核爆炸
核爆炸(英文:Nuclear explosion)是一些物質(zhì)發(fā)生核裂變或聚變的連鎖反應(yīng)，瞬間釋放出巨大的能量，形成高溫高壓并輻射出各種射線。核爆反應(yīng)釋放的能量遠(yuǎn)大于炸藥爆炸釋放的化學(xué)能，而且是在微秒時間內(nèi)完成的。
核爆炸方式包括空中爆炸、地面(水上)爆炸和地下(水下)爆炸。主要的核武器有原子彈、氫彈、中子彈等。其中，核爆炸裝置是依靠核裝藥中原子核的鏈?zhǔn)搅炎兓蜃猿志圩兎磻?yīng)，瞬間釋放巨大能量，形成爆炸的裝置，主要由核部件、爆炸系統(tǒng)、核點火部件和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件組成。核試驗被全面禁止后，人們用大規(guī)模計算機模擬試驗代替實際的核爆炸試驗。
核爆炸產(chǎn)生的輻射和放射性碎片對人體有害，根據(jù)人與人之間的距離和爆炸半徑的不同，可能導(dǎo)致中到重度的皮膚灼傷、眼睛損傷、放射病、輻射誘發(fā)的癌癥，甚至死亡。核爆炸也會對氣候產(chǎn)生有害影響，持續(xù)數(shù)月至數(shù)年。卡爾·薩根(Carl Sagan)等人在1983年的一篇文章中聲稱，核戰(zhàn)爭可能會向大氣中釋放足夠多的粒子，導(dǎo)致地球變冷，世界各地的農(nóng)作物、動物和農(nóng)業(yè)消失——這種效應(yīng)被稱為“核冬天”。
核爆原理
核爆的原理是核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的巨大能量引起的爆炸。它是由原子核裂變、核聚變(如氘、氚、鋰的聚變)或兩者的多級串聯(lián)組合引起的連續(xù)反應(yīng)，如原子彈、氫彈的爆炸。
每消耗一個中子，平均釋放2.5()個新中子。這些新的中子可以引起其他的核裂變，釋放出更多的中子。在核反應(yīng)堆中，核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)被控制在平衡狀態(tài)，即每次裂變只釋放一個新的中子用于下一次裂變。在這種狀態(tài)下，我們說中子倍增系數(shù)。如果中子倍增系統(tǒng)大于1，中子數(shù)呈指數(shù)增長，那么裂變率也呈指數(shù)增長。在沒有任何控制機制的情況下，釋放的熱量最終會破壞鏈?zhǔn)椒磻?yīng)系統(tǒng)。
在核爆炸裝置引爆之前，裂變材料被分成幾個亞臨界塊，以防止意外核爆炸。當(dāng)用電雷管觸發(fā)化學(xué)炸藥爆炸時，亞臨界塊體被推向中心，達(dá)到臨界值，連鎖反應(yīng)開始。TNT等一般化學(xué)炸藥爆炸時釋放的能量來自于化合物的分解反應(yīng)。在這些化學(xué)反應(yīng)中，碳、氫、氧、氮等的原子核沒有發(fā)生變化，但原子之間的結(jié)合態(tài)發(fā)生了變化。核反應(yīng)不同于化學(xué)反應(yīng)。在核裂變或核聚變反應(yīng)中，參與反應(yīng)的原子核全部轉(zhuǎn)化為其他原子核，原子也發(fā)生了變化，即原子核的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化本質(zhì)上是。核爆的發(fā)展過程大致可以用時間來區(qū)分。例如，用當(dāng)量為20kt的空中核試驗來說明發(fā)展過程。
當(dāng)S，核反應(yīng)過程，放出瞬間伽馬輻射和中子。
當(dāng)s時，拋射體燃燒到大約10?K，形成一個x射線火球，并繼續(xù)釋放伽馬輻射和中子。
當(dāng)S強閃光出現(xiàn)時，電磁脈沖基本結(jié)束，伽馬輻射和中子繼續(xù)發(fā)射，而光輻射發(fā)射，沖擊波離開火球。
當(dāng)S火球直徑達(dá)到最大時，瞬時中子結(jié)束，γ輻射和光輻射繼續(xù)發(fā)射，沖擊波傳播到0.25km。
S時，火球熄滅，光輻射結(jié)束，γ輻射微弱，沖擊波傳播到1.2km左右。
早期核輻射在S結(jié)束時，沖擊波在10s內(nèi)達(dá)到4km，強度很弱，接近聲波，傷害消失。
當(dāng)min時，煙云達(dá)到穩(wěn)定高度。過了這段時間，煙云在高空風(fēng)的作用下，向順風(fēng)方向漂移。
核爆類型
核武器
核武器是利用自持核裂變或聚變反應(yīng)釋放的能量產(chǎn)生爆炸，具有大規(guī)模殺傷和破壞作用的武器的總稱。其中，核爆炸裝置簡稱核裝置。它是依靠核荷中原子核的鏈?zhǔn)搅炎兓蜃猿志圩兎磻?yīng)，瞬間釋放巨大能量，形成爆炸的裝置。用作武器的核裝置與引爆控制系統(tǒng)一起構(gòu)成核彈頭。核裝置通常由核部件、爆炸系統(tǒng)、核點火部件和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件組成。核部件由核裝料形成并適當(dāng)組裝。爆轟系統(tǒng)用于壓迫或壓實核裂變組件達(dá)到超臨界狀態(tài)，核點火組件及時產(chǎn)生點火中子，引發(fā)核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
核裝置中的自持聚變反應(yīng)是由核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)瞬間釋放出高能量，使核聚變裝藥達(dá)到高溫高壓而引起的。核裝置用于核試驗時，不要求其結(jié)構(gòu)能承受作為武器使用時遇到的惡劣環(huán)境，也不需要貫穿。
作為用作武器的核裝置，既要考慮具有更大的威力，又要保持較高的安全性和良好的突防性能，還要注意外形對核彈外殼的適應(yīng)性、操作使用的方便性和成本的低廉性。這種核裝置的設(shè)計首先是物理設(shè)計，需要對其反應(yīng)過程有透徹的了解，對其必要條件和各種物理參數(shù)有清晰的認(rèn)識，有一個或幾個假設(shè)方案的物理模型，用快速大容量的計算機進(jìn)行模擬計算，對提出的方案進(jìn)行調(diào)整使其最優(yōu)，并通過反復(fù)的化學(xué)爆轟試驗甚至局部核試驗進(jìn)行實際修改。其次是工程設(shè)計，要考慮結(jié)構(gòu)強度、環(huán)境適應(yīng)性、安全性、在殼體內(nèi)的布置和維護使用的方便性，做相應(yīng)的實驗來修改和評估方案。最后，還要通過必要的核試驗，檢驗給定的技術(shù)條件能否達(dá)到。
原子彈
氫彈
氫彈是利用輕核聚變反應(yīng)釋放的巨大能量造成殺傷和毀滅的核武器。因為輕核聚變反應(yīng)需要在極高的溫度下進(jìn)行，所以氫彈也被稱為熱核武器。氫彈的主要部件是起爆裝置和熱核裝藥。雷管是由235鈾、238鈾、239钚等裂變材料制成的原子彈。其主要作用是引起聚變反應(yīng)所需的極高溫度，保證熱核反應(yīng)的順利進(jìn)行。熱核電荷主要是氘化鋰。比如美國也是世界上第一顆氫彈——“常春藤-邁克”，蘇聯(lián)第一顆氫彈RDS-6(Joe-4)。
中子彈
中子彈又叫增強輻射彈，是一種以聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大量高能中子為主要殺傷因素的戰(zhàn)術(shù)核武器。中子彈一般采用小當(dāng)量的原子彈作為引爆裝置，鈹作為中子反射層，氘氚作為核裝藥。所以，中子彈是一個小當(dāng)量的氫彈。其特點是:中子產(chǎn)額高，能量高，早期核輻射效應(yīng)增強；小當(dāng)量；沖擊波和光輻射的作用減弱；放射性污染程度較輕。
核爆模擬
核爆炸模擬是利用大型電子計算機進(jìn)行的模擬實驗，可以在一定程度上代替實際的核試驗，即利用慣性約束聚變在實驗室中進(jìn)行核武器物理和核武器效應(yīng)的研究。核爆炸模擬研究的目的是在全面禁止核試驗后，繼續(xù)以實驗室研究的方式研究核武器的物理和效應(yīng)，以保證庫存核武器的安全性、可靠性和有效性，進(jìn)一步提高核武器的性能，甚至發(fā)展核武器。
慣性約束聚變包括直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。因為間接驅(qū)動方式和核武器的驅(qū)動方式很像，都是X射線輻射燒蝕驅(qū)動，不同的是X射線輻射的來源不同。前者依靠激光在重金屬中轉(zhuǎn)換的X射線輻射或Z箍縮裝置產(chǎn)生的X射線輻射，后者依靠核武器初級提供的X射線引爆次級。因此，在核爆炸模擬中，通常采用慣性約束聚變的間接驅(qū)動方式來模擬核武器的物理過程。
在間接驅(qū)動中，強激光從圓柱形黑腔金靶的兩端入射到腔壁上，立即形成一層高溫低密度的薄金等離子體，稱為電暈區(qū)。然后，激光繼續(xù)撞擊腔壁，在亞臨界密度區(qū)，等離子體被逆軔致吸收和反常吸收加熱，通過電子熱傳導(dǎo)傳輸?shù)矫芏雀?、溫度更低的電子燒蝕區(qū)，轉(zhuǎn)化為X射線。燒蝕區(qū)的這種力學(xué)狀態(tài)是金等離子體發(fā)射X射線的最佳狀態(tài)，X射線發(fā)射率最高。轉(zhuǎn)換后的X射線能量被輸送并沉積在靶丸外殼上，通過熱輻射間接燒蝕外殼，產(chǎn)生內(nèi)爆，壓縮靶丸內(nèi)的氘氚燃料，為熱核聚變點火和燃燒創(chuàng)造條件，實現(xiàn)高增益。所以間接驅(qū)動有時也叫輻射驅(qū)動。
核武器是不可控的大威力熱核爆炸，慣性約束聚變是可控的微熱核聚變。它們只是性質(zhì)相似，但在數(shù)量、器件配置、使用的材料上有很大的區(qū)別。所以核爆模擬間接驅(qū)動的靶設(shè)計和慣性約束聚變間接驅(qū)動的靶設(shè)計有很大不同。
主要影響
沖擊波
核爆炸是一種能量密度很高的爆炸，瞬間釋放出大量能量，產(chǎn)生高溫高壓，形成密度極高的“流體動力波前”，高速向四周推擠，與周圍介質(zhì)(一般是大氣)產(chǎn)生“流體動力耦合”，產(chǎn)生波前非常陡峭的沖擊波。在空氣中爆炸時，沖擊波的能量通常占總能量的50%左右。這樣的高能沖擊波向四周擴散，產(chǎn)生強烈的機械效應(yīng)。
核爆炸的力學(xué)效應(yīng)與一般爆炸相同，只是爆炸機理不同，不同的爆炸條件(高空爆炸、低空爆炸、地面爆炸、水下爆炸、地下爆炸等。)對爆炸能量分布有很大影響，而環(huán)境氣象條件(溫度、風(fēng)力、濕度等。)和地形條件(山脈、丘陵、平原等。)對爆炸效果有影響。因此，在一般爆炸力學(xué)中使用理想條件下的解析計算方法時，會出現(xiàn)較大偏差，計算也較為復(fù)雜。工程上通常采用通過試驗獲得的經(jīng)驗設(shè)計計算方法。
熱(光)輻射
光輻射是核爆炸時火球發(fā)出的光和熱。核爆炸瞬間，釋放出巨大的能量，在爆炸點造成上千萬攝氏度的極高溫度，從而發(fā)出耀眼的閃光；然后，熾熱的爆炸殘留物和周圍的空氣形成了一個熾熱明亮的火球。在一定時間內(nèi)，火球的表面溫度可以保持在幾千攝氏度以上。像太陽一樣，它以光的形式放射出巨大的能量。當(dāng)火球表面溫度下降到2000攝氏度左右時，火球停止發(fā)光，變成一團煙霧。
核爆炸光輻射類似于陽光。它由可見光、紫外光和紅外光組成。光輻射和普通光一樣，在空氣中以光速直線向外傳播。遇到物體，一部分被反射，一部分被吸收。淺色和表面光滑的物體反射更多的光輻射，而深色和表面粗糙的物體吸收更多的光輻射。它的強度用光脈沖來表示。光沖量是指整個輻射時間內(nèi)，火球在垂直于光的單位面積上投射的能量，單位為卡/平方厘米。光脈沖的大小主要由核爆炸當(dāng)量、距爆炸中心的距離和爆炸方式?jīng)Q定。在其他條件相同的情況下，光沖量與爆炸當(dāng)量成正比，隨著距爆炸中心距離的增加，光沖量迅速減小。光輻射受氣候條件的影響。冰雪能反射光輻射，可能使光脈沖增加40% ~ 90%；云、雨、雪可能使光沖動減弱20% ~ 30%；陰天云層下發(fā)生核爆炸，對地面目標(biāo)的光沖量增加50%左右。