核武器漫谈：为什么原子弹有上限，而氢弹可以做到无限大

这又是一个标签话题： #为什么原子弹有上限，而氢弹没有# ，不是吹牛，在头条对于核武器的相关内容还是W君会解释得比较清晰。

在很多人的眼中，原子弹是威力巨大的武器，这个论断“对也不对”，主要在于大家对于核武器还是并没有太深刻的了解。

如果希望深入了解的话，带个货：这里有W君的精讲核武器专栏，大家可以去看一下大部分章节已经解锁，并且目前头条还有优惠活动。

闲话不多说，咱们开始聊今天的话题。


虽然原子弹的威力很大，但是原子弹本身是一种效率极低的武器。以广岛原子弹为例子，我们来看看这种武器的效率有多低下。


广岛原子弹的设计是一种典型的“枪式”核武器，利用两块接近于临界质量的铀235滑块，在起爆的时候用炸药的爆炸能量，让这两块接近于临界质量的铀235拼合在一起，这时候整个的原子弹核心处于超临界质量的状态，引发链式反应，原子弹就爆炸了。
基本原理就是这样。但是只知道基本原理的话，还是造不出原子弹的，工程上的问题是枪式原子弹是一种通过惯性约束核裂变链式反应的机构。核弹的核心可以拼合在一起其实就是依靠爆炸推动原子弹高速运动所导致滑块具备的惯性。这个惯性维持着在爆炸初期整个核心的超临界状态。

这种维持能力其实很低，广岛原子弹核心爆炸的时间只有十几纳秒，随后核爆炸产生的强大的能量就会反向推动原子弹核心四分五裂的向四周飞去。这时候原子弹核心质量就又降低到了非临界状态。

说数据：广岛原子弹一共使用了64千克的铀235，其中只有不到1千克铀235产生链式反应，其他的63千克铀235都被浪费掉了。即便是这1千克铀235参与了链式反应，真正在链式反应中能够推动链式反应持续进行起到作用的不足200克。最终只有不到1克的物质转化为了纯能量。也就是广岛原子弹的爆炸当量13000吨TNT。


如果我们去制造一颗64公斤装药量的炸弹，例如一枚航空炸弹：


我们会在航空炸弹内部加装传爆药（这是W君的正牌专业内容……），例如上图，在引信和弹体中部能看到两条管子。这就是传爆药管。这个管子内填充的是爆速度比装填炸药更高的烈性炸药。起到的作用就是尽量地让炸弹内部填充的炸药在传爆管周围开始起爆，这样一来，炸弹中在起爆的时候还没有来得及爆炸的炸药就不会被爆炸的爆轰波破坏掉，提高了炸药的利用率。但即便如此，一枚加装了传爆管的炸弹在爆炸的时候依旧会有12-25%的填充炸药根本不会爆炸。这样说炸弹的炸药利用率其实也就只有75%～88%之间。

看似效率并不高吧？ 对比广岛原子弹装入了64千克的铀核心，最终只有1千克起作用，铀的利用率仅有1.56%可以说是高出天际了。

有人觉得枪式核武器简单，更复杂的内爆式核武器的确是可以提高核武器核心的利用率的。


第二枚实战的原子弹胖子内部的核心为一枚钚239圆球，通过外部爆炸对内压缩，反应时间提高到了33纳秒，只有6.4公斤钚239的核心在爆轰波的持续压缩下释放出了2.1万吨TNT当量的能量。


其实我们算一下也可以知道，这次爆炸中有不到2千克的钚参与了核爆炸链式反应，利用率提高到了接近30%

这时候会有人问既然内爆式原子弹可以有效的提高利用率，增加内爆式核武器的核心大小是不是就可以有效的提高原子弹的当量呢？

答案是一定程度上可以，但有天花板。你可以增加核弹核心的质量，但核弹还有临界质量和临界半径的限制，同时，能够作用于核心球体表面的爆轰波能量也是有上限的。不会超过炸药本身的能量天花板。这样一来加厚的球体就很难被充分压缩。这时候即便是增加核心质量也是一种可耻的浪费行为了。

但事情总得去实验，美国在1952年的常青藤行动中就摸到了原子弹当量的天花板。他们制造了一枚叫做国王（king）的原子弹。


实验中“国王”的当量达到了54万吨TNT，在“国王”中包含了四块接近于临界质量的U235核心组件。采用了更为复杂的92点爆炸方式（胖子只有32点）进行起爆。最终60公斤重量的铀235核心利用率达到了80%以上。

但为了达到这样效果，“国王”炸弹（MK-18）只能做得更重、更复杂、更不容易维护，因此美国在1953年陆续生产了90枚MK18短短2年之后就将这些核弹拆掉了，改成了结构更为简单成熟的MK6核弹。


至此由于结构和工程的原因，MK18也就成了原子弹当量的天花板。当然了你如果付出更复杂的结构装入8或16个子核心原子弹的当量还或许可以进一步提高。但是这种事情显然从成本考虑就是一个败笔了。

现代原子弹其实走的是一个相反的道路，通常会设计为两个起爆点的简单结构


通过椭圆形的爆炸塑形外壳利用两个爆炸点的炸药进行聚焦引爆核心，这就要求核弹的当量尽量的小了。否则外部炸药的爆轰波很难进行准确的聚焦。目前最小当量的核裂变爆炸装置甚至可以做到只有1.2吨TNT当量。但这个东西可以作为氢弹的核扳机。利用更少的裂变材料的消耗去点燃氢弹的聚变燃料。

由于聚变燃料并没有临界值的限制，而且线比较于铀或钚这些裂变材料来价格极其便宜。因此氢弹其实就成了核武器的主流。


也就成了理论上并没有当量上限的武器。

当然了，就氘和氚的特性而言，如果质量达到了太阳质量的5%，这时候氘和氚并不需要外界能量自己就会被点燃。然而……这么大的质量在太阳系中很难存在，毕竟已经点燃的那颗氢弹（太阳）已经占据了太阳系总质量的99.86%，那额外的5%很难在太阳系内存在。