國外典型核武器內(nèi)部氫氣氣氛分析

朱 敏，周洪慶，黃 桂

（海軍航空工程學院七系，山東煙臺264001）

國外典型核武器內(nèi)部氫氣氣氛分析

朱 敏，周洪慶，黃 桂

（海軍航空工程學院七系，山東煙臺264001）

核武器密閉空間內(nèi)部氣氛中的氫氣對鈾材料、钚材料可靠性有長期的影響，將會引起嚴重的腐蝕失效，導致武器裝備戰(zhàn)技指標下降，同時也給核武器本身的安全性也帶來了隱患。以基于理論模型的假想核武器為研究對象，經(jīng)分析表明，核武器內(nèi)部氫氣主要來源于鈾材料與外界滲漏氣體的反應(yīng)，以及有機材料的老化，這些氣體在熱應(yīng)力條件下擴散到核武器密閉空間內(nèi)部。國外有核國家目前主要采用研制生產(chǎn)時改進加工工藝，控制初始狀態(tài)；交付后，在核武器內(nèi)部放置干燥劑、吸氫劑2種措施相結(jié)合的方法控制核武器內(nèi)部的氫氣濃度，這些做法對我國武器裝備的發(fā)展都有一定的借鑒意義。

假想核武器；內(nèi)部空間；氫氣氣氛；危害控制

核武器是由許多種不同材料組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)，這些材料（如核材料、高能炸藥、非金屬核材料、有機高分子材料等）在密封于武器內(nèi)部時，由于自身熱力學不穩(wěn)定以及各種環(huán)境因素的影響（如溫度、濕度、氣氛、應(yīng)力、輻照等），從而引發(fā)物理、化學反應(yīng)，進而影響核武器的綜合性能，這是美國等有核國家武器庫存研究中所面臨的重大課題[1]。

核武器中的一些材料在老化時會產(chǎn)生或消耗各種氣體，外部環(huán)境也會滲透、泄漏進氣體，這些氣體在某種程度上反映了武器老化的動力學行為。有些氣體會對核武器產(chǎn)生不利影響。美國等有核國家在研究武器材料老化和核武器庫存狀態(tài)時都與武器內(nèi)部氣氛研究緊密相聯(lián)[2]，而且在監(jiān)測與診斷中通過各種方法對武器內(nèi)部氣氛進行采樣、分析、計算、評估、控制等。通過綜合調(diào)研和分析，針對武器內(nèi)部氣氛的研究主要包括4個方面的內(nèi)容：①氣氛的來源與消耗研究，主要針對武器內(nèi)部氣體的產(chǎn)生，分析氣氛的含量、危害等；②氣氛控制研究，針對武器內(nèi)部氣氛的來源、危害程度進行控制研究；③氣氛的動態(tài)平衡，通過氣氛的擴散、滲透等計算，確定內(nèi)部的動態(tài)平衡狀態(tài)；④氣氛的監(jiān)測與評估，針對武器內(nèi)部氣氛監(jiān)測識別判斷武器性能下降的原因。

在核武器內(nèi)部的各種氣體中，氫氣分子結(jié)構(gòu)小，滲透能力強[3-4]。在工程應(yīng)用中，氫是金屬腐蝕的伴隨產(chǎn)物，金屬氫脆研究理論告訴我們，氫氣的存在又會對某些材料的性能產(chǎn)生一定的影響[5-6]，針對貯存過程中武器內(nèi)部氫氣氣氛開展研究，有助于了解武器狀態(tài)從而對武器進行相應(yīng)的評估和診斷。一般認為核武器內(nèi)部氫氣濃度在微量氣體濃度范圍內(nèi)，但核武器長期貯存過程中，內(nèi)部微量氫氣造成的影響還有待考量。國內(nèi)針對武器內(nèi)部氣氛的相關(guān)研究起步較晚，特別是在核武器庫存氣氛監(jiān)測方面還有待研究。本文以基于理論模型的典型核武器為研究對象，主要從金屬材料的腐蝕和有機材料的老化兩方面定性分析核武器內(nèi)部氫氣氣氛的產(chǎn)生、消耗和危害等問題。

1 國外典型核武器結(jié)構(gòu)

核武器的結(jié)構(gòu)參數(shù)細節(jié)是各有核國家的核心機密，武器的重量可以是50kg到數(shù)千公斤，直徑可以從20cm到超過幾米，爆炸當量范圍從1 kT到幾千萬噸TNT當量[7]。核武器自誕生以來在小型化、命中精度、可靠性、突防能力等方面取得了顯著的進步[8]，但核武器裂變彈芯在原理上沒有革命性的改進且基本并不復(fù)雜，一般特征在公開文獻中可以找到[9-10]，圖1描述了國外典型核武器的理論模型[11-12]。

典型核武器模型可以用一系列同心的球殼表述。中心為一空心球，被武器級鈾和武器級钚圍，由內(nèi)往外依次為鈹反射層、貧化鈾或鎢反射層、高能炸藥層和鋁。當今己知的核武器絕大部分是用武器級鈾和武器級钚作裂變彈芯，各國所用裂變材料的細致成分尚未公開，但其中主要的材料成分是已知的。核材料中不同核素的質(zhì)量分數(shù)對武器性能有顯著影響，對于钚材料239Pu同位素含量越高、240Pu同位素含量越低的分離钚越適合作為核武器的原料[13]，同時武器級核材料提純的難度極大，因此武器級核材料的成分基本確定。國外用在核武器中的各種核材料的主要成分見表1。

表1 國外典型武器級核材料的組成Tab.1 Composition of typical weapon grade nuclear material abroad

2 核武器內(nèi)部氫氣氣氛來源分析

核武器內(nèi)部氫氣的來源主要包括：

鈾材料腐蝕反應(yīng)。核武器內(nèi)部的核材料包括鈾、钚材料，钚材料通常位于內(nèi)部，發(fā)生腐蝕反應(yīng)的可能性較小，核材料的腐蝕反應(yīng)主要發(fā)生在鈾材料[14]。

有機材料老化、輻照分解?，F(xiàn)代核武器內(nèi)部存在高能炸藥、結(jié)構(gòu)用高分子材料等，老化和分解過程中伴隨氣體的產(chǎn)生。

其他來源。武器系統(tǒng)本身所包含的氣體，包括各種材料所吸附的氣體、裝置換氣工藝所帶入的氣體，以及外部環(huán)境所滲透、泄露的氣體。

2.1 鈾材料腐蝕反應(yīng)相關(guān)的氣體

核武器中所用的特材主要有：鈾、钚和鈹?shù)炔牧?。它們所進行的腐蝕反應(yīng)主要與H2、O2、H2O等氣體相關(guān)。因此，有必要了解反應(yīng)過程以弄清氣體參與反應(yīng)的情況。

鈹在室溫條件下可在表面形成保護性的氧化層，抗純水腐蝕，在核武器貯存條件下產(chǎn)生氫的可能性極?。活性谖淦髦惺桥c外界接觸極少，相對于鈾而言腐蝕程度要輕很多。在此，不考慮特材鈹和钚在貯存過程中析出氫氣的反應(yīng)。

鈾的化學活性極強，在大氣中放置很短的時間就會在其表面產(chǎn)生氧化[15]，易受到環(huán)境介質(zhì)中氧、水蒸氣及其它腐蝕性氣體的侵蝕而變質(zhì)[16-17]，即使是在超真空環(huán)境中，金屬鈾表面也會與殘留的H2O（g）或O2發(fā)生反應(yīng)，使其核反應(yīng)性能和材料力學性能收到很大影響。鈾能迅速地與氧或干燥空氣起反應(yīng)形成UO2，如反應(yīng)式（1）所示。

早期認為鈾氧化的動力學應(yīng)是近似線性的，實質(zhì)上是拋物線性與線性的綜合，隨著氧化層的不斷生長，由于在氧化物和鈾基體之間的晶格參數(shù)及密度不匹配，在氧化物中形成大的壓應(yīng)力。這些應(yīng)力通過外層氧化物的開裂和剝落而釋放，從而轉(zhuǎn)變成線性動力學關(guān)系。

由于形成UO2的自由能要低于形成H2O的自由能，因此水將鈾氧化成為UO2，如反應(yīng)式（2）所示，其速率明顯高于反應(yīng)式（1）。

鈾與飽和水蒸氣反應(yīng)的速率，其反應(yīng)動力學初期階段為拋物線性或線性，后期為線性反應(yīng)，速率與水蒸氣的分壓有關(guān)。另外，在鈾與H2O（g）反應(yīng)的過程中，還可能形成UH3，但UH3可能是一種中間產(chǎn)物，它將進一步反應(yīng)生成氧化物和氫氣，當然有少量的氫化物可能仍保留在反應(yīng)物之中。

鈾-H2O（g）-O2體系的反應(yīng)速率要比鈾-干燥空氣體系的反應(yīng)速率要快，但鈾-H2O（g）體系中加入O2能明顯減緩鈾-H2O（g）反應(yīng)速率。研究表明，在有氣態(tài)氧存在的體系中，凈反應(yīng)沒有氫的生成或水的消耗，當所有氣態(tài)氧被消耗盡后，就按照鈾-H2O（g）體系進行且有氫氣的生成。一般認為是氣態(tài)氧阻止了鈾-H2O（g）反應(yīng)是因為在氧化物表面上形成了單層的或化學吸附的氧原子，由此阻止了水分子的吸附。

2.2 有機材料老化析出氫氣

核武器中的有機材料主要有結(jié)構(gòu)用高分子材料和高能炸藥，由于這些材料自身的熱力學不穩(wěn)定性以及外界環(huán)境的影響更易老化，并且老化過程中常常有氣體析出。對于核武器而言，有機材料由于老化而析出氣體是武器內(nèi)部氣氛的一個重要來源。

2.2.1 高分子材料的老化

高分子材料老化會引起交聯(lián)和降解2種不可逆的結(jié)果。由于材料的種類不同，使用環(huán)境不同，因而老化機理也不盡相同。如橡膠類材料，在武器中主要用作密封材料使用，其老化受氧氣的影響較大；而聚氨酯泡沫是作為一種軟支撐材料，其老化受水分、殘存發(fā)泡劑影響較大。

美國的LLNL研究中心用熱分解技術(shù)研究了硅泡沫分解所析出的氣體成分[18-19]，當溫度升高時，每1 g硅泡沫會分解出100 μg的水和少量的H2、CO和CO2。

同時，高分子材料對輻照作用很敏感是由其特性所決定的，當化學變化很小時，其物理、機械性能可發(fā)生顯著變化。對輻照交聯(lián)型聚合物，輻照時析出的氣體主要是H2；對輻照裂解型聚合物，析出的氣體組成中發(fā)現(xiàn)了大量的甲烷、CO和CO2，氣體產(chǎn)物主要是由于側(cè)鏈基團斷裂而形成的。表2中給出了一種硅泡沫材料典型的輻照分解氣體成分。

2.2.2 高能炸藥

核武器中的高能炸藥是塑性粘結(jié)炸藥，由硝基化合物、粘結(jié)劑及增塑劑組成的復(fù)合體。其中，TATB、HMX、RDX和作為粘結(jié)劑的氟橡膠最為關(guān)注[20]。炸藥（TATB、HMX、RDX）和氟橡膠是非常不同的物質(zhì)，因此它們有不同的老化行為，當它們復(fù)合成PBX時，也有不同的老化反應(yīng)[21]。

單體炸藥在不同的溫度段的老化機理都不同，以TATB為例，在200℃以下很穩(wěn)定無分解現(xiàn)象。更多的研究直接關(guān)注PBX在熱老化后的性質(zhì)變化和表征技術(shù)，利用密封容器研究加熱分解后產(chǎn)生的氣體。Myers等對TATB基PBX進行取樣管試驗，將PBX的薄片在壓縮狀態(tài)下貯放于干空氣中，溫度分別是23℃、50℃、70℃和100℃，時間為2年，只有在100℃才觀察到氧氣的消耗?？偟膩碚f，PBX在熱老化條件下析出的氣體主要是N2、O2、CO、NO、CO2、N2O等，沒有檢測到氫氣。輻射場環(huán)境會加速炸藥的降解，但過程中也沒有檢測到氫氣的析出。

由于核武器內(nèi)部核材料的存在，高能炸藥貯存過程中也處于輻射環(huán)境中。研究表明，在輻射強度較高的條件下，輻射促進了炸藥的分解，并且分解速率隨輻照劑量的增加而提高，但貯存條件下的輻射強度對于高能炸藥的分解沒有顯著的影響。

3 氫氣危害分析

分析可知，核武器中氫氣主要來自H2O與鈾腐蝕反應(yīng)和高分子材料輻照分解等。氫氣是核武器內(nèi)雜質(zhì)氣體中普遍存在且危害巨大的一種，微量的氫氣將造成鈾、钚材料的腐蝕[22]。

3.1 鈾的腐蝕

鈾的氫化反應(yīng)可能是核武器中最可能的危害。雖然在生產(chǎn)的過程中盡可能地除去氫，但仍有微量的水汽存在，而水與鈾反應(yīng)放出氫，氫再與鈾反應(yīng)生成UH3，如反應(yīng)式（3）所示。

工程物理研究院仲敬榮等采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)研究鈾表面腐蝕的情況，金屬鈾室溫時表面微區(qū)形貌呈粒狀不均勻分布，且在顆粒邊緣和凹坑表面電位較高，易發(fā)生點蝕。但目前對于鈾表面腐蝕行為的研究存在局限性，未涉及氣體吸附行為的分子動力學模擬，對同一種氣體不同條件下出現(xiàn)腐蝕、鈍化相反行為不能做出統(tǒng)一解釋，缺少表面吸附行為的動態(tài)過程研究[23-24]。

但總的來說，鈾表面輕微形成氧化膜，該氧化膜能迅速地吸附氫，從而在鈾晶界形成鈾氫化物的點蝕。由于這種點蝕帶有一定的不確定性，并向縱深方向發(fā)展，因而危害極大。

3.2 钚的腐蝕

由于钚在核武器中與外界接觸很少，相對鈾而言其腐蝕程度要輕一些，但钚的腐蝕直接影響威力，因而钚的腐蝕一直是核庫存武器中所關(guān)注的問題之一。

钚與氫反應(yīng)生成氫化物，如反應(yīng)式（4）所示。

同樣，氫與钚反應(yīng)也像鈾一樣可形成點蝕，從而引起嚴重的腐蝕失效[25-26]。并且氫化钚能催化钚的氧化過程，如反應(yīng)式（5）所示。

4 核武器內(nèi)部氣氛控制

核武器在貯存期間會產(chǎn)生多種氣體，其中氫氣在核武器內(nèi)部普遍存在且危害巨大。因此，控制控制氫氣在核武器中的含量是至關(guān)重要的，這也是各有核國家在武器庫存研究中非常關(guān)注的問題。維持核武器內(nèi)部處于一個惰性的狀態(tài)，主要有2種措施。一是武器有一個良好的初始狀態(tài)，應(yīng)改進加工工藝，對武器中某些部組件在裝配之前進行干燥處理、控制裝配環(huán)境的濕度以及采用抽氣-充氣工藝。二是在貯存期內(nèi)盡可能地維持初始狀態(tài)，即采用密封以防止外部有害氣體的進入，在武器內(nèi)部放置干燥劑和吸氣劑來除去內(nèi)部積累的水和氫，以及控制外部貯存環(huán)境的溫、濕度等因素。

4.1 核武器貯存初始氣氛的控制

一般來說，采用干燥材料和換氣工藝可達到建立良好初始狀態(tài)的目的。干燥材料的工藝很大程度上取決于材料的性能，特別是高分子材料，應(yīng)針對具體材料采用不同處理工藝，并且不能損傷材料的性能。抽氣-充氣工藝則是置換核武器內(nèi)部氣體，經(jīng)多次用干燥氮氣置換處理后可以除去內(nèi)部材料表面吸附的一些有害氣體。美國等有核國家早期的處理方法是用9次充氮氣循環(huán)，而每次充氣之間的抽氣時間間隔都很短，這種快速過程只能對武器裝配過程中吸附較弱的雜質(zhì)氣體有明顯的效果。因此，后來采用長時間抽真空的工藝（大約抽18 h后壓力不超過27Pa），這種處理方法能除去泡沫內(nèi)部吸附的雜質(zhì)氣體。

4.2 核武器貯存過程中氣氛的控制

核武器一旦有良好的初始狀態(tài)后，在貯存過程中最重要的就是要維持這種狀態(tài)。但由于熱力學不平衡，理論上是不可能保持不變的，而只能減緩狀態(tài)的改變速率。主要措施是采用優(yōu)良的密封技術(shù)以防止泄漏和滲透，以及放置干燥劑和吸氫劑。美國對于密封、干燥劑和吸氫劑都開展了深入的研究。而對于密封材料的選擇（什么樣的滲透系數(shù)才能滿足要求）以及干燥劑、吸氫劑的用量都需要氣氛的動態(tài)平衡計算才能完成。另外，外部貯存條件也是相當重要的。通過對貯存環(huán)境條件的改善，使貯存的溫、濕度得到良好的控制，有利于內(nèi)部氣氛的改善。

5 結(jié)論

核武器密閉空間內(nèi)部的氫氣主要來源于鈾材料的腐蝕反應(yīng)和有機材料的老化析出，這種活性氣氛對鈾、钚材料的可靠性有長期的影響。氫氣與鈾材料表面氧化膜反應(yīng)形成鈾氫化物的點蝕，這種點蝕帶有一定的不確定性，并向縱深方向發(fā)展，危害極大；钚與氫反應(yīng)生成氫化物，也像鈾一樣可形成點蝕，從而引起嚴重的腐蝕失效。

為降低核武器密閉空間內(nèi)的氫氣濃度，一是采用抽氣-充氣工藝置換核武器內(nèi)部氣體，控制核武器內(nèi)部的初始氣氛；二是采用優(yōu)良的密封技術(shù)以防止泄漏和滲透，以及放置干燥劑和吸氫劑，控制貯存過程中核武器內(nèi)部氣氛。這2種手段結(jié)合能有效控制核武器內(nèi)部氫氣濃度。

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Internal Hydrogen Atmosphere Analysis of Typical External Nuclear Weapons

ZHU Min,ZHOU Hongqing,HUANG Gui
（The 7thDepartment,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

The reliability of uranium and plutonium materials are long-term affected by the hydrogen atmosphere inside the confined space of nuclear weapons,which would cause severe corrosion failure and lead to tactical index fell,and the security of nuclear weapons also faces hidden risks.Imaginary nuclear weapons based on theoretical model were set as re?search subjects.Analysis showed that hydrogen atmosphere within nuclear weapons was mainly from the reaction of urani?um materials with outside environment permeate gas and aging of organic materials,which spreaded to internal space of nu?clear weapons under thermal stress conditions.To solve this problem,foreign nuclear states mainly adopted two methods to control internal hydrogen concentration:improving processing technology and controlling initial state during development and production,placement of desiccant and hydrogen getter after delivery.These practices provided certain reference for the development of weapons and equipment.

imaginary nuclear weapons;internal space;hydrogen atmosphere;hazard control

TJ91+0.1

A

1673-1522（2017）03-0335-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.03.015

2017-01-08；

2017-03-22

朱 敏（1978-），男，教授，博士。