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核武

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y903052001
大公爵 | 2009-3-23 16:29:46

核武,利用核反應的光熱輻射、衝擊波和感生放射性造成殺傷和破壞作用,以及肇成大面積污染,阻止對方軍事行動以達到戰略目的的武器。主要包括裂變核武器(第一代核武,通常稱為原子彈)和聚變核武器(亦稱為氫彈,分為兩級及三級式)。亦有些還在武器內部放入具有感生放射的輕元素,以增大輻射強度擴大污染,或加強中子放射以殺傷人員(如中子彈)。核武器也叫核子武器或原子武器。

愛因斯坦在1939年他獲悉鈾核裂變及其鏈式反應的發現,在匈牙利物理學家利奧•西拉德推動下,上書羅斯福總統,建議研製原子彈,以防德國占先。第二次世界大戰結束前夕,美國在日本廣島和長崎兩個城市上空投擲原子彈,愛因斯坦對此強烈不滿。戰後,為開展反對核戰爭的和平運動和反對美國國內法西斯危險,進行了不懈的鬥爭。

人類曾兩次使用核武器。第二次世界大戰時美國在日本的廣島和長崎投下兩枚原子彈。之後七個國家曾使用核武器作試驗,分別為:美國、蘇聯、法國、英國、中國、印度及巴基斯坦。至今有美國、俄羅斯、法國、英國、中華人民共和國、印度及巴基斯坦宣佈擁有核武。一般相信以色列亦擁有核武,但以色列對此不承認亦不否認。北朝鮮亦自稱有核武器。前蘇聯共和國烏克蘭可能因文書錯誤,仍然擁有蘇聯時代遺留的核武。有人相信伊朗亦正在發展核武。

種類
裂變核武器
兩種裂變起爆方式

裂變核武透過核裂變釋放能量。重核子如鈾或鈈在中子轟擊下產生裂變,分成為較輕的核子,同時釋放更多的中子,造成連鎖反應。傳統上裂變核武稱為原子彈。(其實這名稱有問題,因為一般的化學反應所釋放的亦是原子間的原子鍵能量。而所謂核子彈或聚變武器,跟原子彈或裂變核武,根本是在一樣的核子層面發生。)

大部分的裂變核武是使用化學炸藥,把在臨界質量以下的鈾-235或鈈擠壓成超越臨界質量的一塊,然後在中子照射下產生不受控的連鎖反應,釋放大量能量。起爆的方式可分為鎗式和 內爆式。美國第一枚投擲在日本廣島的核武小男孩即為鎗式起爆的鈾彈。第二枚投擲在長崎的胖子為內爆式起爆的鈈彈。
一磅的鈾-235可放出大約三千七百億焦耳的能量,約為82太焦耳/公斤 (TJ/kg)。一般的連鎖反應只維持一微秒 (μs),功率約為82 艾瓦/公斤 (EW/kg), 或每原子 200兆電子伏/秒。

聚變核武器
聚變核武透過核聚變釋放能量。輕核子如氫或氦結合成較重的元素,同時釋放大量的能量。使用聚變過程的武器亦常被稱為氫彈,因為氫是聚變的常用材料。聚變核武有時亦稱熱核武器,因為它們的連鎖反應需要更高的溫度啟動。

一般的氫彈會先引爆作為前級的裂變彈,造成足較的溫度及壓力,之後的後級聚變才會開始。後級可以無限制地連鎖起來,製成比普通裂變強力很多的核武。

裂變/聚變核武器

區別核武器是於屬於裂變還是聚變核武,要靠分辯武器能量的主要來源。因為現代的核武通常結合兩種核反應:聚變需要先以裂變產生足較的溫度及壓力啟動;同時裂變在聚變開始後效率會得到提高。故此部分核武是三級設計:最先在外圍第一級先用核裂變,造成聚變條件。中部第二級聚變發生後,再引起彈頭中心的第三級的第二次裂變反應,造成裂-聚-裂反應的三級核彈。

骯髒炸彈
臟彈現在是作為一個術語代指具有放射性、非核武器的武器。它裝填著放射性材料,爆炸的時候將放射性物質拋射散佈,造成相當於核放射性塵埃的污染,造成災難性的生態破壞。自九一一之後,西方政府最主要擔心的一個就是恐怖分子可能利用臟彈襲擊人口稠密區,作為區域封鎖武器,就像其他更高級的更複雜的放射性武器,可以將這個地區在以後的數年或十幾年中,退化為不適合人類居住的放射性地區。然而大多數的分析人士認為,臟彈的作用更主要體現在心理方面,而它所造成的污染可以用雖然昂貴但是有效的凈化措施來治理。

感生放射:鈷核彈
鈷核彈的原理是在彈殼使用鈷元素。聚變釋放的中子會令鈷變成鈷-60,一種會在長期(約五年內)釋放強列伽傌射線的同位素,目的是維持長時期的強放射污染。除了使用鈷外,亦可使用金造成維持數天污染,或用鋅及鉈造成維持數月的污染。不過由於三級的裂-聚-裂核武亦能部分達成同一目的,故此已知的核武國沒有承認有生產鈷核彈。

中子彈
中子彈是小型的熱核武器。武器內的X射線反射鏡及彈殼以鉻或鎳製成,讓聚變中產生的中子離開彈體。高能量的中子流比其他放射更具穿透能力。一般能阻隔伽傌射線的物料通常不足以抵擋中子流。而且中子流對生物產生的傷害比伽傌射線更大。原先製造中子彈的目的,是希望可以殺人而不毀物(被戲稱為「業主炸彈」或「按揭貸款炸彈」:能殺死屋內的人,但房子無損)。中子彈所產生的熱能及衝擊波被故意減低,而中子流則被加強。但事實上中子彈的熱及火仍然會對建築物造成一定的損毀。所謂「殺人不毀物」只是相對其他熱核武器。中子彈所加強的放射,只限於引爆的一刻,與感生放射核彈的長期放射有所不同。

核彈爆發的效應
一個核子武器的能量主要通過四種機制放射出來:
• 衝擊波 40%-60%
• 熱輻射 30%-50%
• 原始粒子輻射 5%
• 殘留放射性(放射性塵埃) 5%-10%

能量以何種形式被釋放還要仰賴武器的設計以及爆炸時的環境。放射性塵埃的能量釋放是持續的,而其他三種都是立即的短暫的爆發。

這最初三種機制釋放的能量根據炸彈的尺寸而有區別。熱輻射機制相對於距離衰減最緩慢,所以越是大當量的核彈,這種機制就越顯得重要。粒子輻射被大氣強烈吸收,所以他只在小威力的爆炸中體現出重要性。而衝擊波效應的衰減,是介於上述二者之間的。在爆發的一瞬間,核裝藥在一微秒內達到平衡溫度。在這一時刻,大約75%的能量都以熱輻射形式,特別是以軟X射線的形式存在,而其他的殘餘能量則都表現為武器碎片的動能。接下來,這些軟X射線和碎片怎樣與周圍媒質作用就成為衝擊波和光以及粒子之間怎樣分攤能量的決定因素。總的來說,若是在爆心周圍物質很密集,那麼它們將非常有效的吸收能量,衝擊波的強度將會被加強。當爆發在接近海平面的大氣中進行時,絕大多數的軟X射線將在數英尺內被吸收。一些能量轉而形成紫外線、可見光和紅外波段的輻射,但更多的被用來加熱空氣,形成火球。在高空的爆發中,由於空氣密度的降低,軟X射線更趨向于行走更長的距離,在它們終究被吸收後,只有更少量的能量用來推動衝擊波(海平面的50%或更少),而剩餘的都轉化為其他形式的熱輻射。

當量
核武器的爆發的主要機制(衝擊波和輻射)所造成的效果可以和傳統炸葯相比較。主要的不同是,核武器的能量釋放更迅速也更強烈。因此,人們常用同等爆炸威力的三硝基甲苯(TNT)的質量來衡量核武器的威力:
前蘇聯五千萬噸當量的Tsar Bomb

名稱 當量(千噸) 備註
Davy Crockett(可變當量) 0.01-0.1 質量僅23kg,美國投放的最輕量級的核彈

廣島原子彈(小男孩)
12-15 槍式鈾235裂變彈

長崎原子彈(胖子)
20-22 內爆式鈽239裂變彈

W-76 100 10枚可能裝備了北極星-2型飛彈

B-61Mod3 0.3/1.5/60/170 自由落體炸彈,4度可變當量

B-61Mod10 5 自由落體炸彈 可用戰術飛機投放,如F/A-18,A-10

W-87 300 10枚可能裝備了LG-118A和平保衛者

W-88 475 8枚可能裝備在北極星-2型飛彈上

Castle Bravo 15000 美國最大當量的測試彈頭

EC17/MK17,EC24/MK24,B41/MK41 25000 美國裝備部隊的最大當量彈頭,由B-36攜帶,自由落體炸彈,1957年退役

Tsar Bomb 50000 前蘇聯最大當量的測試彈頭

衝擊波的破壞
日本廣島在原爆之後

核彈的主要的破壞力來自於衝擊波效應。絕大多數的建築(當然除了特別加固和抗衝擊結構的工事),將受到致命的摧毀。衝擊波的速度將超過好幾百公里每小時,而他肆虐的範圍會隨著核武器當量的增加而增加。兩種相似又不同的現象將隨衝擊波的到來而產生:
• 靜態超壓:衝擊波帶來的壓強急速升高,任何給定點的靜態超壓正比于衝擊波中的空氣密度;
• 動態壓強:即是被形成衝擊波的疾風拉扯的效應,疾風會推動、搖晃和撕裂周圍的物體。

大多數核武器空爆造成的破壞就是由靜態超壓和動態的疾風合成的效果。較長時間的超壓拉動建築結構使其變得脆弱,這時吹來的疾風再一舉將其摧毀。壓縮、真空和拉扯效應總共會持續若干秒鐘,或者更長。而這裡的疾風比世界上任何可能出現過的颶風都要更加凶猛。

熱輻射
核武器的爆炸會伴隨有大量的電磁波輻射爆發,分佈在可見光波段,及紅外的和紫外的波段上。主要的傷害機制是造成灼傷及對肉眼的傷害。在晴朗的天氣下,作用範圍可超過衝擊波。輻射光的能量是如此之強,它可以在衝擊波留下的廢墟中再製造一場大火。而熱輻射所作用的範圍,隨武器當量的增加而顯著地增長。

由於熱輻射線是以直線傳播的,所以任何不透明的物體都可以成為有效的壁壘阻止其傳播。但是,如果空氣中有霧氣,這些小水珠可以散射輻射線使其向四面八方傳播,於是所有的壁壘都會顯著地喪失作用。當熱輻射線作用於一個物體時,部分的能量會被反射,部分被傳導和轉化掉,而剩下的會被吸收。吸收的比率取決於物體的特性和顏色。一個薄片狀的物體可以將大部分的能量傳導掉,同時淺顏色的物體可以反射許多輻射,它們受到的傷害都會小一些。對輻射線的吸收造成溫度在表面的迅速升高,例如木材、紙張、織物等都會被點燃和烤焦。如果恰好這種物質是不良導體,那麼加熱現象只會在表面產生。事實上,物質是否被點燃還仰賴於熱輻射持續的長短,物質的厚度和包含的水分。在近距離上,所有的物質都會被加熱蒸發,而在最遠的距離上,只有最容易點燃和最脆弱的物質才會受到傷害。火災並不一定只是熱輻射線產生的,衝擊波造成的混亂氣流,也可能誘發大火。在廣島轟炸中,就有一場空前巨大的火災,持續了20分鐘。火焰加熱空氣使其上升,周圍的空氣填補這一真空,造成持續的指向爆心的強風。然而這種現象並不時核爆炸所特有的,在二戰的大轟炸中,大量的燃燒彈或經常發生的森林火災中的烈焰也能造成大風。

電磁脈衝
人類首次使用的核武:「小男孩」
γ射線通過康普頓散射效應將電子反衝加速,得到高能的電子。這些電子被地磁場捕捉,在地表以上20到40公里的高度上產生共振。周期性振動的電子即可產生連續的電磁脈衝(EMP),持續大約1毫秒。下一個持續大約1秒數量級的效應是,大量的長條形的金屬物體(如電纜),在電磁波通過時會像天線一樣工作併產生高壓。這些強大的短暫的高壓,可以摧毀未經屏蔽保護的電子設備甚至是電線本身。但這種可怕的電磁脈衝對生物的影響人們卻不甚了了。另外灼熱的空氣破壞了電離層,也會使無線電通訊受到影響。

唯一能夠保護電子設備不受脈衝摧毀的措施是將其完全包裹在良導體內,或別的形式的法拉第籠內。當然,對於無線電通訊設備來說這是不可能的,因為它將收不到任何訊號。最大當量的核彈被用來實現大面積的,甚至是洲際範圍的電磁轟炸。

原始粒子輻射
核彈空爆中,大約5%的能量,以最原始的粒子和γ射線形式輻射掉了。裂變彈和聚變彈的中子輻射有很大不同。然而γ輻射的結構,無論是在這類爆炸式的核反應中,還是短半衰期的物質衰變中都是類似的。核反應粒子輻射隨距離衰減快的原因,一個是它們的散佈面積正比半徑立方,強度即正比半徑立方的倒數,一個是它們被大氣強烈地吸收和散射。

粒子輻射的結構也與距離有關,在近爆心的地點,中子輻射強于γ輻射,但隨著距離的增加,中子-伽瑪比將減小。最終,中子成分與γ成分相比即可忽略。要注意的是,上述的這些距離,並不隨爆炸當量的增加而有十分顯著的變化。因此,越大當量的爆炸中,原始粒子輻射的效果就越不顯著。在大塊頭的核彈中,譬如大於50kt,衝擊波和熱輻射的威力使得粒子輻射機制相形見拙,以至於被忽略。

放射性塵埃

剩餘的放射性殘骸通過兩種效應殺傷:放射性塵埃和中子感應機制,剩餘粒子放射線從下列物質中產生:
• 裂變產物。裂變產物是由鈾或鈽在裂變反應中產生的中等質量的同位素。在裂變反應中,實際上產生的產物有超過300種。大多數是放射性的,且半衰期的長短不一,區別很大。短則幾分之一秒,長則在數年內都有致命的放射性。它們衰變的經典機制是釋放beta和γ射線。1千噸的當量中,有大約60克的放射性裂變產物。引爆一分鐘之後,裂變產物的放射性等同於3千萬公斤的鐳同時衰變,也就是大約1.1E21Bq。

• 未裂變的裝藥。裂變物質的利用,在核武器中可謂是很不充分,大量的鈾和鈽在裂變前就被炸得四分五裂。這些核裝藥,以alpha衰變的形式緩慢地輻射,而它們的重要性也相對較小。

• 中子感應效應。當一個原子核在中子爆發的時候捕獲了中子,作為一種已知的必然機制,它將變為放射性併在較長的周期內放射beta和γ射線。中子爆發作為最原始的核放射線,必將引起殘留的中子感應效應。另外,環境物質,如土壤、空氣和水,也將被感應激發,這取決於它們的化學成分和距爆心的距離。舉例來說,在近爆心的地區,土壤中的礦物質由於中子爆發會變成有致命放射性的同位素。這是由於多種元素具有中子捕獲能力,像鈉、錳、鋁和矽這樣的元素,都存在於土壤中且參與了中子感應效應。但這種效應並不重要,因為它只限於很有限的一塊區域內。

在近地面的爆炸中,大量的土壤或水分將被火球加熱蒸發,上升成為放射雲。這些物質凝結後,由於混合了裂變產物和中子感應產物,將變得具有放射性。較大的顆粒將在24小時內沉降到爆心附近(也與風速和天氣有關),而較小的顆粒有可能會在全球大氣系統中漂流數周以至數月。一些當地沉降物覆蓋的面積會遠遠大於熱輻射和衝擊波的範圍,特別是在大當量的核爆中。在水面附近的核爆中,塵埃顆粒將較小,下落的比例將較小,而分佈的面積就會比較廣大。大量海水中的鹽和一些水分,可以作為凝結核,引起當地的降雨從而使當地的核沉降大大增加。

全球放射性沉降的生物學破壞作用是由長半衰期的同位素在生物體內的富集主導的。像鍶-90或銫-137這類元素,通過食物等進入人體。化學上,這些同位素和鈣很像,他們會被誤認為鈣,而被吸收並沉積在骨骼中。這些高放射性的物質將會造成例如像白血病一類的放射性疾病。全球沉降的傷害效果毋庸置疑是小於當地的放射塵埃的。

在普遍的情況下,衝擊波和熱輻射的殺傷將遠大於放射線的傷害。但是,放射線的輻射傷害比衝擊波和熱輻射更加複雜,人們對它也存在誤解。各式各樣的生物變異將在輻射區內的動物中發生。全身攝入高劑量放射性元素的個體將會立即死亡,其他攝入劑量較少的個體將會苟活,但也會隨後來的併發症而死去。

武器的投送
戰略核武器常指用來摧毀戰略目標(如城市)的大當量核武器;戰術核武器是指用於摧毀小型的特定目標(如軍事、通訊或永備工事等目標)的較小的類型。以現代的眼光來看,在廣島和長崎投放的原子彈只能算是戰術核彈(當量分別為13和22千噸),同時現代的戰術核彈比之又要緊湊和輕巧。 核武器的基本投放方式有:
• 自由落體炸彈:早期的核武器太大了,他們只能被B-52等飛機運載和投放,但在50年代中期,可由戰鬥轟炸機搭載的較小型的核武器被研製出來。這種新型空基的自由落體炸彈運用了多種新技術,包括翻滾轟炸(toss boming),傘降投擲(parachute-retarded delivery),卧倒模式(laydown mode),以保證給與載機足夠的逃離時間。

• 彈道飛彈:彈道飛彈採用拋射物彈道飛行,通常用於超視距的彈頭投送。機動彈道飛彈具有十到上百公里的射程,洲際彈道飛彈(ICBM)和軌道轟炸系統(SLBM,原意是人造衛星發射的彈道飛彈satellite-launched ballistic missile,但筆者認為此譯法不妥)採用亞軌道或部分軌道彈道以達到全球打擊的效果。較早的彈道飛彈攜載單一的彈頭,每一個有百萬噸級的當量。自上世紀70年代之後,更新的彈道武器使用多彈頭分導技術(MIRVs),每顆飛彈可攜帶一打彈頭,而每個彈頭的當量下降到千噸級。這樣一次發射就可威脅多個目標,或對一個目標造成更有效的打擊。

• 巡航飛彈:這種飛彈使用噴氣發動機或火箭發動機提供動力,以低空巡航的方式飛行,使用自動導航系統(基本上是慣導,但也有GPS導航和雷達中繼制導作為輔助),突防能力更強。巡航飛彈的射程較之彈道飛彈要近,且攜載能力也要差一些,當今也沒有服役的多彈頭巡航飛彈。飛彈可從潛艇、艦船及飛機上發射。

其他可能的投送方式包括榴彈炮的核炮彈、核地雷(藍孔雀)、核深水炸彈、核魚雷、核迫擊炮彈。50年代,美國研製了用於空中截擊的小型核彈頭,但其在60年代就基本退役,而核深水炸彈也在90年代退役。可由兩人攜帶的小型戰術核彈也已研製成功,被一些媒體誇張為所謂的手提箱炸彈,它被稱為「特別打擊核武庫」(」Special Atomic Demolition munition」)。儘管如此,人們還在追求當量與便攜性的最佳整合,以達到最大的軍事效用。
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simszx
子爵 | 2009-4-8 05:26:50

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