09.18 原子彈設計

原子彈是核武器之一，是利用核反應的光熱輻射、衝擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用，以及造成大面積放射性汙染。同時，各國都在研究高能、小巧的核彈頭，例如：中國東風-31、俄羅斯白楊-M等。要想原子彈小巧且高能，則需要從原子彈的設計方面考慮。目前，原子彈主要有槍式結構和內爆式結構兩種。

槍式結構原子彈

1945年8月，美國投到日本廣島代號叫“小男孩”的原子彈採用的就是槍式結構，核裝藥為鈾235，爆炸威力約為14000噸TNT當量。從圖中可以看出，槍式結構非常簡單，2個分別為臨界質量一半重量的鈾235，炸藥以及中子發生器等就組成了原子彈。但它也有缺點，首先需要較多的核材料。在正常密度下，純鈾235球體的臨界質量約50千克，鈈239球為15～16千克，一顆槍式結構原子彈至少需要臨界質量的核裝藥。其次是效率太低，兩塊鈾還沒完全合攏前，距離接近到一定程度，由於高壓自由釋放的一些中子就很容易引發鏈式反應、核爆炸，鏈式反應規模擴大的速度不算快，因此爆炸不夠理想。

內爆式原子彈

而內爆式結構原子彈，是較為理想的原子彈模型，其利用炸藥的球面向心爆炸，使處於次臨界狀態的球形裂變材料的密度迅速增高到臨界狀態而產生核爆的一種壓緊型原子彈。在長崎爆炸的核彈胖子，是內爆式原子彈，使用了6.2千克鈈239裝藥，用鈾238包裹並充當中子反射層，核裝藥的周圍均勻的放置了常規炸藥，而這些炸藥將在爆炸時同時起爆，引起內爆。內爆使得鈈被強烈壓縮密度增加，達到了臨界質量並開始鏈式反應。相比槍式結構，內爆式結構更易於原子彈的輕量化，小型化。

但內爆式原子彈可以在結構上細化、優化，使其有更高的威力。主要從炸藥、中子源以及包裹層的細分來考慮。

若要讓原子彈順利的爆炸，就要使裂變材料的鈈達到它的臨界質量，炸藥是原子彈中至關重要的一環。目前主流炸藥有黑索金（C3H6 O6N6）、奧克託金（C4H8 O8N8）、特屈兒（C7H5N5O8）和太安（C(CH2ONO2)4）。對於炸藥 CaHbOcNd氧係數計算公式

得知黑索金和奧克託金的氧係數為66.7%，特屈兒為48.5%，太安為85.7%。所以太安的分子氧飽和程度較高，工作氧含量適用範圍廣，適合用作原子彈炸藥。

對於中子源的選擇，有兩種方法，一是利用元素的自發裂變放出中子，二是利用放射性核素與 Be 的核反應後放出中子。如果用 Be 作為中子源，就會用引入一種新的物質，在鈈到達臨界質量時，不能壓縮到一個實心裸球。所以，在該反應中用鈈的同位素做中子源是最好的選擇。Pu242 在發生自發裂變後，可生成 氪92,鋇141和2 箇中子。如果，用 Pu242 做中子源，自發裂變放出的 2 箇中子具有的 209.47 MeV足以使 Pu239 生成 Pu240 進一步裂變。另外Cf 252通常也用作核反應的中子源。

為了增強內爆效果，可以將低密度金屬（如鋁、鈹或者是兩種金屬的合金，選用鋁是因為它很容易安全的變形，而選用鈹是因為他的中子反射性）製成中間層，放置在爆炸物和反射層之間。這樣，一部分的衝擊波會被反射回去，而衝擊波的作用時間就加長了。胖子核彈就使用了鋁製成的中間層。

核以道和，鑄“彈”為犁，但願未來核武器只是用來威懾的道具，不再是殺人的工具。