Re: [分享] 生產鈽-239的原理

※ 引述《rheumatism (風濕爺)》之銘言：
: 3.氫彈與核融合
: 氫彈原理以後會作影片解說，這邊先簡答
: 用核彈達到熱融合溫度，觸發核融合，稱為熱核彈，thermal-nuclear bumb
: 這就真的吃到飽了，兩種反應的產物都有

難得也遇到核彈控, 換我來接力講氫彈吧!

這年頭要土製氫彈, 最好的來源當然是 wikipedia.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design
往下拉到 fusion-boosted fission 的章節.
看圖說故事比較快.

wiki 所揭露的是冷戰初期的美帝氫彈.
這個設計叫做 Swan device, 自己也有一個獨立的頁面.
https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_(nuclear_primary)
1956 年的設計, 連電腦都還沒出現的時代.

它的斷面看起來像一隻眼睛對不對? 有一層層的洋蔥結構.
這些洋蔥結構就是所謂的 explosive lens, 氫彈最重要的設計.
由外到內請看圖, 依序是:
1. 高爆炸藥 (high explosive), 圖示灰色.
2. 鈹 (Beryllium), 圖示藍色.
3. 鈽 (Plutonuim), 圖示紅色.
4. 氚 (Tritium) & 氘 (Deuterium), 圖示橘黃.
然後有一層空隙叫做 air lens, 圖示灰色條紋.
眼睛的最左邊跟最右邊是起爆點, 那附近的用色是燃燒方向的意思.

寫 1/2/3/4 的都很好理解.
設計的目的, 就是要讓氚或氘所在的核心發生足夠的核融合.
核融合的條件其實就是溫度, 壓力與時間, 加上正確的燃料.
在足夠的溫度與壓力下, 維持足夠的時間, 氚或氘會發生核融合.
最近很熱門的雷射誘發核融合是這樣做的.
然後太陽跟所有的恆星也都是這樣做的.
氫彈呢, 就是用核分裂彈製造巨大的溫度跟壓力, 逼迫原子核融合.

岔題一下...
原子核是一種非常硬的東西.
它只會自己壞掉（專有名詞叫做衰變）, 至於你用鐵鎚是敲不破的.
譬如 CERN 這個機構的專長就是破壞原子核.
世界上可以做這種趣事的單位不多, 都是高能物理的領域.

不過沒關係, 破壞氚或氘的條件就是溫度, 壓力與時間.
同時, 核融合沒有所謂的連鎖反應.
連鎖反應是核分裂或者一般化學反應的特性.
譬如誘發核分裂的都是中子流.
所以一串核反應之內, 只要可以自行提供更多的中子, 就會持續進行.
核分裂反應就會提到臨界狀態（用掉一個中子會還你一個中子）.
或者超臨界狀態（用掉一個中子會還你一個以上的中子）.

總之, 核融合的條件就是溫度, 壓力以及時間, 然後沒有連鎖反應.
所以氫彈的原理就是：「用一個小核彈炸出一個大核彈. 」
在電光石火之間, 要創造足夠的溫度與壓力, 把氚氘用光.

回到主題, 就是 Swan device 的洋蔥結構...
所以高爆炸藥負責製造高壓, 提供鈽層足夠的超臨界狀態讓核分裂啟動.
鈹層用來把核分裂的中子流儘可能地反射回鈽的所在, 再增強核分裂.
然後在鈽燒光的那一瞬間, 祈禱氚與氘發生核融合, 也一起燒光光.

這裡有個有趣的「核彈保鮮期」的問題.
因為氚的半衰期只有 12.4 年, 所以氫彈是會腐敗的. XD
如果缺乏定期保養的話, 氫彈會炸不開.
氚會變成氦三, 氦三這個東西會吸收中子, 所以會抑制鈽的核分裂.
簡單來說, 氫彈腐敗之後, 威力連內部那顆分裂彈都會減弱很多很多.
湯姆克蘭西《恐懼的總和》裡面就寫到這個情節.
恐怖份子的氚被氦三污染, 結果氫彈沒起爆, 連核彈威力都只剩下 1/4.
印象中是 30 萬噸的設計威力只剩下 1.5 萬噸.
俄軍的核彈也是這個原因被懷疑不知道還剩下幾成威力.

然而然而, 回到前面的 air lens 呢, 很奸詐地就查不到資料.

這個 air lens 是很關鍵的結構.
你看其他核心都是圓的, 高爆炸藥隨便猜也知道是橢圓.
然後 air lens 呢, 形狀跟材料就沒寫... google 也不講.
總不可能隨便灌空氣進去吧!!? 那個過程是電光石火欸.
為什麼那是關鍵? 很簡單: 傳遞壓力波的物質就是這一層 air lens.
如何讓鈽在起爆的過程中, 在氚與氘的核心中束縛足夠的時間?
關鍵就是這一層 air lens 的物性化性跟形狀.

至於起爆的核心, 很多科普書記都有寫: 看起來像恆星的中心.
這就是在描述溫度與壓力隨著時間變化的方程式.
只是說溫度高很多, 壓力比較小, 時間非常短.

這些是 Swan device 的概念, 雖然有秘密, 但不難理解.

然後還有更進階的 wiki 可以參考.
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_weapon
但這裡面很多段落讀起來都像科幻小說了, 也不知道是真是假. XD

只是............冷戰結束了, 核彈都上鎖了啊, 沒人設計新的.
看起來都是舊的抄來抄去, 反正試爆會炸開就好了.

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新詩練習：新鮮。踩破初春裡的狗大便；不經意的滄桑，滿溢著嫩黃的喜悅。

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