中子武器的优势和劣势何在? 第1页

谈到中子弹，很多人都会说：“杀人不毁物”，稍稍资深一点的，会说“中子流杀伤范围超过了火球和冲击波的杀伤范围“，这些理解其实是不准确的，下面解释一下中子弹的特性。

首先是一些关键概念：

裂变比例
“次级当量”和“聚变当量”不要弄混淆，是因为“次级”中会有大量的能量来自裂变：铀238惰层会吸收聚变中子，发生裂变。而现代核武器是使用铀238做次级惰层来廉价地提高总当量。当然也有美国这种因为储量足够而直接用铀235的（提高当量的效率更高）。

美国上世纪五六十年代提出的“干净”热核武器就是要降低热核武器中的裂变比重。这就要求用其他材料替换铀238，比如1956年7月11日的核试验中使用了铅，1958年7月12日试爆的核装置则使用了碳化钨。

但是这些“干净”热核武器都是在百万吨到千万吨级别的，Samuel Cohen（美国中子弹之父）在1958开始研究低当量“干净”热核武器。

当量

很明显，要达到高当量就要有较厚的辐射外壳（radiation case、氢弹辐射屏蔽壳；作用是尽可能长时间地约束热核燃料，材料是钢），而这辐射外壳将阻止中子的逃逸。那降低热核武器的总当量也就可以减少辐射外壳的厚度，让更多的中子辐射出来。铬和镍也可能被用为“级间材料”，可以让中子逃逸出去。Samuel Cohen的发现就可以举例为：1千吨级别“干净”氢弹辐射外壳的厚度是1百万吨级别氢弹的十分之一。这就是中子弹当量要小的原因。

中子弹的当量于是被限定在1千吨到1万吨TNT左右。

初级

当然，当量也不能太小，否则初级将无法点燃次级。进一步来说，不仅初级当量小，放出的X射线少，连X射线在初级当量中占的比例也会很低；结果是无法释放出足够的能量点燃次级。小当量初级的最大问题是它释放的能量大部分是流体力学意义上的冲击波，而不是X射线；而这种动力学内爆压缩是无法产生X射线辐射压缩的高效率的。为什么？因为小当量初级的当量/重量比（比威力）低，产生的当量不得不推动相对较重的碎片。这是因为要内爆压缩钚弹芯，基本的一系列重量是不能减少的，当量降低到一定程度，重量就难以继续减轻了。所以，如果能提高初级的比威力，中子弹的特性就可以增强。

比威力

如何提高小当量初级的比威力？最直接的答案就是使用更多的助爆材料（特别是氚），当然也需要提高常规炸药的爆轰效率。但是没有必要增加钚的用量。（一个有关的话题是：核试验中初级当量如果过高，次级也无法点燃，就是因为辐射外壳没有设计成能约束住过高能量的X射线，次级来不及聚变就解体了。而过于保守地设计辐射外壳的厚度就会导致武器的整体比威力过低、核辐射尘过多。）

总结起来，就是要研制一种低当量的高比威力扳机，还有相对来说比较薄的次级（次级结构可能也要改变）。

把增强辐射武器叫“中子弹”没错，因为同当量条件下，增强辐射武器释放的中子流要强很多。

不过如果只比较“杀伤范围”，任何两千吨当量以下的核武器都可以叫“中子弹”，甚至包括纯裂变武器。

这是因为由于当量降低后，辐射外壳的厚度降低，结果早期核辐射的杀伤面积都会大于其他效应的杀伤范围（在早期核辐射中，中子流占的比重也会比伽马射线要大）。只要你把这种低当量（纯裂变）武器的爆高定为几百米，热辐射和冲击波杀伤范围会更加小，而中子流的破坏力不变。

看图说话：

这是1千吨当量的纯裂变武器，爆高500米。黑色内环是冲击波（5磅psi）的杀伤范围，黑色外环是热辐射（二度烧伤）的杀伤范围，红色内环是“立即失能”（8000 rad）的范围，红色外环是“10%致死率”（150 rad）的范围。

下面这是1千吨当量的增强辐射武器。

对比可知，所有当量足够低的核武器都可以让中子流的杀伤范围超过其他效应。
不过增强辐射武器（“真正的中子弹”）是氢弹，也就是可以运用聚变中子，比低当量纯裂变武器的中子威力更明显。

=========================================================

W-79八英寸中子炮弹（当量2千吨左右）70-75%聚变+25-30%裂变

34%冲击波+22%热辐射+40%早期核辐射+4%放射性沉降 [早期核辐射能量比同当量纯裂变弹大10倍]

=========================================================

W-70 Mod 3长矛导弹的中子弹头（两个当量：大大低于1千吨、略高于1千吨）60%聚变+40%裂变

W-79八英寸中子炮弹（两个当量：大大低于1千吨、1千吨）50%聚变+50%裂变

40%冲击波+25%热辐射+30%早期核辐射+5%放射性沉降 [早期核辐射能量比同当量纯裂变弹大6倍]

=========================================================

总而言之，“降低当量”只是实现增强辐射武器的部分条件，而仅把“降低当量”跟“控制高温高压的杀伤范围”联系起来就会走向低当量纯裂变武器，而不是低当量氢弹。

即使确认了“低当量氢弹”的方向，如果走的是“使用U238惰层”的方向，仍然不能体现出高通量聚变中子的优势。

就算取消了U238惰层，还有一个“低当量的高比威力扳机”需要攻关，否则可能导致次级点火失败。（从W-70和W-79各当量选项的能量分配来看，500吨左右的初级应该是必须的。）

下面我们再来看看美国的材料：

《Capabilities of Nuclear Weapons》

DNA-EM-1, U.S. Department of Defense, Chapter 5, Nuclear Radiation Phenomena, August 1981 revision

第五章第24页（5-24）：

“中子流和次级伽马射线跟武器设计有很强的关联......而相对而言，裂变产物放射剂量则与核武器设计关系不大；但是裂变产物放射剂量与武器总当量、裂变当量所占比例的关联度很高。”

上面这几句话很好地总结了“收集他国核爆后放射碎片”的意义。下表是八种核武器构型的代表和它们的“典型当量区间（Representative Yield Range）”。这八种核武器被认为对（至少是1981年的）美国核武库有很强的代表性：所计算的核武器可以用其中一种来做模板。

第五章第25页（5-25）

I型核武器 次千吨级别裂变弹 0.08kt空爆

II型核武器 纯裂变弹 50kt空爆

III型核武器 大体积助爆裂变弹 200kt地爆

IV型核武器 小体积助爆裂变弹 30kt地爆

V型核武器 增强中子武器 1kt空爆

VI型核武器 枪式裂变弹 15kt空爆

VII型核武器 热核弹 500kt空爆

VIII型核武器 热核弹 10Mt，40%裂变

分清了武器构型，接下来就是中子流的杀伤范围问题。由于关注的是致死剂量，主要看“短距离（Short Ranges）”的图表。

第五章第33页（5-33）：

图5-9a. 1kt地爆，核武器类型I-IV，中子剂量与直线距离（斜距，Slant Range）的关系

中子流强度从大到小依次排列是：小体积助爆裂变弹（IV）、次千吨级别裂变弹（I）、大体积助爆裂变弹（III）、纯裂变弹（II）

这里可见内爆式裂变武器所用的高爆炸药层对中子辐射的强度有很大影响，所谓“纯裂变弹”估计就是标准的内爆武器，结果是要依靠大量的高爆炸药+惰层来压缩、约束弹芯，于是许多裂变中子被减速、吸收掉了。

第五章第35页（5-35）：

图5-10a. 1kt地爆，核武器类型V-VIII，中子剂量与直线距离的关系

中子流强度从大到小依次排列是：

600米内：增强中子武器（V）、枪式裂变弹（VI）、40%裂变热核弹（VIII）、热核弹（VIII）

大于1600米：增强中子武器（V）、40%裂变热核弹（VIII）、热核弹（VIII）、枪式裂变弹（VI）

这里可见枪式裂变弹放出的裂变中子也很可观，但是正是因为它是裂变中子，穿透力不强，而且在稍远距离就迅速衰减掉了。

关于“中子流强度的爆高（HEIGHT OF BURST）修正因子”的图表（页码5-37）中，也有很有意思的信息。

首先是爆高越大，修正因子越大，中子流的强度也就越大。关键是图中只有3条曲线，也就是把八种核武器分成了三组。

第一组：小体积助爆裂变弹（IV）、两种热核弹（VII，VIII）

这三种核武器的共性可能是聚变中子的比例很高，但是次级的U238惰层又吸收了大量裂变中子。目前估计VII型热核武器（500kt）是高比威力的热核弹头，ICBM和SLBM用的；VIII型热核武器（10Mt，40%裂变）可能是大当量的重型“肮脏”氢弹。

第二组：次千吨级别裂变弹（I）、纯裂变弹（II）、大体积助爆裂变弹（III）

这三种裂变武器的共性可能是内爆法要求的高爆炸药含氢量大，而这些高爆炸药又是包裹住整个弹芯，会想水一样起到中子减速剂的作用。

第三组：增强中子武器（V）、枪式裂变弹（VI）

之所以把“枪式裂变弹”跟中子弹归为一组，是因为枪式裂变弹所用的钢管散射中子，却不吸收裂变中子的能量；比较起来，内爆裂变弹的高爆炸药中含有的氢核会大大降低裂变中子的能量。从某种意义上说，这两种核武器都有一个比较薄、比较透明的外壳，可以让中子放射出来。

中子弹的设计要素？

引号内的是Chuck Hansen1988年的书《美国的核武器》上的内容。方括号内是解释。

关于“干净”中子弹的争论，由已故Chuck Hansen1988年的书《美国的核武器》（猎户座出版社），175-201页上提供了一些有关资料：

“W79[是火箭推进、直径8英寸的核炮弹，43英寸长，215磅重。这炮弹装有火箭发动机，将一般8英寸炮弹的射程提高了一倍，达到18英里；有一个目标传感器和可调爆高功能，并内置D型PAL来防止非授权的使用]”

“...W79的工程开发工作开始于1975年1月，利弗莫尔实验室。1976年，陆军正在开发一种8英寸原子炮弹的核弹头，它将成为美国第一个专门设计以减少附带损害的核武器。”

[由于氚氘聚变释放的能量有80％是14.1兆电子伏特的（高穿透性）中子，爆炸冲击波和热输出量减少。]

“在1977年1月，福特总统批准了一份库存备忘录，内容是把W79作为一种'增强辐射'武器（所谓的'中子弹'无非是一个助爆型裂变装置）。批生产的工程开发工作开始于1977年3月，在9月底这一阶段的工作（由于政治原因）被暂停，直至1978年11月初才重启。 ”

[其实，中子弹之父科恩指出，中子弹机制是一个标准的泰勒-乌拉姆构形，其当量降到非常低时自动就有了很高的中子输出。辐射外壳厚度——把X射线能量从武器内裂变初级反射到聚变材料上必须的——同武器总当量的立方根成正比。1kt的泰勒-乌拉姆热核武器可以允许超过90%的中子逃逸出去，而1Mt的氢弹则有90%左右的中子被吸收、散射、降低了穿透力。]

“第一个试生产件于1981年7月下线。批量生产出现从9月份开始，一直持续到1986年8月，550枚（包括325枚'增强辐射'和225枚标准型）W79被制造出来。”

Hansen接着指出的W79-1型是中子弹，当量可调，最高可至2kt。

W79-1弹头非常小，采用圆柱形内爆的钚239扳机，而不是球形内爆扳机。也就是说，初级包含有一个圆柱形的钚239核，周围是铍中子反射层，然后是圆柱形的高能炸药包层。

使用圆柱形内爆扳机（而不是球形内爆）来点燃聚变反应不是新鲜事，在1951年5月9日进行George核试验就试爆了这种构型。

使用圆柱形扳机的原因是，在弹体中心的钚杆的两端是暴露出来的，没有高能炸药的遮挡，直接在这两端就近放置聚变材料。于是聚变反应的点燃比球形内爆扳机容易得多：球形扳机的高能炸药包层必须先吸收X射线，然后再把X射线重新辐射出去（这是一个低效率的过程，因为一些能量被吸收后转换成了冲击波，并没有实现X射线的完全再辐射。也会有几何形状上的问题：扳机裂变材料和聚变燃料间的距离大，降低了辐射流输送到次级的效率。）。

Chuck Hansen的描述称，热核燃料是一个可移除的“氚容器”，放置在圆柱型钚裂变扳机之中（跟助爆原子弹一样）。这是不正确的。在圆柱形扳机武器中，同球形扳机不一样，聚变材料可以放置在钚杆的端头：紧贴裂变材料，无需占用管状钚扳机内部的空间。X射线由钚杆的端头发射出来，然后可以用于泰勒-乌拉姆压缩，，这是一个比助爆更有效的结构。

2kt当量中子炮弹是需要圆柱形内爆初级的，因为（1）要把核装置放进炮弹中；（2）在如此低当量的条件下，让泰勒-乌拉姆构型有效地工作，就要消除一般球形初级的高能炸药层，这高能炸药层挡在裂变材料和聚变材料之间。

但是，极低当量（1kt左右的）核武器要实现有效起爆，热核装药中就要包括有氚气体胶囊（而不是只用高当量氢弹中的固体氘化锂6），Hansen说的这点是正确的。但这不是他说的“助爆”形式，由于氚和裂变初级是分开的。中子弹采用了泰勒-乌拉姆构型。 （不是助爆原子弹，否则中子将无法轻易逃逸出去。）

W66弹头是另一型中子弹，是为“Sprint”准备的反导弹头：中子流会破坏大气层内来袭的敌方洲际弹道导弹头（因此当量低，小附带损害，洁净中子弹是理想的选择）。

W66的理论研究开始于科恩在1958年的中子弹探索，但Sprint反导中子弹的批量生产技术研究工作到1972年1月开才始。1974年6月制造出第一枚W66核弹头。到1975年3月，已经制造出70枚W66弹头。

================================================

所以，中子弹设计的特点是：1，圆柱形扳机（？），2，热核装药中的胶囊助爆（“pill boosting”）

第二点实际上已经得到证实了：

《Tiger Trap: America's Secret Spy War with China》

胶囊助爆（因为要使用半衰期很短的热核材料）导致中子弹的价格可能相当昂贵，所以它作为要大量使用的战术核武器，可能是极其不划算的。这也是为什么没有什么国家至今还大规模部署中子弹的原因。

最后补充多点国内材料：

补充的国内材料：

------------------------------------

5. 突破中子弹

......

中子弹原理的突破也标志我们核武器技术水平的一大提高。中子弹是一种特殊型的氢弹，不是通常的氢弹小型化，是另外一种类型核武器，它有自己的作用原理。所以这样又碰到一个难关，怎么去突破中子弹原理？当然仍然只能是自力更生，依靠中国人的智慧。那个时候研究所内有一个室投入到中子弹的突破研究。当时有一种看法认为可用通常氢弹的理论研究中子弹。我负责一个组十几人进行原理探索和一维设计，我们仔细分析和研究后认为中子弹有其特殊性，不能因循旧框框，应按新的思维进行研究。

核武器的作用关键是要解决点火和自持燃烧两个问题。这必须研究清楚能源与能耗竞争问题，即外界做功或核能释放不断加热燃料和能量耗散系统冷却（包括系统对外做功和辐射流失）之间的竞争或消长关系。如果能量流失得太厉害，也就是“消”占优势，就不断冷却，点不起火来；如果刚好达到某一个层次，两者平衡的时候，就达到点火点；如果“长”超过“消”，热核燃烧就自持地进行，直到燃耗加深，“消”又超过了“长”，最后系统释放大量核能后，发生崩溃。如果把这两个问题在不同状态下研究得很清楚，就能抓住中子弹“牛鼻子”。中子弹像原子弹、氢弹一样是一个复杂系统，不过这一复杂系统有它自己的特殊性。研究这样复杂系统中“长”与“消”特殊竞争关系，首先需要把影响中子弹系统的各种因素分解开来，并研究清楚它们的物理规律，其中总有几个因素起主要的作用，需要抓住这几个主要矛盾，清楚了解它的作用规律，然后再搞清楚这些因素（或过程）的相互作用关系，进行总体集成，就能抓住中子弹的总体物理规律。我们分解研究了几十个到成百个因素，研究了各种过程互相竞争的关系，终于抓住了几个关键的过程，抓住了主要矛盾。

当时我们用于中子弹总体理论设计的计算机计算的峰值速度约一百万次，弄得满屋子的纸带。因为当时计算机还没有图形显示设备，没有办法把数据变为图形很好地显示出来，都是纸带中的数据。你不敢丢一张，万一在丢了的一张纸带里，有核心的数据，就得不到重要的结果，所以都保留起来，进行仔细分析。有些数据不得不用手把曲线画出来，所以工作量非常大。就是在这种情况下，大家群策群力，克服了很多困难，最终热试验证明了我们的研究结果，突破了中子原理。

从原子弹、氢弹到中子弹研制所用的电子计算机。先是每秒一万次的104机，它由电子管组成，主要用于突破原子弹计算。后来是119机，再后来便是109丙机了。J501机在上海，为突破氢弹立下了汗马功劳。在几年以后又用了60万次的655机。突破中子弹时已用了百万次计算机。现在完全不一样了，一个好的PC机，主频可能是五六百兆，峰值运算速度约每秒十亿次，现在我们用的高性能超级计算机峰值速度可以达到几万亿次以上。当时就在一万次、几十万次、百万次计算机上数值模拟，突破了原子弹、氢弹和中子弹。
......

------------------------------------

......然后就是突破中子弹，中子弹我们77年开始接受任务，它是一种以高能中子杀伤别人的千吨级的核武器，但是关键的作用原理是不同于氢弹的，所以在原理上有一种新的突破，当然我们有了原子弹、氢弹研究的经验，仍然需要探索，大量的物理过程的分解、研究和探索，经过了几年的时间，我们除了理论的模型研究之外，我们每秒百万次的计算机上面，进行了大量的数字模拟，克服了很多困难，抓住了热核点后互相制约的主要因素，因为因素太多了，所以我们通过分解研究以后，把有些不重要的都排除掉，把主要的元素集成以后，终于在80年代初，热实验证实是成功的......

还有学界流传的最新关于中国中子弹研究的文章：《Red China's "Capitalist Bomb": Inside the Chinese Neutron Bomb Program》