核武器的基本原理

关于核武器的基本原理第1页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五核聚变能量的释放第2页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第一节核武器的基本原理与特点

核武器指爆炸性核反应释放出的巨大能量对目标造成杀伤破坏作用的武器。

条件：自持快速核裂变或聚变

1千克铀=2万吨TNT炸药爆炸时放出的能量分类：

按作战任务使用范围可分为：战略核武器、战役战术核武器；

按当量大小可分为：

千万吨级、百万吨级、十万吨级、万吨级、千吨级和百吨级第3页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五一、裂变性原子弹（第一代铀弹和钚弹）第4页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五原子弹结构第5页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（一）链式裂变反应

在核物理学上把能自持进行的原子裂变反应叫链式反应。实现自持核反应，必须用裂变核释放出的中子去轰击其它重核引起裂变，新的裂变又释放出新的中子，新的中子又去轰击其它重核引起裂变，依此不断进行。如235铀的核吸收一个中子后发生裂变，平均能放出2.56个中子，239钚平均能放出2.9～3.0个中子。由于核裂变所产生中子的能量范围很宽，如果仅靠俘获快中子时才能裂变的原子核，通常不能实现自持链式反应。原子弹全都采用235铀和239钚（易裂变核素），或者使用它们的某种组合。第6页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五1.铀自然界的铀主要组成：

238铀（约占99.3%）

235铀（约占0.7%）理论上，235铀的浓度在6%～10%才能制成铀弹。也就是必须把天然铀矿经筛选、粉碎、酸性浸析成矿浆、提炼获取铀的氧化物、进一步处理变成四氟化铀或六氟化铀，随后进行铀的浓缩。

第7页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第8页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五图2-1重核裂变的链式反应示意图分裂后的新原子核（碎片）分裂前的重原子核中子第9页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

浓缩铀的气体扩散，通过泵使六氟化铀气体撞击上面设有数百万个小孔的障碍物，小孔的直径约在1%微米大小，由于235铀和238铀原子质量有轻微不同，含有235铀原子的分子比含有238铀的分子以稍微大一点的速率渗出，最终的产品是武器级铀，浓缩铀技术是核武器的关键。目前各国使用的核武器的235铀浓度为93.5%。

第10页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五233铀也能链式裂变，用反应堆来生产，其制备过程如下：232钍+中子→233钍→233镤+β-→233铀+β-第11页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第12页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五2.钚

自然界中钚的蕴藏量极少，只能用中子轰击238铀而得到239钚。因此反应堆也是生产核武器装料239钚的一种途径。理论上，239钚含量为6%～10%就可以用来制造原子弹。目前各国使用的核弹头239钚纯度约为93.5%。

第13页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五238铀+高速高能中子→239铀→239镎+β-→239钚+β-

239钚比235铀要贵，但239钚裂变弹可获得较高的当量，使武器重量更轻、体积更小，如果使用运载工具发射核弹头，239钚弹重量轻运载更方便。

第14页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五快中子堆第15页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（三）临界质量能为维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量称为临界质量。核装料的存放必须小于临界质量，相隔一定的距离已至于不会发生意外爆炸事故。

球形的体积与表面积的比值最大，从单位球形裂变材料中逃逸出来的中子数最少，因此球形是临界质量最小的一种形状。如采用裸球，235铀和239钚的临界质量分别为52千克和10千克（235铀的密度小于239钚）。

第16页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五原子弹研制及投向日本第17页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五二、聚变性原子弹（第二代氢弹）

用氢的同位素氘、氚等轻原子的聚变反应，在聚变反应瞬时释放出巨大能量而制造出的核武器，又称为聚变弹、热核弹、氢弹，即为第二代核武器。第18页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五氢弹示意图第19页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（一）聚变反应核聚变反应指在1400万到1亿度的绝对温度下，原子核发生碰撞而发生核反应。这种将物质加热至特高温度所发生的聚变反应也叫做热核反应。第20页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（二）热核材料只能在轻元素的原子核之间发生，如氢的同位素氘和氚，氘采用常温下是固态化合物的氘化锂，而氚则由核武器进行聚变反应过程中由中子轰击锂的同位素而产生。

LiD+高温→4He+放出巨大能量中子（n）+6Li→ 3H+4He+α第21页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

核弹头一般指核武器本身，广岛和长崎都是用飞机运送而投放的，实际上需要现代化的运送载体，比如导弹、火箭和航天运送技术，将核武器看作为飞行武器的弹头称为核弹头。

第22页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第23页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第24页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第25页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第26页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五“小男孩”广岛第27页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五三、中子弹

中子弹又称弱冲击波强辐射弹。它在爆炸时能放出大量致人于死地的中子，并使冲击波等的作用大大缩小。中子弹的特点是只杀伤人员等有生目标，而不摧毁如建筑物、技术装备等设备，“对人不对物”。中子是构成物质原子核的基本粒子之一，它的质量与质子相同。中子不带电，从原子核分裂出来的中子很容易进入原子核，人们利用中子的这个特性，用它轰击原子核来引出核子反应。这就是中子弹。中子弹在爆炸释放大量的高能中子，是以高能中子辐射为主要杀伤的小型氢弹。第28页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（一）中子弹的核反应原理中子弹的原理是：利用轻元素的原子核之间（如氢的同位素氘和氚）的核聚变反应产生大量高能中子。其反应式为：

氘＋氚（高温）→４氦＋中子＋１７．６兆电子伏

第29页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五第30页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（二）中子弹的特点中子弹具有和辐射、冲击波、光辐射等杀伤力，但主要是靠中子的辐射起到杀伤作用，它可以在有效的范围内杀伤坦克、装甲车辆或建筑内的人员。如果有一枚千吨级当量的中子弹在战场上爆炸，那么800米范围内的人员会被杀伤，被杀伤的人员并不是马上死去，而是慢慢地非常痛苦的死去，受伤者最长可以拖过7天的时间。在中子弹爆炸的300米范围之外的建筑和设施，可以毫发不损，可是建筑物中的人员却不能幸免于难。中子弹的这种特性，很适合在战场上作为战术核武器使用。第31页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五特点是：1、当释放的能量相同时，放出的中子数量要多得多；2、中子的相对生物学效应与γ射线相比要高出3~10倍，杀伤性比光子强5~20倍；3、有极强的辐射穿透力；4、爆炸时不产生放射性物质。

第32页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

缺点：

中子弹穿透力强，但对付不了地道。1.5米厚的土层就能顶住中子弹的辐射，25厘米厚混凝土或30厘米厚的湿土就能阻止90%的中子，50厘米厚的混凝土或76厘米厚的湿土就可阻止99%的中子。中子弹爆炸后半小时辐射就消失，人员暂时转入地道等隐蔽物即可有效防止中子弹的伤害。

第33页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五中子弹可以对付坦克，能穿透30厘米厚的装甲第34页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（三）实战型中子弹的设计中子弹设计需要高技术1.聚变材料（又称聚变燃料）2.引爆装置3.小型化4.结构设计5.核素的半衰期第35页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

四、核武器的当量可调性

1945年7月新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”试验场内的一个30米高的铁塔上试爆了世界上第一个核爆炸装置，它的代号叫“大男孩”，属于钚弹，钚装药约重6.1千克，当量为2.2±0.2万吨。钚装药大小与柚子差不多，核武器的当量大小往往是可以调节的，改变链式反应的引发时间、改变中子源状态或变换弹芯，就能改变当量。控制氚的用量或更换弹芯，即可改变当量。

1945年8月“小男孩”广岛上空、60千克浓缩235铀，重约4吨，当量1.2～1.5万吨（有报道1.25万吨）。

1945年8月长崎“胖子”，重约4.9吨，长3.6米，当量2.2±0.2万吨，钚装药约6.1千克。

第36页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五现代化核弹及生物原子弹

现代核武器的特点集中在以下几个方面：1、威力巨大，但是其附带杀伤效应较小2、杀伤手段和杀伤破坏目标更为单一冲击波或是电磁脉冲或是其他的杀伤破坏因素，来攻击特定的目标或设备，令使用者在使用核武器攻击时有更大的选择余地，也更加灵活。3、研究手段中高科技含量非常高由于有全面禁止核试验条约的限制，必须有超级计算机进行模拟核试验等；大型粒子加速器、离子对撞机和惯性约束核聚变装置等先进的研究设备。第37页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

目前一些核大国正在加紧研制能增强或减弱某种杀伤破坏因素的各种特殊性能的核武器，如感生辐射弹、电磁脉冲弹等。一、核爆激励定向能武器以核能作为动力源的定向能武器，属于第三代核武器，这类武器利用核弹或核反应堆所释放的巨大能量，激励或驱动产生高能的激光束、粒子束、电磁脉冲、等离子体等，并将其定向发射，因而可以有选择地攻击目标，能量也更为集中，具有可控的特殊杀伤破坏功能。美国军方设想以地球同步轨道卫星作为运载平台，将其部署在外层空间。

第38页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

俄罗斯的科学家则对等离子体武器情有独钟，提出利用高密度的等离子云团，拦截飞行中的导弹、飞机等飞行器。其作战原理是：利用核反应堆发出的巨大能量，产生高频电磁波并将其聚焦于大气层中的某一处，在聚焦处生成一个高密度和高电离度的等离子云团。一旦导弹或飞机等飞行器进入这一等离子云团，就会产生旋转力矩，使飞行器顷刻之间粉身碎骨。第39页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五高频电磁波飞行器顷刻之间粉身碎骨第40页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

由于电磁波束以光速传播，再加上这种等离子武器集目标搜索、指挥控制和实施攻击于一身，简化了攻击程序，反应速度奇快。可在瞬间攻击多个空中目标。核爆激励定向能武器目前研制主要在以下几个类型：

1.电磁脉冲弹：利用核爆炸能量来加速核电磁脉冲效应的一种核弹。可烧毁电子设备，可以造成大范围的指挥、控制、通信系统瘫痪。

2.伽玛射线弹：造成放射性沾染，迫使敌人离开。所以它比氢弹、中子弹更高级，更有威慑力。

3.感生辐射弹：是一种加强放射性沾染的核武器，利用中子产生感生放射性物质，造成放射性沾染，达到阻碍敌军和杀伤敌军的目的。第41页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五4.冲击波弹：是一种小型氢弹，采用慢化吸收中子技术，减少了中子活化削弱辐射的作用，其爆炸后，部队可迅速进入爆炸区投入战斗。

5.三相弹：用中心的原子弹和外部238铀反射层共同激发中间的热核材料聚变，以得到大于氢弹的效力。二、无剩余核辐射的武器属第四代核武器，也就是能够在使用中不产生剩余的核辐射，使用后没有放射性沾染等核污染，可视作“常规武器”的核武器。第42页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（一）同质异能素武器核同质异能素的特点是处于亚稳态的核素蕴含着极大的能量，其核裂变的反应能量是一般高能炸药能量的几千万倍。目前核同质异能素武器尚处于理论研究阶段，研究工作主要集中在研究核同质异能素的特性，以及在核裂变反应中，如何控制其能量的释放等。主要是通过重离子碰撞或惯性约束聚变中产生的中子脉冲来合成。

第43页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（二）反物质武器在这个世界上还存在有一种完全由反粒子构成的物质，也就是反物质。根据研究发现，极少量的物质同它的反物质相互作用，能够释放出极大的能量。几微克的反物质放出的能量，就可作为热核反应的扳机，或者可以激励出很强的X射线或γ射线激光，因此反物质在军事领域有着极为广阔的应用前景，成为目前各国研究的重点，令各个核大国倍加重视，那就是研制反物质武器。第44页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五三、生物原子弹—基因工程生物武器利用生物技术可以制造出某种可能彻底毁灭人类的新型生物武器——基因武器，基因武器的出现向全世界敲响了警钟：人类将面临新的生物战和生物恐怖的威胁。第45页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（一）基因武器的基本原理基因是生物细胞核内起遗传作用的物质，其化学组成是DNA，基因具有遗传性和变异性，遗传性决定着生物的“子代同于亲代”的特征，即所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”；而变异性则决定着“子代不完全同于亲代”的特征，使世界多姿多彩、变化无穷，物种多达200万以上，而且还在继续进化。第46页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

基因武器是一种按照军事需要而设计的具有杀灭、攻击、失能特殊功效的新型生物武器。基因武器有两大系列：一种是利用基因工程技术，创造出具有新特性的致病微生物及其毒素制剂去破坏人的免疫系统；另一种是针对某一人群或动、植物的基因密码特征，去杀伤特定种族（或培养出恐怖动物）。第47页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五1.重组DNA微生物目前设计上有以下几个方向。（1）改变生物战剂抗原性用基因工程技术将天花病毒与一种最新发现、致死性极高的“埃博拉”病毒结合在一起，生成了一种名为“天花-埃博拉病毒复合体”的基因武器。据称，它既有天花的高度传染性，又有“埃博拉”的严重内出血致命性，即使接种了疫苗也无济于事，威力相当惊人。

a在大肠杆菌中接入炭疽毒素基因的工作。

b在大肠杆菌接入鼠疫杆菌基因的工作。

第48页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五图2-5新型“埃博拉”病毒

如果将埃博拉病毒、马尔堡病毒、艾滋病毒、炭疽杆菌、鼠疫杆菌、霍乱弧菌，甚至流感病毒等都制作成基因武器，这些“生物原子弹”足以毁灭全人类。第49页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（2）增强生物战剂抗药性生物战剂抗药性增强通过把多种抗药性基因拼接起来，克隆到一种目的菌中，使其具有广谱抗药性，就将使药物治疗变得无能为力。如果将这些抗药性或抗疫苗基因转移或拼接到经典生物战剂中，培养出抗药物、抗疫苗的新菌株，一旦将这种生物战剂投入战场，将无可救药。据悉，美国早就筛选出了抗链霉素的土拉杆菌和鼠疫杆菌新菌株，也完成了抗四环素和抗青霉素菌株的研究工作。德国军方正在研究耐受抗生素的大肠杆菌、霍乱、鼠疫等病原体。前苏联利用基因工程技术也完成了多种病毒外层蛋白质结构的改构工作，可以使有效疫苗丧失保护功能，使原来有特异性的诊、检、消、防、治等方法全部失效。

第50页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（3）生物毒素武器

毒素的需用量一般较少，只需简单的设备、简洁的方法，几周内所生产的炭疽毒素、肉毒毒素就足以毁灭十几座大城市。特别是把2种或2种以上的毒素基因融合到一个菌体中，制造出用于军事目的的毒素战剂，就会对当今和未来的生物战带来更大的威胁和挑战。据报道，美国已将肉毒毒素基因拼接到大肠杆菌中，使普通细菌变成一种毒性极大的新型生物战剂。前苏联也已成功的将眼镜蛇毒素基因与流感病毒基因拼接，创造出一种新型生物战剂，它能使人群出现流感症状，同时又出现蛇毒中毒症状，导致患者瘫痪和死亡。第51页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五（4）利用基因工程方法可以合成病毒研制杀伤预定种族对象的基因武器，有选择地攻击具有特定种族基因的目标。“只对敌对种族具有残酷杀伤力，而对已方毫无影响”的新型生物武器称为“种族武器”。

“1998年西方媒体爆出惊人内幕——以色列军方已研制出一种专门对付阿拉伯人的“种族武器”。研究人员首先确认了阿拉伯人的独有基因，又发现了一种含有特殊基因的细菌，利用这种细菌的特有功能，可以攻击并改变阿拉伯人细胞内的DNA，进而达到消灭阿拉伯人的目的。据说这种“人种炸弹”能识别阿拉伯人和犹太人的基因，而且只对阿拉伯人具有杀伤”第52页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

“识别不同种族基因、性别基因、血型基因等多种类型的“人种炸弹”。最近以色列又宣称，已经发现了阿拉伯人特别是伊拉克人的基因结构，并研制完成了对付伊拉克人的“人种炸弹”，找到了对付萨达姆的有效办法。”

2.转基因动物生物武器把一段已破译的目的基因转移到同类动物体内，繁殖的后代称为转基因动物。第53页，共57页，2022年，5月20日，1点39分，星期五

曾有科学家设想从琥珀中一只蚊子的嘴角里发现了恐龙的DNA基因，再用青蛙的DNA补起残缺部分，结果复活了许多真恐龙，酿成一场灾难。可怕的设计