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英国氢弹发展历史
作者:PBSNPR
发表时间:2017-07-25
更新时间:2017-07-25
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下面通过英国热核武器开发的官方史《Britain and the H-bomb》来看看一个国家开发氢弹的过程————殊途同归是如何实现的。

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通向英国热核武器之路:起步与摸索阶段

总体规划、决策与组织变动:

1954年4月13日:

由理论物理部主导,奥尔德玛斯顿内部成立“天体物理学委员会(Astrophysics Committee)”,开始对氢弹问题进行系统地探讨:以专家交换意见为主。

1954年7月27日:

英国内阁决定全面展开氢弹研制工作。

1954年11月-1955年1月:

总参谋部同意,“A型热核炸弹”(大型助爆裂变弹,百万吨级别)、“B型热核炸弹”(真正的氢弹)中,B型才是最终开发目标;威廉彭尼(William Penney,AWRE所长,1950-1959)承认现阶段应重点开发“A型热核炸弹”。

1955年3月:

天体物理学委员会讨论“A型热核炸弹”设计,确定其代号为“绿竹(Green bamboo)”,无法确定其设计是否可行,但争取在1957年进行核试验;“B型热核炸弹”——代号为“绿花岗岩(Green Granite)”——的研发优先性确定为低。

1955年末:

奥尔德玛斯顿对“双重炸弹/绿花岗岩(Green Granite)”的设计信心有所提高,要求国防部同意在1957年的核试验计划中包括绿竹、绿花岗岩、“橘色先锋(Orange Herald)”。

1956年4月:

库克牵头成立武器开发政策委员会(WDPC),统一协调奥尔德玛斯顿所有的核武器研发工作,取消天体物理学委员会。

对分级结构的探索:

1954年3月:

彭尼致Atomic Energy Authority的信中提到氢弹构型的猜想,其中缺少“分级”的结构。

1955年2月:

天体物理学委员会讨论“圆柱形炸弹”:初步体现了“分级”思想。

1955年8月:

彭尼、库克(副所长)、Keith Roberts和John Ward在彭尼办公室开会讨论氢弹构型,Ward指出“初级”“次级”“级间屏蔽”的思想。

1955年9月:

“汤姆/迪克/哈利”会议,会议上确认英国对初级的一般代号是“Tom”,对次级的一般代号是“Dick”,第三级则是“Harry”。会上由彭尼提出了“双重炸弹(double bomb)”的构想:由初级的能量来压缩一枚助爆裂变装置(次级),最后用两枚裂变弹的能量来点燃“哈利”(热核材料);彭尼甚至认为不需要“哈利”就可以达到百万吨级别的当量(实质上是一枚双重裂变弹)。

1955年9月20日:

彭尼笔迹、未署名的一张蓝图上有一个两级装置的草图:辐射内爆+分级结构都齐全,批注:“Looks just about O.K.”。但是在9月28日的天体物理学委员会会议中没有提到这个构型。

1955年10月:

Keith Roberts在“核心助爆”和“惰层助爆”间徘徊:他仍认为大型热核武器需要使用“惰层助爆”(十分接近苏联“千层饼”构型:氘氚化锂层放置在HEU弹芯和铀惰层之间,希望能大大提高当量;这也是“单级炸弹”/绿竹/“A型热核炸弹”的设计思路)

对美苏热核试验放射性尘埃的分析:

库克在奥尔德玛斯顿内部成立了专门研究美苏核试验放射性尘埃的“第一委员会(情报)”,他同时还是派往美国方面的苏联沉降分析专家组——由贝特(Hans Bethe)牵头——的联络官。但是理论物理部和核物理部都抱怨彭尼没有把沉降分析结果传下去,一直锁在所长的私人保险箱里。1955年副所长库克组织了对所长保险箱的“突袭”。

1955年末:

库克争取到1954年5月Castle系列核试验的沉降样本(美国允许英方收集样本),送至奥尔德玛斯顿相关部门。

1956年初:

Castle系列放射性尘埃中发现铍-7,确认其使用了锂-6(对苏联1953年8月12日Joe-4的分析中也确认了这点);1956年1月与美国专家讨论1955年11月的Joe-18/Joe-19热核试验后,确认残余铀233量大于铀235快中子反应可能产生的量,英方推论为苏联设计人员在初级中加入了铀233来区分两级铀部件的不同表现(也就确定了“级间屏蔽”的思路)

1956年8月:

Mike核试验的沉降样本送到“第一委员会(情报)”

对“辐射内爆压缩”的探索:

1954年10月下旬:

天体物理学委员会成员Allen Fraser(辐射流体力学小组)和R.A. Scriven(理论物理部)计算、比较了流体力学冲击波和辐射在氘化锂中的传导速度,认为辐射比较快。

1955年12月2日:

John Ward在有彭尼、库克、John Corner(理论物理部主任)参加的进度会议上画出了“两级结构”的氢弹构型示意图,其中包括有“级间屏蔽”的思想;同时Ward也跟Hebert Pike、Keith Roberts指点了“辐射内爆”的概念。

1955年12月底:

Keith Roberts与John Ward联合署名的一份“TPN(理论物理学笔记)”中考虑了向“哈利”传输能量的机制:确定要比流体力学冲击波快(赶在结构飞散之前点燃更大规模的热核反应);Keith Roberts指出使用中子流或辐射进行能量传导的必要。

1956年1月:

Allen Fraser继续带领辐射流体力学小组研究“辐射传播(radiative diffusion)”的机制。Henry Hulme(所长特别顾问)概括绿花岗岩设计思路的文件中仍然坚持“汤姆/迪克/哈利”三级结构、不清楚辐射内爆是否应使用中子流、承认在次级压缩机制上没有进展、徘徊在“惰层助爆/千层饼”思路与分级思路之间。但是该文件中强调了对“哈利”中热核材料进行“预压缩”的必要。

绿花岗岩方案的成熟期:

Ken Allen在1956年2月14日给出的文件把“双重炸弹”转换成了“初级+次级(热核材料+火花塞)”,被认为是已知资料中明确指向真正热核武器的重要文件。

1956年2月14日:

Ken Allen(核物理部主任)指出美国成功方案是“用原子扳机释放的能量压缩包围在一个裂变内核周围的氘化锂6/铀混合物”,同时指出了以下五点:1,氢弹主要能量来自锂-6/铀循环;2,不需要实现D-D反应,当然在大当量武器的最后一级中可以实现;3,热核材料燃烧的效率很高;4,燃烧的高效率来自原子扳机对热核材料的压缩;5,绿竹中U-235燃烧的效率将比绿花岗岩中的低5-10倍。

1956年2月底:

John Dolphin(首席工程师)画出的草图中仍然标注“中子加热、压缩”,同时承认能量传递和压缩的方法仍没有找到。

1956年3月:

16日彭尼召开会议重新设计三级构型的绿花岗岩,汤姆的细节得到确认,迪克中的材料层数、用量得到确定,哈利需要由Keith Roberts来重新设计。3月底,设计全貌仍然没有确定,彭尼要求尽快确定方案。

1956年4月初:

绿花岗岩方案的讨论稿再次出现变更,使用两级构型。R.A. Scriven内部传阅的图纸中迪克的结构被大大简化。

1956年4月26日:

一份“绘图办公室草图(DOSK)”完整地描述了两级构型的绿花岗岩:汤姆-迪克、辐射内爆、锂-6/铀循环。这份DOSK跟后来试验用的花岗岩装置已经十分接近。

通向英国热核武器之路:试验与修正阶段(0)

1957年11月的试验方案:

1,绿竹:

单级球形助爆裂变弹(“惰层助爆/苏联千层饼”思路,使用一个氘化锂与铀238混合的大型包层)使用高浓缩铀弹芯(87kg或98kg)。如果产量足够,将包括氚化锂粉末;最终还是没有采纳这个建议。采用72镜内爆系统

2,Mosaic系列核试验的第二发,代号G2(千吨级裂变装置,热核/助爆试验)

3,橘色先锋(Orange Herald):

百万吨级助爆裂变武器。采用铀235弹芯(117kg或是125千克),32镜内爆系统;分为“大橘色先锋”(39英寸/1米)、“小橘色先锋”(30英寸/0.76米)两个型号,差别只存在于高爆炸药系统上。大橘色先锋应该就是所谓的“特别组装件(special assembly)”。

4,绿花岗岩(真正的氢弹):

扳机是“红胡子(Red Beard)”,使用蓝色多瑙河的外壳。1956年4月底完成设计。1956年9月初,John Corner提出进一步改动绿花岗岩,缩短汤姆/迪克间的距离,形成“短花岗岩”设计(直径30英寸/0.76米,2吨)。

如果短花岗岩成功,则不需要试爆绿竹(但是仍要试验橘色先锋)。如果绿竹试验成功,则进行中远程弹道导弹弹头的试验(橘色先锋);如果绿竹失败,则使用“特别组装件(special assembly)”(“政治弹”)来欺骗世人。

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实践助爆原理:

1956年5月16日在澳大利亚附近的蒙特贝洛群岛进行了Mosaic系列核试验的第一发(G1),这是英国首次在核试验中使用热核材料(氘化锂-6)。其形式是“惰层助爆”:在铀235弹芯外部加上了一层氘化锂-6,其外的惰层是铅制成的,目的是降低当量。G2计划使用天然铀惰层,但是担心其当量过大,原计划在太平洋圣诞岛附近引爆。

G1的当量只有15kt左右,于是决定继续在蒙特贝洛群岛进行G2(改装铀238惰层)的试验。结果G2的当量为60kt(1984年才公开实际是98kt,大大高于澳大利亚政府同意的上限)。AWRE已经认识到“惰层助爆”意义不大,为了确定这个结论,在6月19日加试了G2(氘化锂的压缩程度和温度均得到提高)。G2的结果很可能直接导致绿竹(“惰层助爆/苏联千层饼”思路)的取消,不过最后还是决定制造绿竹并将其运到圣诞岛。

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关于“橘色先锋(Orange Herald)”:

橘色先锋加入了少量热核材料,是英国第一枚试验了外部中子源的核装置。从定义上来说,它也是英国第一种试验了“内核助爆”的核装置,但是事后AWRE计算认为热核助爆的效果可以忽略不计(仅仅等于被替换掉的裂变材料的当量),所以才有了“纯裂变武器”的说法。

橘色先锋也是有一定的军事价值的,因为它属于“轻重量百万吨核弹头”;虽然大量使用了昂贵的裂变材料,但是通过改进内爆系统减轻了总体重量,使得其可以被用在当时英国计划开发的多种武器系统上。在绿竹重量太大、绿花岗岩体积太大、两者能否成功不能确定的情况下,试爆橘色先锋成为必然。当然其“政治弹”的作用也很大。

通向英国热核武器之路:试验与修正阶段(1)

实践英国版T-U构型:次级壳层与瑞利-泰勒不稳定性

Grapple系列核试验:

1957年5月15日:短花岗岩试爆。当量为300kt,彭尼总结时确认已经验证了“radiative implosion”。

1957年5月31日:橘色先锋试爆。当量为720kt。

1957年6月19日:紫花岗岩试爆。当量为150kt。

短花岗岩的意义最小是“氢弹原理试验”,最大是“第一枚英国真正热核装置的试验”;由于当量很小,常被认为是失败的。确实如此。但是其大部分能量都来自于次级(不一定都来自于聚变能),成功证明英国已经独立发现了T-U构型。

从1956年9月到1957年2月初,短花岗岩的次级(“迪克”)一直没有确定下来。1956年12月底Keith Roberts还写了报告,推出新次级设计,要增加迪克的层数。1957年2月初的新计算结果又促使Keith Roberts进一步要求改动迪克的层数。最终结果是短花岗岩的次级有14层不同的材料,厚度从0.034英寸(0.86毫米)到0.971英寸(2.46厘米)不等,其中氘化锂壳层最难制造。(壳层材料还包括铅)

理论与计算结果在试验之前已经预示了如此复杂的壳层结构将带来低性能:1957年9月的Antler系列核试验就有计划包括专门用来诊断花岗岩型“双重炸弹”的装置。它们将包括两级结构,但是次级将不包含热核材料,目的是诊断到底是辐射内爆压缩失败,还是次级壳层的瑞利-泰勒不稳定性导致当量过低。

彭尼指出“一个愚蠢的错误”将当量减小了100kt。

同时,也有怀疑短花岗岩减小了扳机到次级的距离,可能也导致失败;这就是仍然保留原始绿花岗岩装置的原因。随着对短花岗岩试爆结果的进一步判读,AWRE决定,汤姆/迪克间距不是问题所在,短级间结构仍可以实现辐射内爆,于是放弃了绿花岗岩装置。

5月的第一个改进版本是“蓝花岗岩(Blue Granite)”,将原来的改进型红胡子扳机换成“靛蓝之锤(Indigo Hammer)”:红胡子是全钚裂变弹,用在花岗岩中做扳机的是复合弹芯,而靛蓝之锤是全钚扳机。不过蓝花岗岩没有被最终采纳。

使用的是“紫花岗岩(Purple Granite)”:初级没变,改动了次级。使用了更多的铀235,又将外部壳层改成了铝制的。

结果是紫花岗岩的当量比原始版本更加低。这证明了AWRE对次级的理解不足。

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实践英国版T-U构型:简化次级

1957年6月底7月初,库克指出要大大降低次级的复杂程度,但是其他部件基本不变。他坚持花岗岩型“双重炸弹”路线是正确的,下一步将是确定循序渐进的核试验计划,逐步确定问题所在。John Corner带领的理论物理部认为关键是提高压缩程度,同时降低次级壳层反应时的瑞利-泰勒不稳定性。

7月15日,库克在WDPC会议上强调,下一次花岗岩型“双重炸弹”核试验的目标是1百万吨当量,但是提高认识比实现当量目标更重要。同期,首相麦克马兰批准“风车”核试验系列(后来改名为Grapple X)

Grapple X的目标有3个:1,降低花岗岩型氢弹的裂变材料用量和总重量;2,争取突破1-5百万吨当量;3,研制“免疫”核弹头(中子突防能力)

1957年8月初,Grapple X的试验顺序基本确定:

Round A(改进型红胡子扳机/复合弹芯,当量提高到45kt左右,仍然使用内部中子源,首次使用了铍惰层;次级只有3个壳层,提高了铀235的用量,增加了唯一一层氘化锂的厚度,提高辐射外壳的厚度)

Round B(次级有5个壳层,其他与Round A相同)

Round C(用惰性材料替换掉氘化锂,其他与Round A相同,诊断型核装置)

Round D(扳机,诊断型核装置)

试验顺序:

如果Round A成功(快中子产量足够大):接着试爆Round B(进一步提高当量,如果新到的IBM 704能及时完成对5壳层的计算)

如果Round A失败(快中子产量不够大,当量低于200kt):接着试爆Round C(诊断是否是次级的铀235壳层出了问题)如果Round C失败(次级铀235壳层的当量太小):试爆Round D(诊断是否为扳机当量出了问题)

如果Round A失败,接着试爆Round C却成功(次级铀235壳层压出了足够的当量):证明花岗岩型“双重炸弹”的思路是错误的

计算机的作用:

1957年夏,奥尔德玛斯顿接到了高性能的IBM 704计算机,将蒙特卡罗模拟以及内爆模拟的计算时间缩短了20倍。IBM 704运用到Grapple X装置的计算后,发现可能达到25倍的压缩。IBM 704用于5壳层的计算,预计用时4周;而3壳层的计算则运行在较慢的Ferranti Mark I上,预计耗时5周。

1957年8月下旬,Hebert Pike指出Round A(3壳层)的计算无法顺利完成,必须转移至较快的IBM 704上进行,同时IBM 704上的Round B(5壳层)将无法完成计算。9月9日的WDPC会议上决定取消Round B(5壳层)的试验。

美国“干净氢弹”的消息:

早在1956年夏,美国官员公开宣布当时的Redwing系列核试验中实现了“干净氢弹”的突破。而《纽约时报》1956年7月底的文章又透露说这是大大降低了次级裂变比例的结果(从“裂变-聚变-裂变反应”升级成“裂变-聚变反应”)。

这使得AWRE对锂-6/铀循环的意义进行了再思考;而短花岗岩和紫花岗岩的相继失败导致了奥尔德玛斯顿不得不采用其他的热核反应。

Grapple X系列核试验:

1957年11月8日:Round A试爆(原定扳机在运输途中出现损伤,在圣诞岛上改装上了Round C的扳机),当量1.8 Mt

由于Round A大获成功(但当量高于预期的1Mt),Round C取消。Grapple X核试验结束。

1957年11月10日,库克携带早期数据飞往华盛顿参与对美谈判,途中经停夏威夷时飞行员迷失方向,靠一个发动机节省燃料,勉强降落在檀香山西南100英里的一个小跑道上,后来经美方飞机接应才到达夏威夷。英国险些损失第一次成功氢弹试验的第一手数据和副所长库克。

1958年初,Keith Roberts与Bryan Taylor完成两篇“论热核炸弹效率”的论文,其中的第二篇使用了Round A的数据,两篇论文大大推进了AWRE对氢弹物理过程的认识。两人的论文可能跟计算助爆对当量的贡献、计算聚变当量有关系。

通向英国热核武器之路:试验与修正阶段(2)

实践英国版T-U构型:使用锂-7、降低火花塞U235用量

Ken Allen(核物理部主任)在1957年中旬(很可能是Grapple系列核试验前后)提出了使用锂-7的方案;当时库克为了保证Grapple X的成功,保守疗法,没有采用Allen的建议。

在1957年9月的WDPC会议上,对Grapple X之后的热核试验方向有3个建议:

1,次级壳层厚度的优化(太厚影响聚变快中子的传输,太薄则导致瑞利-泰勒不稳定性)

2,辐射内爆压缩的优化(大部分与Round A相同)

3,非壳层结构的探索(取消壳层,改用铀235、铀238、氘化锂微粒的混合物)

因时间太紧,运算能力不足,确定仍然要使用壳层结构。新方向如下:

1,5壳层次级结构的再尝试(重新计算Round B),10月中旬发现计算能力短缺,无法在1958年2月前完成,取消

2,3壳层圆柱形次级,增加氘化锂用量,使用锂-7(Ken Allen的方案)

3,3壳层球形次级,增加氘化锂用量,使用锂-7(Ken Allen的方案),最终采用的方案(增加辐射外壳厚度,进一步缩短扳机与次级间的距离)

在Grapple X试爆之前,奥尔德玛斯顿就在讨论“延迟临界”的问题,重点是次级火花塞的作用:所用铀235如果过早临界,则次级热核材料的压缩程度不够高,热核反应的比例低,效率不高。

在Grapple X大获成功后,Ken Allen就质问过这到底是“双重裂变弹”(用辐射内爆来压缩另一枚裂变弹,同时次级用上了惰层助爆),还是“真正的氢弹”(用辐射内爆来实现热核燃料的高效燃烧)。

1957年10月末的WDPC会议上,库克指出初级的设计已经基本完成,即使不使用助爆也可以有50kt左右的当量;同时他又强调当量提高不是主要目标,提高轻核反应的比例才是重点,所以要增多诊断设备的布设。如果能降低铀238快中子裂变当量的比例,就更好了。

1957年12月,Grapple Y次级的设计仍然在进行中,库克现在担心减少次级火花塞的铀235用量可能会导致试验失败,John Corner认为没有问题。Grapple Y的试爆日期从1958年2月推迟到3月,然后到4月。

Grapple Y中使用的科学仪器数量大增,主要目标是确定武器引爆早期的伽马射线输出。之前的核试验都是用堪培拉轰炸机来进行穿云采样,收集放射性样本;Grapple Y装置的当量大,所以爆高也要高,不确定堪培拉轰炸机能在一万九千米的高度成功采样。原计划是使用加装火箭助推器的堪培拉轰炸机:在起爆后1小时于15000米高度先用常规型堪培拉轰炸机采样,两小时后再用加装火箭助推器的堪培拉轰炸机在18000米高度采样。后来其他基地的一架火箭助推版堪培拉出现事故,于是决定取消飞行,使用常规型在低高度采样。

1958年4月28日:Grapple Y装置试爆,当量3Mt,为英国当量最大的核试验装置。

Grapple Y的成功表明,英国从“双重裂变弹”到T-U构型的转换已经完成,次级中火花塞裂变当量的比例已经降低(次级裂变材料的用量降低,但可裂变材料——铀238——的用量增多;总当量中快中子的贡献增大),热核材料燃烧的效率与贡献都有大幅提高;对锂-6浓缩度较低(锂-7含量大)的热核材料的运用也得到了突破。因为有足够的(武器设计)资料,我们可以说直到1958年4月28日的Grapple Y装置,英国才完整地掌握了T-U构型(但是从定义上说,英国在1957年5月15日的短花岗岩装置就已经实现了“两级结构”与“辐射内爆”。)。当然,其他国家是何时才实现从“双重裂变弹”到T-U构型的转换,可能资料还不够齐全;所以比较“真正的氢弹”试验日期,还是相当不清晰的。

英国下一步核试验的目标就是突破“一吨重百万吨级”免疫核弹头。

通向英国热核武器之路:试验与修正阶段(3)

“免疫”/中子突防:

1957年10月,库克在论述百万吨当量氢弹研发的文件中指出突破一种“一吨重百万吨级”(比威力达到1千吨/千克),同时对中子流“免疫”的核弹头。在1956年上旬,Keith Roberts与Bryan Taylor回顾了四十年代霍尔斯特德堡(Fort Halstead,代号“HER/高爆研究”,AWRE的前身)对辐射效应的研究,发现了防御性核弹头能引发“过早点火”的问题。英国早期的钚弹头特别容易出现这种问题:当量可能大减,甚至出现无法核爆炸的现象。

奥尔德玛斯顿的计算能力逐步向这个“R-1效应”的研究方向转移,构型设计方面的解决方法是使用助爆。John Corner认为轻重量助爆扳机可以在短时间内突破,库克则认为必须要“两级扳机”:先用一枚裂变弹来压缩第二枚裂变弹,再去点燃热核材料;总共有3个级。决定在Grapple Z系列核试验中包括这种“三级弹”(两级裂变“免疫”扳机、一级热核燃料),同时改进高爆炸药(希望能取消炸药透镜)、使用外部中子源(已在橘色先锋中试验过)。

1957年12月,WDPC会议上库克要求的四个发展方向为:

1,优化热核反应

2,核弹头减重

3,免疫扳机

4,多点爆轰系统或无透镜爆轰系统

核试验的计划:

自1957年底,奥尔德玛斯顿就开始讨论Grapple Z的试验顺序问题,一直持续到1958年7月底,试爆计划才基本定型:

第一发:

垂饰(Pendant,设计的名称?)/三角旗(Pennant,试验的名称)——固体助爆扳机,使用氘氚化锂,外部中子源

第二发:

旗杆(Flagpole)——氢弹,缩小版Grapple Y装置;使用非助爆全钚扳机“靛蓝之锤(Indigo Hammer,1957年9月26日Antler试验系列第二发试爆,6kt,181千克重)”

第三发:

燕尾旗(Burgee)——气体助爆扳机,使用氚,外部中子源

第四发:

旗索(Halliard)——“三级弹”(三个版本:1,厚辐射外壳三级弹、2,两级氢弹、3,薄辐射外壳三级弹)

详细方案:

1,如果两种助爆扳机中有一个的当量超过14kt,且旗杆(Flagpole)型氢弹试爆成功,则取消旗索(Halliard)三级弹。

2,如果两种助爆扳机中当量较大的也只有“中等当量”,则加试爆两级氢弹版的旗索

3,如果两种助爆扳机的当量都很低,则加试爆厚辐射外壳三级弹版的旗索

4,如果两种助爆扳机和旗杆(Flagpole)都成功,则加试爆薄辐射外壳三级弹版的旗索

如果旗杆(Flagpole)成功,则可以把它的初级改成助爆扳机,实现“一吨重百万吨级”免疫热核弹头;三级弹版的旗索采用了“两级扳机”,目的是保证助爆扳机失败后仍然有免疫弹头;薄辐射外壳三级弹版的旗索是临近7月才设计出来的新构型,为的是减轻三级弹的重量。

实践助爆原理:从固体到气体

1956年10月21日:试爆Buffalo系列核试验的Round 4装置(红胡子裂变弹,首次使用氘氚化锂)当量10kt(8kt?)

英国于1956年中期首次生产出了几克氚,为了试验助爆原理,决定在裂变弹核试验中使用“一、两克”氚。但是红胡子使用的是内部中子源,在弹芯中使用氘氚化锂反而将当量大大减低了(Round 4的结果)。

1957年AWRE仍不愿意为氚助爆专门设计核武器,导致较大量使用氚的效果很差。直到1957年9月,库克对固体助爆和气体助爆都没有信心。

气体助爆扳机燕尾旗(Burgee)的设计在1958年6月成型,氚气体的强反应性,高压条件下氚气体的控制,氚与钚的反应问题,都让AWRE很头疼。随着气体产生器Daffodil的研制成功,问题又转移到安全性方面:如果燕尾旗没有爆炸,注入的氚气体却还在弹芯里,应该如何处理?把装置从气球上降下来至少要2小时。最后AWRE研制了相应的自毁装置。

Grapple Z系列核试验:

1958年8月22日:试爆固体助爆扳机Pendant,当量24kt

<1958年8月31日:美方要求试爆厚辐射外壳三级弹版的旗索(Halliard)>

1958年9月2日:试爆旗杆,当量1-1.21Mt

1958年9月11日:试爆厚辐射外壳三级弹版的旗索,当量0.8Mt

1958年9月23日:试爆气体助爆扳机燕尾旗,当量25kt(28分钟倒计时Daffodil启动,开始产生气体;两分钟之内达到指定压力)英国最后一次大气层核试验/最后一次独立核试验完成

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Grapple Z系列核试验成功之后,英国掌握了“一吨重百万吨级”免疫热核弹头、固体助爆扳机、气体助爆扳机的技术。设计时奥尔德玛斯顿对扳机当量的要求是15kt,而且Grapple Z系列试验的扳机都是“DP”裂变弹头,“DP”目前猜测是“dirty plutonium”的代号,意思是全钚扳机使用了钚240比例较高的裂变材料。

在1957年8月Grapple X试验装置的设计探讨时,AWRE讨论了通过取消级间填充材料来减轻氢弹重量的方法:直接用空气阱(air gap)来向次级输送能量。这个方案在Grapple Z系列中成功试爆。就美国方面对“厚辐射外壳三级弹”感兴趣这点来看,可能是其取消了填充材料;当然考虑到“三级弹”本身就是新构型,英方也可能是在两级氢弹旗杆上试验了空气阱传能。

1958年8月:“大团圆”(Nuclear reunion):

当英国谈判小组启程前往美国参加1958年8月27日开始的谈判时,他们的目标是尽可能地获取武器设计信息,特别是500-700lb(226-317kg)重量的百万吨当量弹头(实际上500-600bl百万吨当量弹头当时美国也没有掌握)、战术用途轻重量千吨级核武器、核武器安全相关技术的信息。

第一天:美方简要描述了3种百万吨级武器、4种千吨级武器的设计,解释了它们的用途;彭尼等人判定这些百万吨级武器并没有把英国人的理解拓展多少:预计在Grapple Z系列核试验成功之后可以掌握。但是在千吨级武器方面,美国人对裂变材料的使用效率较高。

第二天:双方在文件的基础上口头汇报核武器发展的现状,英方介绍了正在开发中的几种千吨级武器,还有“一吨重百万吨级”免疫热核弹头。“以个人的方式,”英国小组了解到了9种美国核武器的情况,包括3种百万吨级武器。英方交换的武器信息有“绿草(Green Grass,“过渡武器”当量500kt,结合了绿竹的72镜内爆系统与橘色先锋的裂变弹芯,70–86kgHEU,外部中子源)”、旗杆、两种助爆扳机(美方对气体助爆扳机很感兴趣)。

1958年8月31日:美方要求试爆厚辐射外壳三级弹版的旗索(Halliard),交换条件是向英国提供轻重量百万吨弹头的设计。

美国原子能委员会的报告总结8月会谈称:

1,向英方介绍了Mark7、Mark15/39、Mark19、Mark25、Mark27、Mark28、Mark31、Mark33、Mark34的当量、尺寸、重量、特别核材料、核武器安全措施、机电设计、易损性

2,英方介绍的武器设计中,有两种相当先进的[未公开内容,估计是“助爆”]小型裂变装置,一个已经试验,另一个即将试爆。

3,英方在裂变与热核领域的武器研发都已达到较先进的状态,某些领域的突破对我们也有很大帮助。但是,英方没有理解由其反应堆中燃耗较深的铀所产生的钚可以用在武器中。掌握这个知识对英方民用核电站计划有深远的影响。而且,他们并没有在武器一点安全方面投入什么研发资源...

9月17-19日,双方在桑迪亚实验室展开第二次交流。英方很欣赏Mark28的工程成就(加工生产设计用了2年时间);Mark47则被认为很“粗糙”,虽然其试验当量有400kt;美方千吨级武器的信息节省了英国一年的核试验,;美国有一个几乎跟“燕尾旗”气体助爆扳机一模一样的装置将在几天后进行核试验。英国考虑过很多美方的构想(如圆柱形内爆、两点起爆系统等),但因为没有足够的运算与加工能力,无果而终。美国氢弹的辐射外壳重量较轻,但是其内爆压缩程度较英国的高。美方的优势在于高度优化某一个设计,挖掘最大潜力。

关于球形次级:

库克发现美国氢弹用的是圆柱形次级,美方的解释是圆柱形次级比较便于计算。这让英方很吃惊。1956年下半年奥尔德玛斯顿讨论绿花岗岩的次级设计时,关于球形次级的思路确定很快,因为都认为圆柱形次级需要等到IBM 704到位(1957年年中)后才能开始计算。英国科学家认为虽然球形次级有缺陷,但为了节省运输能力,省去复杂的内爆计算,确定采用这个构型。1957年9月WDPC又讨论过圆柱形次级的构想,不到一个月又因为运算能力不足而取消。

Keith Roberts总结称:“美国双重炸弹跟我们的一样——汤姆->辐射内爆->迪克。但是他们的初级是免疫的,跟我们的不同,而他们的次级是圆柱形,不是球形...我们一直认为使用球形次级时,次级外表面时间/压力的微小差异是不重要的,也就没有尝试过去改进这点。但是使用圆柱形次级后,次级不同部分实际上是独立地被压缩...沿轴线精确计算压力时间曲线,允许差异存在,这是很重要的。”

爱德华泰勒认为采用圆柱形是很自然的选择:给定尺寸内,圆柱形可以装下更多的热核材料。泰勒还说利弗莫尔的Tuba设计就是使用了球形次级,跟英国的设计很相似。

首先区分 核弹 热核武器 原子弹 氢弹 之间的区别
标准的称呼应该是
核弹-纯裂变
热核武器-用聚变增强裂变的效率

专业称呼里是没有氢弹这么一说的,现在核武器基本都是热核武器,其实就是含有聚变反应的核武器。但是其主要的威力还是来自于裂变,聚变的能量释放在其中占有很少的比例。只有在某一时间段中开发过已聚变反应为主的核武器,聚变反应不产生强放射性物质,被称为“干净核弹”。是当时政府出于公共关系考虑的发展物,但是由于体积太大等原因不具备实战能力。

那为什么还是要加入聚变呢? 因为聚变能释放出大量的中子流而不吸收中子,可以提供高温高压提高裂变反应的效率。实际上早期的核武器只有很少一部分裂变材料发生了裂变大部分都在爆炸的膨胀中失去了临界状态。
小男孩大概是1.5%的铀,发生了反应
胖子大概是20%的钚,发生了反应
可以看到是非常低效的。

现在大家说的氢弹准确的说应该是聚变增强裂变弹。都是用裂变反应使得聚变材料达到临界值 几亿度的高温 加 巨大的压力,产生聚变反应,同时利用聚变反应的高能射线与高温高压触发一次高效的裂变反应。大大提高了核武器的威力。

于敏构型与T-U构型,都是分级构型 一个次级一个主要核心,其中的关键就是辐射内爆这个原理。有一种说法是于敏最主要的贡献就是在资料缺乏的情况下了解到了辐射内爆这个关键的原理。其实是前东德间谍从英国人那里获得情报后转交给钱三强,使得中国人以为氢弹只有球型而不知道还有柱型。


于敏构型没有公开资料,但是结构上与T-U构型肯定都属于分级构型。




提示: 本博文来自于 Military 版

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