核武器的基本原理

關(guān)于核武器的基本原理第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月核聚變能量的釋放第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)核武器的基本原理與特點

核武器指爆炸性核反應釋放出的巨大能量對目標造成殺傷破壞作用的武器。

條件：自持快速核裂變或聚變

1千克鈾=2萬噸TNT炸藥爆炸時放出的能量分類：

按作戰(zhàn)任務使用范圍可分為：戰(zhàn)略核武器、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)核武器；

按當量大小可分為：

千萬噸級、百萬噸級、十萬噸級、萬噸級、千噸級和百噸級第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、裂變性原子彈（第一代鈾彈和钚彈）第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月原子彈結(jié)構(gòu)第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）鏈式裂變反應

在核物理學上把能自持進行的原子裂變反應叫鏈式反應。實現(xiàn)自持核反應，必須用裂變核釋放出的中子去轟擊其它重核引起裂變，新的裂變又釋放出新的中子，新的中子又去轟擊其它重核引起裂變，依此不斷進行。如235鈾的核吸收一個中子后發(fā)生裂變，平均能放出2.56個中子，239钚平均能放出2.9～3.0個中子。由于核裂變所產(chǎn)生中子的能量范圍很寬，如果僅靠俘獲快中子時才能裂變的原子核，通常不能實現(xiàn)自持鏈式反應。原子彈全都采用235鈾和239钚（易裂變核素），或者使用它們的某種組合。第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鈾自然界的鈾主要組成：

238鈾（約占99.3%）

235鈾（約占0.7%）理論上，235鈾的濃度在6%～10%才能制成鈾彈。也就是必須把天然鈾礦經(jīng)篩選、粉碎、酸性浸析成礦漿、提煉獲取鈾的氧化物、進一步處理變成四氟化鈾或六氟化鈾，隨后進行鈾的濃縮。

第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-1重核裂變的鏈式反應示意圖分裂后的新原子核（碎片）分裂前的重原子核中子第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

濃縮鈾的氣體擴散，通過泵使六氟化鈾氣體撞擊上面設有數(shù)百萬個小孔的障礙物，小孔的直徑約在1%微米大小，由于235鈾和238鈾原子質(zhì)量有輕微不同，含有235鈾原子的分子比含有238鈾的分子以稍微大一點的速率滲出，最終的產(chǎn)品是武器級鈾，濃縮鈾技術(shù)是核武器的關(guān)鍵。目前各國使用的核武器的235鈾濃度為93.5%。

第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月233鈾也能鏈式裂變，用反應堆來生產(chǎn)，其制備過程如下：232釷+中子→233釷→233鏷+β-→233鈾+β-第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月2.钚

自然界中钚的蘊藏量極少，只能用中子轟擊238鈾而得到239钚。因此反應堆也是生產(chǎn)核武器裝料239钚的一種途徑。理論上，239钚含量為6%～10%就可以用來制造原子彈。目前各國使用的核彈頭239钚純度約為93.5%。

第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月238鈾+高速高能中子→239鈾→239镎+β-→239钚+β-

239钚比235鈾要貴，但239钚裂變彈可獲得較高的當量，使武器重量更輕、體積更小，如果使用運載工具發(fā)射核彈頭，239钚彈重量輕運載更方便。

第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月快中子堆第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）臨界質(zhì)量能為維持鏈式反應所需要的裂變材料的最小質(zhì)量稱為臨界質(zhì)量。核裝料的存放必須小于臨界質(zhì)量，相隔一定的距離已至于不會發(fā)生意外爆炸事故。

球形的體積與表面積的比值最大，從單位球形裂變材料中逃逸出來的中子數(shù)最少，因此球形是臨界質(zhì)量最小的一種形狀。如采用裸球，235鈾和239钚的臨界質(zhì)量分別為52千克和10千克（235鈾的密度小于239钚）。

第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月原子彈研制及投向日本第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、聚變性原子彈（第二代氫彈）

用氫的同位素氘、氚等輕原子的聚變反應，在聚變反應瞬時釋放出巨大能量而制造出的核武器，又稱為聚變彈、熱核彈、氫彈，即為第二代核武器。第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月氫彈示意圖第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）聚變反應核聚變反應指在1400萬到1億度的絕對溫度下，原子核發(fā)生碰撞而發(fā)生核反應。這種將物質(zhì)加熱至特高溫度所發(fā)生的聚變反應也叫做熱核反應。第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）熱核材料只能在輕元素的原子核之間發(fā)生，如氫的同位素氘和氚，氘采用常溫下是固態(tài)化合物的氘化鋰，而氚則由核武器進行聚變反應過程中由中子轟擊鋰的同位素而產(chǎn)生。

LiD+高溫→4He+放出巨大能量中子（n）+6Li→ 3H+4He+α第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

核彈頭一般指核武器本身，廣島和長崎都是用飛機運送而投放的，實際上需要現(xiàn)代化的運送載體，比如導彈、火箭和航天運送技術(shù)，將核武器看作為飛行武器的彈頭稱為核彈頭。

第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月“小男孩”廣島第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、中子彈

中子彈又稱弱沖擊波強輻射彈。它在爆炸時能放出大量致人于死地的中子，并使沖擊波等的作用大大縮小。中子彈的特點是只殺傷人員等有生目標，而不摧毀如建筑物、技術(shù)裝備等設備，“對人不對物”。中子是構(gòu)成物質(zhì)原子核的基本粒子之一，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同。中子不帶電，從原子核分裂出來的中子很容易進入原子核，人們利用中子的這個特性，用它轟擊原子核來引出核子反應。這就是中子彈。中子彈在爆炸釋放大量的高能中子，是以高能中子輻射為主要殺傷的小型氫彈。第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）中子彈的核反應原理中子彈的原理是：利用輕元素的原子核之間（如氫的同位素氘和氚）的核聚變反應產(chǎn)生大量高能中子。其反應式為：

氘＋氚（高溫）→４氦＋中子＋１７．６兆電子伏

第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）中子彈的特點中子彈具有和輻射、沖擊波、光輻射等殺傷力，但主要是靠中子的輻射起到殺傷作用，它可以在有效的范圍內(nèi)殺傷坦克、裝甲車輛或建筑內(nèi)的人員。如果有一枚千噸級當量的中子彈在戰(zhàn)場上爆炸，那么800米范圍內(nèi)的人員會被殺傷，被殺傷的人員并不是馬上死去，而是慢慢地非常痛苦的死去，受傷者最長可以拖過7天的時間。在中子彈爆炸的300米范圍之外的建筑和設施，可以毫發(fā)不損，可是建筑物中的人員卻不能幸免于難。中子彈的這種特性，很適合在戰(zhàn)場上作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月特點是：1、當釋放的能量相同時，放出的中子數(shù)量要多得多；2、中子的相對生物學效應與γ射線相比要高出3~10倍，殺傷性比光子強5~20倍；3、有極強的輻射穿透力；4、爆炸時不產(chǎn)生放射性物質(zhì)。

第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

缺點：

中子彈穿透力強，但對付不了地道。1.5米厚的土層就能頂住中子彈的輻射，25厘米厚混凝土或30厘米厚的濕土就能阻止90%的中子，50厘米厚的混凝土或76厘米厚的濕土就可阻止99%的中子。中子彈爆炸后半小時輻射就消失，人員暫時轉(zhuǎn)入地道等隱蔽物即可有效防止中子彈的傷害。

第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月中子彈可以對付坦克，能穿透30厘米厚的裝甲第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）實戰(zhàn)型中子彈的設計中子彈設計需要高技術(shù)1.聚變材料（又稱聚變?nèi)剂希?.引爆裝置3.小型化4.結(jié)構(gòu)設計5.核素的半衰期第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、核武器的當量可調(diào)性

1945年7月新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”試驗場內(nèi)的一個30米高的鐵塔上試爆了世界上第一個核爆炸裝置，它的代號叫“大男孩”，屬于钚彈，钚裝藥約重6.1千克，當量為2.2±0.2萬噸。钚裝藥大小與柚子差不多，核武器的當量大小往往是可以調(diào)節(jié)的，改變鏈式反應的引發(fā)時間、改變中子源狀態(tài)或變換彈芯，就能改變當量。控制氚的用量或更換彈芯，即可改變當量。

1945年8月“小男孩”廣島上空、60千克濃縮235鈾，重約4噸，當量1.2～1.5萬噸（有報道1.25萬噸）。

1945年8月長崎“胖子”，重約4.9噸，長3.6米，當量2.2±0.2萬噸，钚裝藥約6.1千克。

第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代化核彈及生物原子彈

現(xiàn)代核武器的特點集中在以下幾個方面：1、威力巨大，但是其附帶殺傷效應較小2、殺傷手段和殺傷破壞目標更為單一沖擊波或是電磁脈沖或是其他的殺傷破壞因素，來攻擊特定的目標或設備，令使用者在使用核武器攻擊時有更大的選擇余地，也更加靈活。3、研究手段中高科技含量非常高由于有全面禁止核試驗條約的限制，必須有超級計算機進行模擬核試驗等；大型粒子加速器、離子對撞機和慣性約束核聚變裝置等先進的研究設備。第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前一些核大國正在加緊研制能增強或減弱某種殺傷破壞因素的各種特殊性能的核武器，如感生輻射彈、電磁脈沖彈等。一、核爆激勵定向能武器以核能作為動力源的定向能武器，屬于第三代核武器，這類武器利用核彈或核反應堆所釋放的巨大能量，激勵或驅(qū)動產(chǎn)生高能的激光束、粒子束、電磁脈沖、等離子體等，并將其定向發(fā)射，因而可以有選擇地攻擊目標，能量也更為集中，具有可控的特殊殺傷破壞功能。美國軍方設想以地球同步軌道衛(wèi)星作為運載平臺，將其部署在外層空間。

第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

俄羅斯的科學家則對等離子體武器情有獨鐘，提出利用高密度的等離子云團，攔截飛行中的導彈、飛機等飛行器。其作戰(zhàn)原理是：利用核反應堆發(fā)出的巨大能量，產(chǎn)生高頻電磁波并將其聚焦于大氣層中的某一處，在聚焦處生成一個高密度和高電離度的等離子云團。一旦導彈或飛機等飛行器進入這一等離子云團，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使飛行器頃刻之間粉身碎骨。第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻電磁波飛行器頃刻之間粉身碎骨第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于電磁波束以光速傳播，再加上這種等離子武器集目標搜索、指揮控制和實施攻擊于一身，簡化了攻擊程序，反應速度奇快?？稍谒查g攻擊多個空中目標。核爆激勵定向能武器目前研制主要在以下幾個類型：

1.電磁脈沖彈：利用核爆炸能量來加速核電磁脈沖效應的一種核彈。可燒毀電子設備，可以造成大范圍的指揮、控制、通信系統(tǒng)癱瘓。

2.伽瑪射線彈：造成放射性沾染，迫使敵人離開。所以它比氫彈、中子彈更高級，更有威懾力。

3.感生輻射彈：是一種加強放射性沾染的核武器，利用中子產(chǎn)生感生放射性物質(zhì)，造成放射性沾染，達到阻礙敵軍和殺傷敵軍的目的。第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月4.沖擊波彈：是一種小型氫彈，采用慢化吸收中子技術(shù)，減少了中子活化削弱輻射的作用，其爆炸后，部隊可迅速進入爆炸區(qū)投入戰(zhàn)斗。

5.三相彈：用中心的原子彈和外部238鈾反射層共同激發(fā)中間的熱核材料聚變，以得到大于氫彈的效力。二、無剩余核輻射的武器屬第四代核武器，也就是能夠在使用中不產(chǎn)生剩余的核輻射，使用后沒有放射性沾染等核污染，可視作“常規(guī)武器”的核武器。第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）同質(zhì)異能素武器核同質(zhì)異能素的特點是處于亞穩(wěn)態(tài)的核素蘊含著極大的能量，其核裂變的反應能量是一般高能炸藥能量的幾千萬倍。目前核同質(zhì)異能素武器尚處于理論研究階段，研究工作主要集中在研究核同質(zhì)異能素的特性，以及在核裂變反應中，如何控制其能量的釋放等。主要是通過重離子碰撞或慣性約束聚變中產(chǎn)生的中子脈沖來合成。

第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）反物質(zhì)武器在這個世界上還存在有一種完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，也就是反物質(zhì)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，極少量的物質(zhì)同它的反物質(zhì)相互作用，能夠釋放出極大的能量。幾微克的反物質(zhì)放出的能量，就可作為熱核反應的扳機，或者可以激勵出很強的X射線或γ射線激光，因此反物質(zhì)在軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應用前景，成為目前各國研究的重點，令各個核大國倍加重視，那就是研制反物質(zhì)武器。第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、生物原子彈—基因工程生物武器利用生物技術(shù)可以制造出某種可能徹底毀滅人類的新型生物武器——基因武器，基因武器的出現(xiàn)向全世界敲響了警鐘：人類將面臨新的生物戰(zhàn)和生物恐怖的威脅。第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）基因武器的基本原理基因是生物細胞核內(nèi)起遺傳作用的物質(zhì)，其化學組成是DNA，基因具有遺傳性和變異性，遺傳性決定著生物的“子代同于親代”的特征，即所謂“種瓜得瓜，種豆得豆”；而變異性則決定著“子代不完全同于親代”的特征，使世界多姿多彩、變化無窮，物種多達200萬以上，而且還在繼續(xù)進化。第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因武器是一種按照軍事需要而設計的具有殺滅、攻擊、失能特殊功效的新型生物武器?；蛭淦饔袃纱笙盗校阂环N是利用基因工程技術(shù)，創(chuàng)造出具有新特性的致病微生物及其毒素制劑去破壞人的免疫系統(tǒng)；另一種是針對某一人群或動、植物的基因密碼特征，去殺傷特定種族（或培養(yǎng)出恐怖動物）。第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月1.重組DNA微生物目前設計上有以下幾個方向。（1）改變生物戰(zhàn)劑抗原性用基因工程技術(shù)將天花病毒與一種最新發(fā)現(xiàn)、致死性極高的“埃博拉”病毒結(jié)合在一起，生成了一種名為“天花-埃博拉病毒復合體”的基因武器。據(jù)稱，它既有天花的高度傳染性，又有“埃博拉”的嚴重內(nèi)出血致命性，即使接種了疫苗也無濟于事，威力相當驚人。

a在大腸桿菌中接入炭疽毒素基因的工作。

b在大腸桿菌接入鼠疫桿菌基因的工作。

第48頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-5新型“埃博拉”病毒

如果將埃博拉病毒、馬爾堡病毒、艾滋病毒、炭疽桿菌、鼠疫桿菌、霍亂弧菌，甚至流感病毒等都制作成基因武器，這些“生物原子彈”足以毀滅全人類。第49頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）增強生物戰(zhàn)劑抗藥性生物戰(zhàn)劑抗藥性增強通過把多種抗藥性基因拼接起來，克隆到一種目的菌中，使其具有廣譜抗藥性，就將使藥物治療變得無能為力。如果將這些抗藥性或抗疫苗基因轉(zhuǎn)移或拼接到經(jīng)典生物戰(zhàn)劑中，培養(yǎng)出抗藥物、抗疫苗的新菌株，一旦將這種生物戰(zhàn)劑投入戰(zhàn)場，將無可救藥。據(jù)悉，美國早就篩選出了抗鏈霉素的土拉桿菌和鼠疫桿菌新菌株，也完成了抗四環(huán)素和抗青霉素菌株的研究工作。德國軍方正在研究耐受抗生素的大腸桿菌、霍亂、鼠疫等病原體。前蘇聯(lián)利用基因工程技術(shù)也完成了多種病毒外層蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改構(gòu)工作，可以使有效疫苗喪失保護功能，使原來有特異性的診、檢、消、防、治等方法全部失效。

第50頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）生物毒素武器

毒素的需用量一般較少，只需簡單的設備、簡潔的方法，幾周內(nèi)所生產(chǎn)的炭疽毒素、肉毒毒素就足以毀滅十幾座大城市。特別是把2種或2種以上的毒素基因融合到一個菌體中，制造出用于軍事目的的毒素戰(zhàn)劑，就會對當今和未來的生物戰(zhàn)帶來更大的威脅和挑戰(zhàn)。據(jù)報道，美國已將肉毒毒素基因拼接到大腸桿菌中，使普通細菌變成一種毒性極大的新型生物戰(zhàn)劑。前蘇聯(lián)也已成功的將眼鏡蛇毒素基因與流感病毒基因拼接，創(chuàng)造出一種新型生物戰(zhàn)劑，它能使人群出現(xiàn)流感癥狀，同時又出現(xiàn)蛇毒中毒癥狀，導致患者癱瘓和死亡。第51頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）利用基因工程方法可以合成病毒研制殺傷預定種族對象的基因武器，有選擇地攻擊具有特定種族基因的目標?！爸粚硨ΨN族具有殘酷殺傷力，而對已方毫無影響”的新型生物武器稱為“種族武器”。

“1998年西方媒體爆出驚人內(nèi)幕——以色列軍方已研制出一種專門對付阿拉伯人的“種族武器”。研究人員首先確認了阿拉伯人的獨有基因，又發(fā)現(xiàn)了一種含有特殊基因的細菌，利用這種細菌的特有功能，可以攻擊并改變阿拉伯人細胞內(nèi)的DNA，進而達到消滅阿拉伯人的目的。據(jù)說這種“人種炸彈”能識別阿拉伯人和猶太人的基因，而且只對阿拉伯人具有殺傷”第52頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

“識別不同種族基因、性別基因、血型基因等多種類型的“人種炸彈”。最近以色列又宣稱，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了阿拉伯人特別是伊拉克人的基因結(jié)構(gòu)，并研制完成了對付伊拉克人的“人種炸彈”，找到了對付薩達姆的有效辦法?！?/p>

2.轉(zhuǎn)基因動物生物武器把一段已破譯的目的基因轉(zhuǎn)移到同類動物體內(nèi)，繁殖的后代稱為轉(zhuǎn)基因動物。第53頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月

曾有科學家設想從琥珀中一只蚊子的嘴角里發(fā)現(xiàn)了恐龍的DNA基因，再用青蛙的DNA補起殘缺部分，結(jié)果復活了許多真恐龍，釀成一場災難。可怕的設計：？？？轉(zhuǎn)基因昆