核武器的基本原理PPT课件

核武器的基本原理
核聚变能量的释放
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
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）。
“小男孩”广岛
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。
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。
一、裂变性原子弹 （第一代铀弹和钚弹）
原子弹结构
（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。
1.铀 自然界的铀主要组成：
238铀（约占99.3%） 235铀（约占0.7%） Байду номын сангаас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。
（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
（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。
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。
快中子堆
（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。
（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。
Li D + 高温 →4He + 放出巨大能量 中子（n） + 6Li → 3H + 4He + α
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。
原子弹研制及投向日本
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。
氢弹示意图
（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。
分裂前的重原子核
中子
分裂后的新原子核（碎片）
图2-1 重核裂变的链式反应示意图
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%。
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-
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%。
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。
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。