如何實(shí)現(xiàn)核彈頭小型化

魏紹炎

核彈頭小型化，是指在同等威力前提下，使核彈頭重量更輕、體積更小。其有利于減少導(dǎo)彈起飛重量，提高導(dǎo)彈射程，增強(qiáng)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性，并在相同重量條件下配備更多突防裝置。因此，小型化是核彈頭的重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，是衡量核彈頭水平的重要標(biāo)志之一。

核彈頭小型化衡量指標(biāo)

在彈頭威力一定前提下的重量輕、體積小，意味著比威力較大。作為核彈頭效率的度量，比威力自然越大越好。多彈頭出現(xiàn)后，又引入了比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量的概念。

比威力通常情況下，比威力表示為武器的總威力除以總質(zhì)量。但從嚴(yán)格意義上講，核彈頭比威力應(yīng)為核彈頭的總威力除以裂變和（或）聚變裝料的總質(zhì)量。而由于裂變、聚變裝料的質(zhì)量比核彈頭的質(zhì)量小得多，故而嚴(yán)格計(jì)算的比威力比公開(kāi)文獻(xiàn)中引用的比威力要高得多。出于將核彈頭作為一個(gè)整體之考慮，文中所述比威力，均屬通常意義上的概念。

在核武器發(fā)展初期，核彈頭的比威力較小，如美國(guó)1945年轟炸廣島的鈾裂變彈“小男孩”重4 037千克，威力15千噸，比威力僅3.72噸/千克；投在長(zhǎng)崎的钚裂變彈“胖子”，威力21千噸，重4 672千克，比威力4.49噸/千克?！靶∧泻ⅰ焙汀芭肿印本鶠樵訌?。相對(duì)而言，原子彈威力較小，且威力提升空間有限。原因在于原子彈在設(shè)計(jì)中有一個(gè)極限點(diǎn)，超過(guò)這個(gè)極限點(diǎn)，即使增加裂變裝料用量，不僅威力不會(huì)增加，反而會(huì)使裂變裝料自發(fā)裂變的可能性變大，核彈頭安全性變差。MK18是美國(guó)曾經(jīng)制造的最大的純裂變彈，每枚彈裝57～91千克鈾235，威力50萬(wàn)噸。

氫彈的威力在理論上是沒(méi)有限制的，至少幾十萬(wàn)噸，取決于軍事需要和投擲工具的載荷能力。僅服役兩年即退役的MK17航彈是美軍部署過(guò)的威力最大的氫彈，當(dāng)量為1 500萬(wàn)～2 000萬(wàn)噸（進(jìn)入儲(chǔ)備的武器化型號(hào)有的威力達(dá)2 000萬(wàn)～2 500萬(wàn)噸）；蘇聯(lián)于1961年10月31日在新地島6 000米上空用圖-95飛機(jī)空投、爆炸了一顆當(dāng)量約為5 800萬(wàn)噸的氫彈。據(jù)悉，這次超級(jí)氫彈試驗(yàn)，最初的設(shè)計(jì)威力為億噸級(jí)，但考慮到投彈飛機(jī)的安全，只好減威力試驗(yàn)。因此，與原子彈相比，氫彈彈頭的比威力要高得多?，F(xiàn)代氫彈彈頭的比威力達(dá)到4.4千噸/千克，是“胖子”的近千倍。但總體而言，無(wú)論是大型氫彈還是小型氫彈，比威力都已接近設(shè)計(jì)極限。

比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量比威力這一指標(biāo)對(duì)于比較威力相當(dāng)、類(lèi)型相同的核彈頭，是基本合理的。但在衡量大威力單彈頭與較小威力多彈頭中的子彈頭的設(shè)計(jì)水平時(shí)，就不盡合理了。因?yàn)榇笸螐楊^設(shè)計(jì)比小威力子彈頭設(shè)計(jì)容易、簡(jiǎn)單得多。且從核爆炸沖擊波對(duì)面目標(biāo)破壞效果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，彈頭破壞效果與威力之間并非線(xiàn)性關(guān)系，而是與威力的三分之二次方成正比。威力百萬(wàn)噸數(shù)的三分之二次方稱(chēng)為等效百萬(wàn)噸當(dāng)量（EMT）。與此相對(duì)應(yīng)：比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量=EMT/W，W為彈頭重量，以千克為單位；EMT為以百萬(wàn)噸TNT當(dāng)量為計(jì)量單位的威力量值，是一個(gè)無(wú)量綱量。如一個(gè)威力為1 500萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的核彈頭，其威力百萬(wàn)噸數(shù)為15。

由于比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量解決了比威力指標(biāo)的不足，故而較比威力更能反映核彈頭的設(shè)計(jì)水平。譬如，美國(guó)歷史上部署過(guò)的威力最大的洲際彈道導(dǎo)彈彈頭W53/MK6，它是“大力神”2導(dǎo)彈彈頭。對(duì)彈道導(dǎo)彈彈頭而言，W是核戰(zhàn)斗部標(biāo)記，MK是核彈頭標(biāo)記。核彈頭在美國(guó)也稱(chēng)再入飛行器RV。W53/MK6于1962年底服役，威力9百萬(wàn)噸，重量2.95～3.18噸，比威力2.8～3千噸/千克；而于1986年4月完成首批產(chǎn)品的W87/MK21，即“和平衛(wèi)士”MX、“民兵”3導(dǎo)彈的彈頭，標(biāo)準(zhǔn)威力30萬(wàn)噸，可調(diào)至47.5萬(wàn)噸，重量0.194噸，比威力1.55千噸/千克（最高2.45千噸/千克），代表了當(dāng)今世界核彈頭的先進(jìn)水平。但若以比威力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，其反而比W53/MK6小1.25～1.45千噸/千克。而比較比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量，W53/MK6為1.36×10^-3～1.47×10^-3，W87/ MK21為2.31×10^-3（最高3.14×10^-3），后者較前者為優(yōu)。

核彈頭小型化實(shí)現(xiàn)途徑

核彈頭包括核戰(zhàn)斗部與彈頭殼體，有的彈頭還帶有制導(dǎo)、突防裝置，核戰(zhàn)斗部又包括核裝置、引爆控制系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)部件。從某種意義上講，核彈頭小型化要求各種部件都要尺寸小、重量輕。

采用分級(jí)內(nèi)爆設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)原理，核武器包括槍法原子彈、內(nèi)爆法原子彈、助爆型原子彈和分級(jí)內(nèi)爆氫彈四種。

槍法原子彈就像打槍一樣，將一塊處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料射向另一塊也處于次臨界狀態(tài)的裂變裝料，使之迅速拼合超過(guò)臨界質(zhì)量而產(chǎn)生核爆炸。槍法原子彈雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但也有不易克服的弱點(diǎn)：一是被推動(dòng)的裂變裝料需一段加速距離，使武器必須做得較長(zhǎng)；二是裂變裝料未經(jīng)壓縮，利用率很低，如“小男孩”用了64千克鈾235，爆炸威力僅15千噸，裂變裝料利用率約為1.2%；三是裂變裝料合攏時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)早點(diǎn)火問(wèn)題較為嚴(yán)重，而過(guò)早點(diǎn)火可能導(dǎo)致武器威力更低。所有這些，都不利于核彈頭小型化。

內(nèi)爆法原子彈通過(guò)猛炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓實(shí)現(xiàn)裂變裝料的壓縮并達(dá)到臨界而產(chǎn)生核爆。裂變裝料被壓縮后密度增加，體積縮小，燃燒效率比“槍法”提高幾倍。如“胖子”僅用了6.2千克钚，爆炸威力21千噸，裂變裝料利用率為20%，約為“小男孩”的16倍。但內(nèi)爆法所需的龐大炸藥系統(tǒng)使得核彈頭十分笨重，如“胖子”的炸藥內(nèi)爆系統(tǒng)厚47厘米，外半徑70厘米，內(nèi)半徑23厘米，重量2 500千克左右。而若減少炸藥用量，卻又難以達(dá)到理想的壓縮效果，影響裂變裝料的利用率，進(jìn)而降低彈頭威力。

助爆型原子彈也稱(chēng)加強(qiáng)型原子彈，其基本結(jié)構(gòu)與內(nèi)爆法原子彈相同，只是在裂變裝料的中心加了氘氚或氘化鋰等聚變材料。這些材料在裂變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓下發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放大量高能中子。由于聚變中子平均能量為裂變中子的7倍左右，可使更多的原子核發(fā)生裂變反應(yīng)，故而增加了裂變裝料的利用率，增加了裂變威力。在助爆型原子彈中雖也發(fā)生聚變反應(yīng)，但發(fā)生聚變反應(yīng)的材料非常少，其所釋放能量只占總能量的一小部分。譬如威力約10千噸的助爆型原子彈，如果有1.5克氚與氘完全反應(yīng)，則聚變反應(yīng)放能僅200噸，占總能量的2%，98%仍為裂變能量。助爆型原子彈大大提高了裂變裝料的利用率，增加了爆炸威力，有利于核彈頭的小型化。助爆型原子彈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以很容易地通過(guò)改變氘化鋰的裝填量或氘氚的含量來(lái)調(diào)節(jié)爆炸威力。

分級(jí)內(nèi)爆氫彈由初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成，有的還有第三級(jí)（一般只用于數(shù)百萬(wàn)噸以上核彈）。初級(jí)通常由助爆型原子彈充當(dāng)；次級(jí)不僅有聚變裝料如氘、氘化鋰等，而且在外面包覆裂變材料鈾238、鈾235或非裂變重金屬；第三級(jí)也為聚變級(jí)。在聚變裝料中間還加了一個(gè)稱(chēng)為“火花塞”的易裂變部件?！盎鸹ㄈ睂?shí)際上是高濃度鈾棒或钚棒，其作用是對(duì)壓縮以后的聚變裝料點(diǎn)火?；具^(guò)程是：由初級(jí)爆炸產(chǎn)生的X射線(xiàn)形成一個(gè)具有固體鉛密度的、過(guò)熱的、帶靜電荷的等離子體，等離子體壓縮聚變裝料和“火花塞”；“火花塞”在初級(jí)裂變中子的照射下發(fā)生裂變反應(yīng)，加熱壓縮后的聚變裝料并放出中子；在高溫高壓環(huán)境下，聚變裝料如氘化鋰-6等，吸收中子變成氚，氘、氚發(fā)生聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的中子再轟擊鋰核，促使鋰核裂變產(chǎn)生新的氚核，新的氚核繼續(xù)參與氘、氚聚變反應(yīng)，產(chǎn)生新的中子，形成聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放巨大能量和高能中子；與此同時(shí)，由聚變產(chǎn)生的高能中子又去轟擊次級(jí)的裂變材料使之發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生更多能量。分級(jí)內(nèi)爆氫彈在四種設(shè)計(jì)原理中雖最復(fù)雜，但在給定尺寸下，其釋放能量比另三種大得多，比威力、比等效百萬(wàn)噸數(shù)自然也高得多。

初級(jí)小型化一般而言，低威力氫彈使用一個(gè)小的初級(jí)即可，但對(duì)大威力核彈頭而言，為了充分壓縮次級(jí)聚變裝料，就需采用大的初級(jí)。分級(jí)內(nèi)爆氫彈的小型化，關(guān)鍵是初級(jí)的小型化。主要采用以下兩種方法。

一是提高猛炸藥能量密度。由于隨后的聚變、裂變反應(yīng)都始于初級(jí)裂變中猛炸藥的爆轟，故而在多級(jí)熱核武器中，每一級(jí)的威力直接依賴(lài)于前一級(jí)的“燃燒”情況。假如初級(jí)裂變裝料未被適當(dāng)壓縮，則不僅裂變爆炸達(dá)不到預(yù)期威力，后面的聚變級(jí)也將低于設(shè)計(jì)（或需要）的威力甚至導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。另一方面，猛炸藥在所有核彈頭中都是較重的部件之一，要減小初級(jí)的體積就要減少猛炸藥用量，但猛炸藥用量的減少卻會(huì)影響裂變材料芯的壓縮度，降低裂變材料的利用率和彈頭威力。故而在猛炸藥澆注、成型質(zhì)量，起爆點(diǎn)數(shù)量，形狀等相同的情況下，能量密度越高，在同等壓縮度的前提下猛炸藥用量就越少?！靶∧泻ⅰ?、“胖子”使用的復(fù)合B型炸藥是一種高能炸藥，其爆轟速度為6 640米/秒，能量密度 1.56克/毫升，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)TNT（三硝基甲苯）。20世紀(jì)50年代和60年代初，美國(guó)研制成功DATB（二氨基三硝基苯）、TATB（三氨基三硝基苯，鈍感高能炸藥，性質(zhì)穩(wěn)定，可在30年內(nèi)不發(fā)生化學(xué)變化）合成炸藥并成功用于核彈頭中。DATB、TATB的爆轟速度、能量密度分別為7 520米/秒、1.79克/毫升和7 900米/秒、1.9克/毫升，均較TNT有較大幅度的提升。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，核彈頭猛炸藥用量從初期的數(shù)百千克、上千千克減至現(xiàn)代核彈頭的7～18千克。

二是發(fā)展助爆型初級(jí)。這是實(shí)現(xiàn)初級(jí)小型化的關(guān)鍵。用裂變威力引發(fā)聚變反應(yīng)，由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子再引發(fā)第二次裂變，形成裂變——聚變——裂變的反應(yīng)過(guò)程。由于這種設(shè)計(jì)可用較低的裂變威力引發(fā)聚變反應(yīng)，故而可減少炸藥用量，縮小武器體積，對(duì)武器小型化意義重大。不過(guò)，客觀而論，盡管助爆型初級(jí)在核彈頭中已得到普遍采用，但人們對(duì)助爆物理過(guò)程的了解卻并非十分清楚，在設(shè)計(jì)中仍然含有經(jīng)驗(yàn)的成分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)歷史上曾設(shè)計(jì)過(guò)91種不同類(lèi)型核彈頭，其中63種進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)部署。在所有這些彈頭中，曾有15種出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重問(wèn)題。這些問(wèn)題無(wú)一例外地都發(fā)生在助爆型初級(jí)上。目前庫(kù)存核武器出問(wèn)題最多的和禁核試后核科學(xué)家最擔(dān)心出問(wèn)題的也都是助爆型初級(jí)。

次級(jí)小型化氫彈次級(jí)，也稱(chēng)氫彈主體，是氫彈爆炸威力和殺傷破壞效應(yīng)的主要來(lái)源。其小型化主要是比威力、比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量與重量尺寸的權(quán)衡問(wèn)題。次級(jí)由裂變材料（鈾或钚）和聚變材料（氘化鋰）組成。鈾、钚與氘化鋰的密度相差懸殊，同體積的鈾、钚比氘化鋰重約24倍。研究表明，1千克鈾235、钚239完全燃燒時(shí)釋放能量相當(dāng)于1.7～2萬(wàn)噸TNT炸藥的爆炸能量，而1千克氘化鋰-6釋放的能量可達(dá)4～5萬(wàn)噸TNT當(dāng)量，后者為前者的2～3倍。換言之，對(duì)于一個(gè)裂變與聚變能量各占一半的次級(jí)，所用聚變材料的體積大約是裂變材料的8～12倍，重量大約是裂變材料的1/3～1/ 2?？梢?jiàn)，要減少體積，就要多用裂變材料，相應(yīng)地增大了威力的裂變份額；要減輕重量，就要少用裂變材料，相應(yīng)地增大了威力的聚變份額。因此，次級(jí)小型化的設(shè)計(jì)，要在提高比威力、比等效百萬(wàn)噸當(dāng)量的前提下，對(duì)核彈頭的威力、尺寸、重量等統(tǒng)籌考慮，科學(xué)取舍。

核彈頭小型化面臨制約

早期研制的核彈頭為保證成功實(shí)現(xiàn)爆炸，在設(shè)計(jì)時(shí)一般留有較大的保險(xiǎn)系數(shù)，相應(yīng)地，彈頭也做得比較笨重、龐大。而小型化的要求，卻不允許在設(shè)計(jì)時(shí)留太多的余量，這就要冒失敗的風(fēng)險(xiǎn)。目前核彈頭設(shè)計(jì)已經(jīng)接近這種失敗的邊緣。進(jìn)一步的小型化，除了繼續(xù)一點(diǎn)點(diǎn)地向邊緣逼近外，還必須做一定數(shù)量的核試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1945～1992年美國(guó)共進(jìn)行了1 030次核試驗(yàn)，另與英國(guó)聯(lián)合進(jìn)行了24次核試驗(yàn)；同期蘇聯(lián)/俄羅斯進(jìn)行了715次核試驗(yàn)。這也是美國(guó)、蘇/俄核彈頭小型化水平較高的原因之一。

與此相對(duì)應(yīng)，在5個(gè)核大國(guó)中，中國(guó)突破氫彈所用時(shí)間最短，僅兩年多，但掌握氫彈小型化技術(shù)卻是最晚的。究其原因，一個(gè)很重要的方面是由于受經(jīng)濟(jì)條件的限制，核試驗(yàn)次數(shù)太少，與英國(guó)并列倒數(shù)第一，但英國(guó)核彈頭小型化得到美國(guó)的大量幫助，目前英國(guó)的核彈頭仍由美國(guó)設(shè)計(jì)，部分材料從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)。

有專(zhuān)家指出，核彈頭發(fā)展雖已歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，但其設(shè)計(jì)仍是一門(mén)經(jīng)驗(yàn)科學(xué)。并且盡管《全面禁止核試驗(yàn)條約》尚未生效，但簽署國(guó)實(shí)際上都遵守著條約規(guī)定。因此，在沒(méi)有核試驗(yàn)的情況下，核彈頭小型化依然任重道遠(yuǎn)。