13:28

氢弹是在原子弹的基础上研制的,简单来说,氢弹就是个氢燃料夹心的原子弹,用原子弹引发核聚变,再用核聚变引发更大规模的原子弹爆炸。所以,氢弹制造起来技术难度更大,爆炸的时候杀伤力和造成的污染也更大。

要制造一颗氢弹,首先你要能够制造一颗原子弹,然后在原子弹的基础上加入了聚变。聚变即小的原子核聚集生成大的原子核,同时产生中子和放热。理论上元素周期表前几个比较轻的元素都能发生聚变,但实际上最常见的核聚变燃料是氢的同位素氘和氚。

氘和氚的物理性质和氢气类似。根据维基百科,氢的沸点是-252.87摄氏度(约20.28 K ),放在几十年前这几乎是制冷技术的极限了。如果用液态氘和氚作为氢弹的燃料,需要配备非常复杂的制冷装置,和相应的储存氘和氚的设备(想想实验室和手术室里的氧气瓶)。

但是,科学家机智地绕开了这一关!

氢弹最广泛采用的设计是泰勒-乌拉姆设计方案,它使用氘化锂引发核聚变。氘化锂在使用中子引爆时会产生氚,氚和剩余的氘发生聚变反应。

氢弹的爆炸过程大致是:核裂变—核聚变—核裂变,示意图来自英文维基百科

A - 如图,顶部球形的是原子弹,下面柱形的是核聚变燃料(这里用的是锂和氘的化合物),悬浮在聚苯乙烯(polystyrene)泡沫中。

B - 引爆原子弹,即使上方的原子弹达到临界状态,原子弹爆炸。

C - 原子弹爆炸放出的X射线被内壁反射,使聚苯乙烯泡沫受到辐照。

D - 聚苯乙烯泡沫变成了等离子体状态,压迫下方的聚变燃料,引发聚变,同时钚制成的“火花塞”(sparkplug,不确定中文中的术语叫什么)开始裂变。

E - 在高温高压下,锂和氘的化合物产生了氦,聚变开始。聚变反应放出的中子流使得铀238制成的外壳开始裂变,整个氢弹化为一个火球,爆炸开始。


扩展阅读:

旧文一篇:我们离商用核聚变还有多远

对核电感兴趣的同学可以去学习Coursera 上的一门课程,核科学与技术初探

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最热门答案,从第一句开始,可以说就已经错了。

按照日常平民百姓所说的氢弹,实际上跟氢弹本身没多大关系。最早的一批核弹就已经在燃料中心放聚变燃料,也就是加入了氢弹了。但是这些核弹,和所有早期核弹一样,从科技含量的角度来说,和真正的现代核武比就是个笑话。

所谓“氢弹”,实际上是以我们日常来说非常稳定的金属原料,作为裂变燃料的核武器。一般来说,就是铀238.

要从普通核弹说起。普通核弹一般用的燃料是铀235,或者钚,这些非常稀有的不稳定元素。自然存在的铀,几乎都是铀238,一种非常稳定的同位素——现在都用来做炮弹壳。而要把铀235从铀中分离出来,几乎是第一代核弹科技的核心了。

因为铀235和镭这种传统的核辐射材料不同,他是链式反应的,也就是说体积增加一倍时,镭的辐射增加一倍,而铀235的辐射会增大非常多,所以当铀235达到所谓临界质量时,他就会瞬间辐射完,发生剧烈的爆炸。

核弹引爆时,就是把两块各自很轻、加起来会达到临界质量的铀,扔到一起。

提炼这种原料,非常困难但原理很简单,就是重量不同。把铀和氟,化合形成四氟化铀,这是一种气体,而235的分子量显然低于238,也就是气体的密度会有些微的不同,而氟是只有唯一一种稳定同位素的化学元素,也就是说所有氟都重量一致。

所以只要放进离心机里,迟早会提炼出足够浓度的足够重量的铀235。这之中的科技含量就非常繁杂了,简单如离心机里气体的密封,连优质石墨都成为了核工业原料禁运给朝鲜。而且提炼过程耗电,大概相当于一座城市的用电量,才能提炼一点点铀235。

而这种金贵无比的材料,在核弹爆炸时,却非常low tech,会在爆炸的瞬间四分五裂而停止反应、撒满遍地,而只有不到10%的原料会发生反应、释放能量。因为记得吗,他们必须合在一起才会反应,而他们的反应就是散开地爆炸。

严格语义上的氢弹,可以说是美国人发明的,也可以说是苏联。因为美国人只是弄了好多氘水,就是氢的同位素和氧气合成的H20——水。仍然是个非常low tech的玩意。

这一车水,几乎没有任何轰炸机可以拉得动。倒是苏联人发明了氘化锂6,也就是用了氢和锂两种同位素,化和成为固体,造出了真正的炸弹。

但是直到如此,仍然没有脱离low tech,仍然是昂贵的不稳定元素、仍然是爆炸瞬间大部分燃料浪费掉蒸发到空气里。


直到某一天平地一声惊雷,美国人发明了真正的核武器,当量相当于以前劣货的几万倍,重量却轻极了。各国特务拼命去搜集爆炸现场的痕迹和空气,惊人的发现,美国核弹的原料,不再是那些玩意,而是一种相对来说遍地都是、非常便宜、但是非常稳定的铀238。

其实严格来说,这意味着,甚至铜啊铅啊的这些废品回收站就能弄来的玩意,将都能成为核燃料了。

而且几乎都参与了核反应(而不像原来那样撒一地)。

这毫无疑问将秒杀一切竞争对手。

所以苏联人呕心沥血搞来了自己的方案,也做到了同样的核弹。过程很神秘,更神秘的是中国人,号称用算盘,竟然也成为了世界上除了美苏之外唯一一个掌握此等技术的国家。

原理仍然看似简单:

原来的核爆炸发生时,热量会非常不均匀地在整个燃料内部发出,把燃料抛向四面八方。而理想的方式,自然是均匀地、从外层向中心加热,使早期的爆炸能量全部向中心释放,而不会把燃料早早炸散。这理论上看起来是绝对不可能的,除非用了最终的方案:x射线加热。他们让一颗小的核弹爆炸,第一波传开的能量自然是光速传播的x光,这个速度足以超过热量传导的速度,和爆炸物自身的动能。美国科学家用一个特殊的反射镜,使这个第一波x辐射可以均匀地加热另一个、真正的巨大和核弹:由铀238外壳和聚变燃料内核组成的炸弹。这个x射线烧蚀在铀壳的能量会让表层的铀以极快的速度向外发射,他们的反冲会形成一个巨大的压缩能量,均匀地压缩内核,使内核积累足够的动能,引发聚变,并维持聚变。

聚变发出的巨大能量最终会超出铀壳的压缩,辐射使铀238等各种稳定材料迅速地增殖为不稳定的钚等等裂变元素,进一步发生裂变。不仅让参与反应的燃料比例提升了很多很多很多倍,更是一举把重量大的多的廉价铀壳加入到反应中来。

好比是一群土匪在用纯金刀剑比武的时候,你扔了一颗铸铁手榴弹过去。

这一切都要保证在首个燃料爆炸的热量传导到第二颗燃料之前完成。

谁知不过几年,中国人自己发展出了某种折射的方案,同样实现了所谓的“氢弹”。

如今,在各种国际公约的限制下,美帝国主义亡我中华之心不减(--),搞起了激光点火实验室,用人造激光模拟核弹起爆的x射线,研究人工诱导核聚变。这就是之前果壳网上热门帖子里提到过的,激光照射月亮的后果,里面的最后那个最严重后果:用这个实验室照射月亮1秒,烧蚀压力会把月球发射出去,脱离地球引力,像龟仙人做的那样,飞往浩瀚的宇宙。


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穷梦诗词科普作家

2015-01-09 19:26

最外层弹壳材料很关键,它要包着U238,硬度不够没聚变就被炸飞了。由于引信是一颗原子弹,必须要小型化,你见过炮竹的引信比炮竹大吗?还有聚变燃料所放的位置也很关键,需要用计算机模拟,保证有足够的压力引发聚变。赋词一首:

《减字木兰花·氢弹》

拓张战果,欲借骄阳三昧火。
光热源氢,重力狂压聚变兴。
氘氚锂拌,引信经由原子弹。
两日当空,试问谁藏后羿弓。


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诺里斯生物工程专业

2015-01-09 22:56

放一张不知真假的W88弹头的剖面图。


这就是一个标准的三相弹,左侧的是所谓裂变扳机,仔细看可以发现,是个原子弹包裹着热核材料的结构,这种结构被称为助爆裂变武器,就是利用裂变原子弹产生的高温高压诱发中间热核材料发生聚变反应,增强爆炸威力(目前五大流氓以外的有核国家,基本都只能进行到这一阶段),铍是作为中子反射层,同时被中子照射也有增殖中子的反应,相当于不断的给中间的热核材料增压,促使反应更加彻底。裂变扳机释放的X射线直射初级次级之间的泡沫塑料,同时经过内部结构的调整后由U238内衬包壳反射至聚变次级,初级和次级之间对X射线透明但对中子不透明,中子经过反射和聚焦之后再进入次级 的火花塞(这里是U235)。次级受火花塞裂变和初级X射线压缩包裹聚苯乙烯的那种金属层或者外容器导致聚变。聚苯乙烯变成等离子体后,对X射线透明。同时聚变产生的高速中子对U238外壳产生作用,U238发生二次裂变。总结起来说。就是初级裂变-诱发初级聚变-X射线压缩次级/初级中子诱发次级裂变-次级聚变-外壳二次裂变(图中次级受挤压后U235也达到了临界,等于是次级发生了裂变和聚变。)这种三相弹威力大,而且外壳由于裂变不是很充分,核污染很严重。杀伤力更加大。

下图是不知真假的W80核弹构造。

很多有核国家(5个大流氓以外的)和潜在核国家死在什么地方呢,就是初级如何向次级传递裂变能量,诱发次级核聚变,虽然目前原理和基本结构都有了,但是究竟怎么做,不是光花苦工就能得到的。于敏牛X就牛X在自己居然想出了一个最优构型。。。对比下我们的第一颗氢弹和美帝的第一个热核装置。。。就能想象于敏是多么的无法用牛x来形容。有兴趣的可以去看探索频道的尘封核爆,54最后黑tg的部分就好了。


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推荐两篇网文:

http://www.cchere.com/article/3468377
http://www.cchere.com/article/3471163
氢弹就两个构型,美国一个,土鳖一个。能做到W88那个级别的家伙,也就是土鳖和白头鹰两家。


于敏构型与美国的原创竟然不一样.我们一直以为自古华山一条道,跟人一比才知道自己居然走的是第二条道.


传说土鳖自己一步登天之后,并不知道手里抓的是个大宝贝。直到80年代中美交流,才发现,妈妈的,原来老子手里这是这么大个宝贝!还以为大家都能随便搞出来呢。


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支持者: 孤影fekim

坊间传言 于敏构型是用x射线透镜实现的能量传递 这都是猜测 反正见过的人不会说 没见过的人也想象不出来 这种数据 知道的人 至少应有文字记载

类似的透镜可能是上面那样的一根柱子 可能是由铀之类的玩意做成的 当时设计氢弹的时候 很多文章都提到了用计算机计算数据的事情 可能使用的是蒙特卡洛算法计算光子概率 当然了 很有可能当时的设计和核武器小型化后的设计并不一样...还是那句话 这都是猜测

现在弹头体积都很小 据说老美的弹头拆下来就装不回去了 可见其构造之复杂....


“中国第一颗氢弹是我们亲手把它计算出来的”

—— —记中科院丹阳籍研究员、博士生导师张锁春



1967年1月2日,蒙特卡洛组 ”接受任务去上海,要把119机上的“549”程序搬到上海的J-501机上 。1月17日,周光召来到上海,传达最近的氢弹原理试验与“549”程序计算的结果相当符合,并鼓励他们好好地干 。周光召亲自到机房里等待“639”方案模型的计算结果,他坐在控制台旁看张锁春操作,询问各种键的作用和功能,张锁春很感动 。他知道周光召患有哮喘病 、气管炎,平时出门都戴着口罩,机房里冷风飕飕,便劝他离开 。张锁春说 :你放心,我们会很小心地把结果计算出来的 。 ”数不清的“夜班 ”,计算过数不清的“模型 ”,无法统计使用过多少“机时 ”,大量的工作重复循环,周而复始,张锁春最 美好的青春岁月无私地献给了祖国的核武器事业 。在我国氢弹原理突破和研制期间,张锁春先后参与四个程序的编制和使用,验证“中国国产专家一号 ”的于敏院士不断更新的方案,由新方案设计的两个型号产品“629”和“639”的最后定案模型的数据都是经他亲手计算提供的,这也让他一生倍感豪迈 。

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菊爆狂魔大炮鸟啥都不会的宅╮( ̄▽ ̄")╭

2015-01-09 23:35
支持者: 搞笑的bird

余敏吊在何处?这么说吧,世界上只有两种氢弹,一种美国氢弹,T-U构型,一种中国氢弹,于敏构型。

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支持者: 蟹小鱼

氢弹里填充的是聚苯乙烯(泡沫塑料)?

感觉有奇怪的东西混进来了

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雪蓝岛光通信工程师

2015-01-12 13:53
支持者: 纠察来了

现在还有那么天才的年轻人吗,亲。

举个例子让大伙兴奋兴奋。

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小毛驴主机系统研究开发

2015-01-09 17:07
支持者: question1 we_cry

还有一种氢弹设计叫“于敏设计”,世界上只此两种。英美俄都是 T-U设计,中国法国是于敏设计,当然法国应该是copy的中国设计。

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D - 聚苯乙烯泡面变成了等离子体状态,压迫下方的聚变燃料,引发聚变,同时钚制成的“火花塞”(sparkplug,不确定中文中的术语叫什么)开始裂变。



我一眼就看到了泡面,呵

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Cccontrol脑洞超大的物联网专业在校生

2015-01-10 15:06

首先你要有个原子弹才好,高中物理学过啊我勒个小乖乖~

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额 以上说的就是由外壳铀材料产生高温高压使内部氢材料均匀受热并达到爆炸压力临界点的方式么,那么是不是就很难将至小型化,因为外壳必须产生足够的向内压力 抗住第一波内氢爆力。那么可不可以将铀原料和氢燃料分四层以蚊香状盘旋在一起,由外向内点燃对称的两条或者多条铀引信,使之产生向内的高压并使整个弹体高速旋转维持稳定使氢燃料层均匀受热并维持相对较长时间的聚变。。。。

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yy2080Fringe科学博士

2015-01-12 16:15

我想请教,如果法国核弹的构型不是中国给的,那么世界上就应该有三种构型了?

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这个图片以及其他公开资料都是用来误导他国的。除了五大流氓的极少核心研究制造人员,没人知道具体原理结构。

美国是第一个有氢弹的(英国也参加了研制),苏联第二(据说偷取了美国一些研发资料),英法是美国给的,而中国的氢弹试验后,得到数据的美国也没有指责是中国剽窃他的,这很不同寻常。简单说氢弹结构一共只有五大流氓中除了美俄英法的一种和中国的一种。

另外中国给法国的是原子弹小型化技术,不是氢弹技术,这个真不能给。

印度日本是不用指望了作个大新闻了,热核试验已经是五大流氓严令禁止的。印度日本这种国家不用军事威胁,光是经济制裁就能让执政团体下台,朝鲜这种滚刀肉不是每个人都能学的。

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其实以上回答都是以讹传讹,真正懂氢弹制造原理的全世界也就几十号人。世界上很多国家都有搞原子弹的技术实力(受于5大统领的压力及国内、国际的道义压力,所以绝大部分都不敢搞)。但是氢弹的门槛就高得多了,目前只有五个国家能制造氢弹,至于印度说它也能造,呵呵。

如果这几十号人种中谁胆敢叛逃出自己的国家,那么五大流氓的特工会争着干掉他的。


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