尹瑞涛

中子弹的设计与制造

中子弹的设计制造是在掌握氢弹原理和关键技术的基础上，尽可能地减少裂变材料和尽可能地使聚变产生的高能中子易于穿出弹壳。中子弹和普通氢弹的区别是：（1）中子弹利用较少的裂变材料就能放出较多的能量，以满足氘氚聚变反应所需的高温；（2）普通氢弹用的聚变原料是固态氘化锂-6，中子弹用的是氘氚混合气体。因为氘和氚聚变反应所放出的中子比裂变反应所放出的中子多得多，而锂可以吸收大部分中子；（3）在普通氢弹中，聚变反应放出的高能中子大多被吸收，用来产生氚和使包壳材料铀-238裂变，这也是氢弹“脏”的主要原因，而中子弹产生的中子大部分穿出弹体被释放出来。

相对于普通的氢弹来说，中子弹少了一层铀-238外壳，因为铀-238会使中子慢化，降低中子能量，而且铀-238在快中子作用下发生裂变反应，增加了冲击波和光辐射以及裂变产物的放射性沾染，这和中子弹的设计目标是背道而驰的。中子弹的中心是一个超小型原子弹作起爆点火装置，其小型化程度极高，重量不超过400克，爆炸当量为250～400吨TNT。超小型原子弹的核装药采用亚临界质量的钚-239，因为钚-239比铀-235原料能释放更多的中子，且同等条件下钚-239的临界质量比铀-235小2/3，可使中子弹总体达到小型化。原子弹的周围是中子弹的热核炸药氘和氚的混合物，外面是用铍和铍合金做的中子反射层和弹壳。只有当氘、氚注入到中子反射层之内时，引爆才能有效。铍作为反射层，可以把瞬间发生的中子反射回去，使它充分发挥作用，从而大大提高了中子的利用率。同时，铍虽不是裂变材料，但它吸收中子较放出中子为少，当一个高能中子打中铍核后，会产生一个以上的中子，称为铍的“中子增殖效应”，这样可以弥补中子的不足，使聚变反应更加完善，这无疑是增加了中子产额。这种铍反射层能使中子弹体积大为缩小，因而可使中子弹做得很小。据估算，使用高效炸药获得球对称向心压缩达到10 000千巴的压强，在有铍反射层的条件下，可以使临界质量降低到数十克核燃料就足以引爆相当于千吨级当量的中子弹。中子反射层除了易引爆之外，还可以节省可分裂物质。西方国家有人估计，美国采用这项技术可节省90%的常用核燃料。据说，当量为1 000吨TNT的“长矛”中子弹头只需要5克钚就完全可以引起链式反应。此外，中子弹还带有超小型原子弹点火起爆用的中子源、电子保险控制装置、弹道控制制导仪以及弹翼等。

中子弹的核燃料是氘、氚，在常温下呈气体状态，因此要保持氘、氚呈液态就必须有低温装置，美国《纽约时报》曾透露过中子武器的机密部件“储氚器”，它是中子弹的心脏，其密度很大，而且容易加工。由于氘和氚容易被空气中的氢置换，也容易和空气中的氧发生反应生成氘水（重水）和氚水（超重水），所以储氚器的材料应在没有空气的真空中贮存。由于氚衰变放出β射线，然后变成氦-3气体，使储氚器内部压力不断增大，所以储氚器要耐高压、耐β辐射。因为随着储存时间增加，氦-3气体越来越多，内部压力越来越大，所以到一定时间之后，储氚器要更换维修。

制造中子弹，主要是增加核反应释放的中子，同时使核反应释放的中子尽量多地穿出弹壳。在释放同样大小的能量时，聚变反应中放出的中子数要比裂变反应所放出的多几十倍。这是因为在裂变反应时释放一个中子所伴随的能量要比热核反应的能量大，裂变反应每放出一个中子伴随的能量释放为100～200MeV（MeV，兆电子伏特，原子物理中的能量单位，1MeV=1.60×10-13J），而聚变反应每放出一个中子伴随的能量释放则为3.2～21.6MeV。因此，增加中子的主要途径是增加聚变比例并减少裂变比例，选用更合适的材料。金属铍对制造中子弹很有用。铍有6种同位素，从铍-6到铍-11，其中只有铍-9是非放射性的，它占天然铍的100%，其它5种同位素均为人工制造。铍在裂变武器中有两种用途：一是做成镭铍中子源或钋铍中子源，放在原子弹的弹芯作裂变点火器；二是包在核材料的外面作为中子反射层。因为铍的热中子吸收截面很小，核反应放出的中子经过碰撞慢化，穿出核材料碰着铍时，就被反弹回核材料中，继续参加裂变反应，利于烧掉更多的裂变材料而增加威力。铍在聚变武器中也有两种用途：一是铍在受到聚变放出的高能中子轰击时，自身会释放出两个高能中子，这是氢弹爆炸中增大中子注量的简便方法；二是当铍和氘作用时，还可以用来造氚。

氘氚聚变反应是氢弹的主要反应机理，氘和氚聚变所放出的中子比裂变所放出的中子多得多。一千克氘氚完全燃烧所释放的中子数，大约是一千克裂变材料完全裂變所释放中子数的30倍，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，20%的能量由氦核带走，这是制造中子弹的理论基础。裂变产生的中子的能量比较小，穿透空气不能太远，而聚变产生的中子不仅能在空气中通过很大的距离，而且还能穿透墙壁和坦克的钢板。endprint

中子弹以氘氚混合物为燃料，制造一枚1 000吨TNT当量的中子弹需要消耗5克氘。关于原料氚，理论上只需7.224克氚，但因为考虑到氚的利用率，一枚中子弹的用氚量要远大于这个数，仅制造环节就需要12.5克氚。氚在自然界中的存量极少，丰度极低，地球上天然氚的总量仅有约3.6千克，主要以氧化物的形式存在于水环境中，且不可能进行提取、回收与利用。中子弹所用的氚都是通过人工制造的，主要是在反应堆中使锂-6吸收中子变成氚和氦。生产中要先将含锂-6的靶材氢化锂、碳酸锂或锂镁合金等做成适合在反应堆中辐照的元件，经中子辐照后，有的锂-6变成了氚和氦。然后将含有氚的锂-6元件熔解，去除氦、氮、氧等杂质，再提取氚。该生产工艺要在反应堆中烧掉铀-235或钚-239，一个生产聚变材料的核反应堆，平均要消耗掉5个铀-235原子才能产生一个氚原子，也就是要消耗掉392千克铀-235才能生产一千克的氚。所以氚的售价非常昂贵，即使在产量已经非常大的今天，1克氚也要30 000美元左右，比高浓度的铀-235或钚-239贵几十倍。另一方面，氚的半衰期仅有12.33年，它以每年5.47%的比率发生β衰变，且衰变产物氦-3能够吸收中子，进而降低中子弹的中子产量、减小威力，因此需要及时补充氚，这使得中子弹的制造和维护十分昂贵。一枚1 000吨TNT当量的中子弹比一枚10 000吨TNT当量的原子弹花费要高得多。根据美国能源与环境研究机构所提供的报告显示，从1955年到1996年，美国共生产了225千克的氚，但由于氚的衰变，到1996年，仅仅剩下了75千克。

中子弹的爆炸过程

中子弹的爆炸过程是这样的：首先由高能化学炸药爆炸给中心钚球以巨大压力，使钚的密度剧烈增加。这时受压缩的钚球达到超临界而引发钚-239的裂变反应，钚-239的裂变反应产生了强γ射线和X射线及超高压，强射线以光速传播，它比原子弹爆炸的裂变碎片膨胀快100倍。当下部的高密度聚苯乙烯吸收了强γ射线和X射线后，便很快变成高能等离子体，使储氚器里的含氘氚混合物承受高温高压，引起氘和氚混合气体的聚变反应，产生大量高能中子，进一步促进钚-239的裂变，从而放射出更多的中子，这一过程称为“中子反馈”。由于裂变反应不断增强，从而引发了大量聚变材料氘氚的聚变反应，其中聚变反应比裂变反应放出的中子多得多，而且聚变反应放出的能量大部分为高能中子所携带，成为核辐射杀伤的因素。高能量的中子在空气中有较强的穿透力，能有效地杀伤人员和对付装甲集群目标，而对建筑物、运输工具和武器装备的破坏作用则很小。

至于中子弹的最佳引爆高度，尚无定论。美国五角大楼给出的建议是30米；也有科学家认为在900米高度引爆效果最好，在保证中子辐射杀伤效果的同时能最大限度地减小冲击波对地面物体的破坏；法国方面则认为1 000米是最佳高度，超过1 000米，中子弹爆炸就仅剩下天空中的一个火球，而不会对地面人员造成杀伤，低于1 000米，冲击波的效应就比较明显了。

中子弹杀伤机理

质子和中子组成了原子核，中子质量与质子的质量大约相等，其中质子带正电，中子不带电，因此中子与原子核或电子之间没有静电作用。中子从原子核里发射出来后不受外界电场的作用，穿透力极强。

中子弹爆炸产生的中子射线看不见，摸不着，是一种不带电的高速粒子流，它以每秒几千至几万千米的速度从爆心向四周传播。高速中子流具有极强的穿透力，能深入穿透物质。它可以穿透几百米甚至几千米厚的空气层，可以穿透人体及相当厚度的物质层。同时，中子也是唯一一种能使其它物质具有放射性电离辐射的物质，中子使其它物质具有放射性的过程被称为“中子激发”。

中子的重要特征是不带电，不存在库仑势垒的阻挡，这就使得几乎任何能量的中子同任何核素都能发生核反应。高能中子流具有极强的穿透力，对人体危害很大。中子流能够轻易穿透坦克和装甲车的装甲，进入人体组织后与人体细胞里的氢、碳、氧、钾、钠、钙和磷等元素起核反应，从而使这些元素的原子發生变化，致使细胞的生化结构和正常的代谢活动遭到破坏，造成细胞损伤，从而引起组织损害。细胞受到辐射损伤可能导致如下结果：细胞早期死亡；阻止或延迟细胞分裂；细胞永久性变形，一直可持续到子代细胞。人体内细胞的这些变化会表现出临床症状，如放射病、白内障或在以后较长时期内出现癌症。endprint

中子辐射诱发生物大分子（如蛋白质和酶系统、DNA）损伤的后果是细胞结构（包括细胞膜，线粒体，溶酶体，内质网和核膜等）的破坏，而影响细胞正常功能，甚至出现细胞坏死。人体内的生物大分子存在于细胞中的大量水分子中，当中子流作用于水分子时，水分子亦会被电离或激发，生成有害的自由基（H，OH），这些自由基则与硫氢基（SH-）和其它细胞重要组成部分起反应，继而使在水分子环境中的生物大分子受到损伤，破坏细胞正常的化学物理状态而引起生理上的变化。具有酶活性的蛋白质分子受到照射而丧失活性，会影响机体内多种生化反应的正常进行，使物质代谢和信号传导受阻。辐射所致的脂质分子过氧化可使细胞膜系结构受损，导致细胞膜、核膜、线粒体膜、内质网膜和溶酶体膜的通透性发生改变，使物质代谢过程中产生的毒物进入细胞产生细胞毒作用。核膜结构改变后，辐射引发的大分子自由基和细胞正常代谢产生的有害物质大量进入细胞核内，攻击DNA和蛋白质分子，形成染色体畸变，影响核基因组复制转录。线粒体膜受损后，细胞氧化磷酸化不能正常进行，致使细胞正常功能受阻，辐射损伤不能修复。在临床症状上来说，中子辐射会造成造血器官衰竭，消化系统、中枢神经损伤，肠胃和雄性性腺严重损伤。

中子与物质原子核直接发生作用，中子与原子外层电子相互作用时，中子所损失的能量，比起中子和原子核的作用来说可以忽略不计。中子与物质作用后能引起物质的电离，这是中子对人员和物质造成杀伤破坏的根本原因。中子通过电离和激发把其能量传给组织、器官，引起人体的损伤，损伤的程度随中子的能量以及通量密度大小而异。人体组织中的轻元素——氢、碳、氮和氧的重量大约占96%，在肌肉组织中它们所占比例可达到99%。高能中子与人体组织中这些轻元素的原子核发生弹性碰撞时，把大部分能量授予组织，因此，高能中子对人体比低能中子有更大的危害作用。高能中子在体内与氢原子核碰撞，击出质子而产生电离。慢中子则是与人体内的氢和氮的原子核起核反应，产生γ射线和质子，通过这些射线再在体内产生电离。

中子进入组织后，通常直接与生物元素原子核发生碰撞。由于机体内氢元素最多，中子与氢核碰撞的机率最大。快中子与氢核相碰撞，损失部分能量，带着较低能量改变运动方向继续行进。氢核获得能量即从原子中冲出变成一个带正电荷的质子，即“反冲质子”，而它的壳层电子也被丢失。高速的反冲质子在组织中的射程短，但其电离密度却较大，在其运动途中可引起物质电离和激发，能对各种生物活性分子造成不可修复的损伤。快中子通过此种过程可损失50%的能量。例如，当快中子与人体中的水分氢核相碰时，其部分能量交给质子，使质子在人体内行程20～30厘米，产生上百万个離子，因此危害是很严重的。在中子辐射的作用下，人体内的生物大分子，如核酸、蛋白质等会被电离或激发。这些生物大分子的性质会因此而改变，细胞的功能及代谢亦遭到破坏。实验证明，辐射可令DNA断裂或阻碍分子复制。

对于慢中子，其主要作用过程是辐射俘获。这种中子和组织相互作用时，可能产生反冲质子或其它反冲核以及放出γ射线，所以中子转移给人体组织的能量过程是比较复杂的。但是一般认为中子引起人体损伤的有效性是γ射线的2.5～10倍，所以中子对人体的危害比γ射线的危害要大。

此外，中子能使本来没有放射性的某些金属物质，如钠、钾、铝、锰、铁等产生放射性，这种放射性叫感生放射性。中子弹产生的大量中子作用于土壤、兵器、含盐食品中的上述金属原子核时，会被这些原子核俘获而产生强烈的感生放射性，放出β射线和γ射线，对人体造成伤害。

1945年8月21日晚上九点半，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家达格利恩在做临界试验时，不小心把一块4.4千克碳化钨掉到一个6.2千克的钚镓合金半球上，碳化钨充当了中子反射层，使系统达到了临界条件。达格利恩受到了大量辐射，据计算，他受到5.1西弗的中子辐射照射，这相当于1×1 016次裂变的当量。虽得到及时医治，但他仍于25天后不幸离世，年仅24岁。这也是世界上首例导致了死亡的临界事故。

然而，仅仅9个月后，这个钚球又夺去了达格利恩的同事斯洛廷的生命。两起临界事故的发生，使得它获得了“恶魔核心”的称号。

中子弹——坦克克星

普通的原子弹对坦克的杀伤能力较弱，并且容易造成放射性沾染，在使用后很长一段时间内，自己的军队也很难去占领这些地区。坦克坚固的钢铁结构、厚厚的装甲能够承受冲击波和光辐射的毁伤；坦克良好的密封性能使其能够防止核爆炸时放射性颗粒进入车体内部，从而可以保护乘员免遭放射性沾染物的伤害。1 000吨TNT当量的战术原子弹，对20世纪50～60年代的中型坦克的杀伤破坏半径仅为200米；广岛级别的原子弹（约1.5万吨TNT当量）对中型坦克的破坏半径约为500米，即坦克只要部署在1里开外，就可以保持一定的战斗力；即使是10万吨TNT当量的原子弹，对坦克的破坏半径也只有900米。1953年10月15日，英国在澳大利亚伍默拉进行了“图腾1号”原子弹爆炸试验，爆炸当量为9 100吨TNT，为检验坦克对核爆炸的承受能力，试验前英军将一辆“百夫长”坦克放置在离爆心仅460米处。试验后，该坦克被核爆炸产生的冲击波推出了1.5米，但发动机仍处于完好状态，并且在结束试验后依靠自身动力驶离了试验区。

中子弹是最理想的反坦克武器，由于它的作用距离较远，并且主要依靠中子辐射杀伤坦克乘员，并能破坏坦克内的通信、瞄准和火控系统，因此被称为“集群坦克的克星”。快中子有很强的贯穿辐射本领，例如100毫米厚的钢板可以将γ射线减少99%，但对中子只能减少30%左右。一般认为，防护装甲厚为200毫米的坦克，在遭受中子弹攻击时，车内中子剂量约为车外的一半。同时，装甲钢铁在俘获中子后会放出很强的次生γ射线，进一步造成γ射线危害，坦克本体也变成了强的“辐射源”，从而增强了对坦克乘员的杀伤力。在中子弹的杀伤效果下，坦克装甲部队将迅速瘫痪，最终丧失战斗力。

拉德是放射线强度单位。当人员受到500至2 000拉德的辐射剂量时，胃肠反应是主要的。受到2 000拉德以上的辐射剂量时，反应症状主要是中枢神经系统的。当量为1 000吨TNT的中子弹在90米低空爆炸后，在800米半径内，能产生5 000～8 000拉德的中子辐射剂量，离爆心1 200米处的辐射剂量为600～700拉德。当量为1 000吨TNT的中子弹若在200米高度爆炸，在离爆炸中心900米范围内的坦克乘员会立即暂时昏迷或失去战斗力。如果按战场上每平方千米有40辆坦克计算，一枚中子弹可使成百辆坦克中的乘员立即丧失战斗能力，而坦克却不会受到损害。由于中子弹放射性沉降小，可以在爆炸一小时后占领这些地区，坦克可以作为战利品，因此中子弹被称为“集群坦克的克星”。

冷战期间，华约的坦克部队在数量上相比北约占据压倒性优势，为了减小中子弹造成的损失，他们将被迫把坦克集群的密度降低，坦克分散化布置，那么这些坦克也就很容易用反坦克导弹对付了。而当时北约有几十万枚反坦克导弹，如M47“龙”式反坦克导弹、BGM-71“陶”式反坦克导弹。在第四次中东战争中，反坦克导弹已经被证明是一种对付坦克很有效的武器。因此，中子弹与反坦克导弹配合使用，能获得更好的打击效果。

中子弹打击机场、军舰

打击对方机场设施，是争夺制空权必不可少的步骤。中子弹虽然破坏机场設施的能力不如普通核弹，但它可以大量杀伤对方机场人员，如飞行员和地勤人员等。而这种专业人员的损失将直接造成空中力量的瘫痪。此外，当攻击方使用反跑道战斗部对机场进行攻击后，防御方往往会对机场进行抢修。此时攻击方如果使用中子弹进行第二次攻击，亦能大量杀伤防御方工程人员，使防御方机场无限期瘫痪下去。

集结于锚地的敌方军舰也是中子弹打击的良好目标。这里暂且不讨论中子弹可能产生的冲击波和核电磁脉冲对军舰的影响，仅讨论中子弹产生的早期核辐射问题。由于现代军舰更加重视的是防御对方飞机、导弹和鱼雷的袭击，对于早期核辐射的防护能力是相对有限的。尤其是人员集中的军舰上层建筑，大多采用轻质合金，抗早期核辐射能力低下。以“拉斐特”级护卫舰为例，其防护最为严密的要属露天甲板至水线间部分，此处设计有双层壳板（舰体使用E355FP高强度钢），在两舷各构成一个1米宽的通道，在一些要害部位，如作战室、弹药库等处，还设有10毫米厚度的防弹钢装甲。即使将其壳体对中子的削弱能力视为90%，假设进攻方使用1千吨当量中子弹在800米外爆炸，舰内人员也会受到900拉德左右剂量的中子辐射。舰员属于专业人员，一旦被消灭，无法由普通后备人员替补。此外，军港的人员居住和工作地相对比较集中，一旦将其人员杀伤，则无疑会使港口运作陷入瘫痪。

中子弹——生态杀手

另外，中子弹对生态系统也有着很大影响。1978年，瑞典斯德哥尔摩和平研究所的高级研究员、森林生态学家威斯汀发表论文《中子弹与环境》，研究了中子弹对各种有机物和生态系统的影响。论文指出：一枚1 000吨TNT当量的中子弹在地面上200米高度爆炸，能够立即杀死爆炸中心下方25英亩（半径180米，面积10万平方米）范围内的无防护生物；能够杀死100英亩（半径360米）范围内的细菌、真菌等微生物和藻类；对于昆虫的杀伤范围达250英亩；能够使1 200英亩范围内的50%的动物最终死亡。中子弹空爆时，以其正下方地面为圆心，对植物的破坏半径，一般植物为550米，草原和热带林木为680米，温带阔叶林为760米，针叶林为1 000米。endprint