国外典型核武器内部氢气气氛分析

朱 敏，周洪庆，黄 桂

（海军航空工程学院七系，山东烟台264001）

国外典型核武器内部氢气气氛分析

朱 敏，周洪庆，黄 桂

（海军航空工程学院七系，山东烟台264001）

核武器密闭空间内部气氛中的氢气对铀材料、钚材料可靠性有长期的影响，将会引起严重的腐蚀失效，导致武器装备战技指标下降，同时也给核武器本身的安全性也带来了隐患。以基于理论模型的假想核武器为研究对象，经分析表明，核武器内部氢气主要来源于铀材料与外界渗漏气体的反应，以及有机材料的老化，这些气体在热应力条件下扩散到核武器密闭空间内部。国外有核国家目前主要采用研制生产时改进加工工艺，控制初始状态；交付后，在核武器内部放置干燥剂、吸氢剂2种措施相结合的方法控制核武器内部的氢气浓度，这些做法对我国武器装备的发展都有一定的借鉴意义。

假想核武器；内部空间；氢气气氛；危害控制

核武器是由许多种不同材料组合而成的复杂系统，这些材料（如核材料、高能炸药、非金属核材料、有机高分子材料等）在密封于武器内部时，由于自身热力学不稳定以及各种环境因素的影响（如温度、湿度、气氛、应力、辐照等），从而引发物理、化学反应，进而影响核武器的综合性能，这是美国等有核国家武器库存研究中所面临的重大课题[1]。

核武器中的一些材料在老化时会产生或消耗各种气体，外部环境也会渗透、泄漏进气体，这些气体在某种程度上反映了武器老化的动力学行为。有些气体会对核武器产生不利影响。美国等有核国家在研究武器材料老化和核武器库存状态时都与武器内部气氛研究紧密相联[2]，而且在监测与诊断中通过各种方法对武器内部气氛进行采样、分析、计算、评估、控制等。通过综合调研和分析，针对武器内部气氛的研究主要包括4个方面的内容：①气氛的来源与消耗研究，主要针对武器内部气体的产生，分析气氛的含量、危害等；②气氛控制研究，针对武器内部气氛的来源、危害程度进行控制研究；③气氛的动态平衡，通过气氛的扩散、渗透等计算，确定内部的动态平衡状态；④气氛的监测与评估，针对武器内部气氛监测识别判断武器性能下降的原因。

在核武器内部的各种气体中，氢气分子结构小，渗透能力强[3-4]。在工程应用中，氢是金属腐蚀的伴随产物，金属氢脆研究理论告诉我们，氢气的存在又会对某些材料的性能产生一定的影响[5-6]，针对贮存过程中武器内部氢气气氛开展研究，有助于了解武器状态从而对武器进行相应的评估和诊断。一般认为核武器内部氢气浓度在微量气体浓度范围内，但核武器长期贮存过程中，内部微量氢气造成的影响还有待考量。国内针对武器内部气氛的相关研究起步较晚，特别是在核武器库存气氛监测方面还有待研究。本文以基于理论模型的典型核武器为研究对象，主要从金属材料的腐蚀和有机材料的老化两方面定性分析核武器内部氢气气氛的产生、消耗和危害等问题。

1 国外典型核武器结构

核武器的结构参数细节是各有核国家的核心机密，武器的重量可以是50kg到数千公斤，直径可以从20cm到超过几米，爆炸当量范围从1 kT到几千万吨TNT当量[7]。核武器自诞生以来在小型化、命中精度、可靠性、突防能力等方面取得了显著的进步[8]，但核武器裂变弹芯在原理上没有革命性的改进且基本并不复杂，一般特征在公开文献中可以找到[9-10]，图1描述了国外典型核武器的理论模型[11-12]。

典型核武器模型可以用一系列同心的球壳表述。中心为一空心球，被武器级铀和武器级钚围，由内往外依次为铍反射层、贫化铀或钨反射层、高能炸药层和铝。当今己知的核武器绝大部分是用武器级铀和武器级钚作裂变弹芯，各国所用裂变材料的细致成分尚未公开，但其中主要的材料成分是已知的。核材料中不同核素的质量分数对武器性能有显著影响，对于钚材料239Pu同位素含量越高、240Pu同位素含量越低的分离钚越适合作为核武器的原料[13]，同时武器级核材料提纯的难度极大，因此武器级核材料的成分基本确定。国外用在核武器中的各种核材料的主要成分见表1。

表1 国外典型武器级核材料的组成Tab.1 Composition of typical weapon grade nuclear material abroad

2 核武器内部氢气气氛来源分析

核武器内部氢气的来源主要包括：

铀材料腐蚀反应。核武器内部的核材料包括铀、钚材料，钚材料通常位于内部，发生腐蚀反应的可能性较小，核材料的腐蚀反应主要发生在铀材料[14]。

有机材料老化、辐照分解。现代核武器内部存在高能炸药、结构用高分子材料等，老化和分解过程中伴随气体的产生。

其他来源。武器系统本身所包含的气体，包括各种材料所吸附的气体、装置换气工艺所带入的气体，以及外部环境所渗透、泄露的气体。

2.1 铀材料腐蚀反应相关的气体

核武器中所用的特材主要有：铀、钚和铍等材料。它们所进行的腐蚀反应主要与H2、O2、H2O等气体相关。因此，有必要了解反应过程以弄清气体参与反应的情况。

铍在室温条件下可在表面形成保护性的氧化层，抗纯水腐蚀，在核武器贮存条件下产生氢的可能性极小；钚在武器中是与外界接触极少，相对于铀而言腐蚀程度要轻很多。在此，不考虑特材铍和钚在贮存过程中析出氢气的反应。

铀的化学活性极强，在大气中放置很短的时间就会在其表面产生氧化[15]，易受到环境介质中氧、水蒸气及其它腐蚀性气体的侵蚀而变质[16-17]，即使是在超真空环境中，金属铀表面也会与残留的H2O（g）或O2发生反应，使其核反应性能和材料力学性能收到很大影响。铀能迅速地与氧或干燥空气起反应形成UO2，如反应式（1）所示。

早期认为铀氧化的动力学应是近似线性的，实质上是抛物线性与线性的综合，随着氧化层的不断生长，由于在氧化物和铀基体之间的晶格参数及密度不匹配，在氧化物中形成大的压应力。这些应力通过外层氧化物的开裂和剥落而释放，从而转变成线性动力学关系。

由于形成UO2的自由能要低于形成H2O的自由能，因此水将铀氧化成为UO2，如反应式（2）所示，其速率明显高于反应式（1）。

铀与饱和水蒸气反应的速率，其反应动力学初期阶段为抛物线性或线性，后期为线性反应，速率与水蒸气的分压有关。另外，在铀与H2O（g）反应的过程中，还可能形成UH3，但UH3可能是一种中间产物，它将进一步反应生成氧化物和氢气，当然有少量的氢化物可能仍保留在反应物之中。

铀-H2O（g）-O2体系的反应速率要比铀-干燥空气体系的反应速率要快，但铀-H2O（g）体系中加入O2能明显减缓铀-H2O（g）反应速率。研究表明，在有气态氧存在的体系中，净反应没有氢的生成或水的消耗，当所有气态氧被消耗尽后，就按照铀-H2O（g）体系进行且有氢气的生成。一般认为是气态氧阻止了铀-H2O（g）反应是因为在氧化物表面上形成了单层的或化学吸附的氧原子，由此阻止了水分子的吸附。

2.2 有机材料老化析出氢气

核武器中的有机材料主要有结构用高分子材料和高能炸药，由于这些材料自身的热力学不稳定性以及外界环境的影响更易老化，并且老化过程中常常有气体析出。对于核武器而言，有机材料由于老化而析出气体是武器内部气氛的一个重要来源。

2.2.1 高分子材料的老化

高分子材料老化会引起交联和降解2种不可逆的结果。由于材料的种类不同，使用环境不同，因而老化机理也不尽相同。如橡胶类材料，在武器中主要用作密封材料使用，其老化受氧气的影响较大；而聚氨酯泡沫是作为一种软支撑材料，其老化受水分、残存发泡剂影响较大。

美国的LLNL研究中心用热分解技术研究了硅泡沫分解所析出的气体成分[18-19]，当温度升高时，每1 g硅泡沫会分解出100 μg的水和少量的H2、CO和CO2。

同时，高分子材料对辐照作用很敏感是由其特性所决定的，当化学变化很小时，其物理、机械性能可发生显著变化。对辐照交联型聚合物，辐照时析出的气体主要是H2；对辐照裂解型聚合物，析出的气体组成中发现了大量的甲烷、CO和CO2，气体产物主要是由于侧链基团断裂而形成的。表2中给出了一种硅泡沫材料典型的辐照分解气体成分。

2.2.2 高能炸药

核武器中的高能炸药是塑性粘结炸药，由硝基化合物、粘结剂及增塑剂组成的复合体。其中，TATB、HMX、RDX和作为粘结剂的氟橡胶最为关注[20]。炸药（TATB、HMX、RDX）和氟橡胶是非常不同的物质，因此它们有不同的老化行为，当它们复合成PBX时，也有不同的老化反应[21]。

单体炸药在不同的温度段的老化机理都不同，以TATB为例，在200℃以下很稳定无分解现象。更多的研究直接关注PBX在热老化后的性质变化和表征技术，利用密封容器研究加热分解后产生的气体。Myers等对TATB基PBX进行取样管试验，将PBX的薄片在压缩状态下贮放于干空气中，温度分别是23℃、50℃、70℃和100℃，时间为2年，只有在100℃才观察到氧气的消耗。总的来说，PBX在热老化条件下析出的气体主要是N2、O2、CO、NO、CO2、N2O等，没有检测到氢气。辐射场环境会加速炸药的降解，但过程中也没有检测到氢气的析出。

由于核武器内部核材料的存在，高能炸药贮存过程中也处于辐射环境中。研究表明，在辐射强度较高的条件下，辐射促进了炸药的分解，并且分解速率随辐照剂量的增加而提高，但贮存条件下的辐射强度对于高能炸药的分解没有显著的影响。

3 氢气危害分析

分析可知，核武器中氢气主要来自H2O与铀腐蚀反应和高分子材料辐照分解等。氢气是核武器内杂质气体中普遍存在且危害巨大的一种，微量的氢气将造成铀、钚材料的腐蚀[22]。

3.1 铀的腐蚀

铀的氢化反应可能是核武器中最可能的危害。虽然在生产的过程中尽可能地除去氢，但仍有微量的水汽存在，而水与铀反应放出氢，氢再与铀反应生成UH3，如反应式（3）所示。

工程物理研究院仲敬荣等采用傅里叶变换红外光谱技术研究铀表面腐蚀的情况，金属铀室温时表面微区形貌呈粒状不均匀分布，且在颗粒边缘和凹坑表面电位较高，易发生点蚀。但目前对于铀表面腐蚀行为的研究存在局限性，未涉及气体吸附行为的分子动力学模拟，对同一种气体不同条件下出现腐蚀、钝化相反行为不能做出统一解释，缺少表面吸附行为的动态过程研究[23-24]。

但总的来说，铀表面轻微形成氧化膜，该氧化膜能迅速地吸附氢，从而在铀晶界形成铀氢化物的点蚀。由于这种点蚀带有一定的不确定性，并向纵深方向发展，因而危害极大。

3.2 钚的腐蚀

由于钚在核武器中与外界接触很少，相对铀而言其腐蚀程度要轻一些，但钚的腐蚀直接影响威力，因而钚的腐蚀一直是核库存武器中所关注的问题之一。

钚与氢反应生成氢化物，如反应式（4）所示。

同样，氢与钚反应也像铀一样可形成点蚀，从而引起严重的腐蚀失效[25-26]。并且氢化钚能催化钚的氧化过程，如反应式（5）所示。

4 核武器内部气氛控制

核武器在贮存期间会产生多种气体，其中氢气在核武器内部普遍存在且危害巨大。因此，控制控制氢气在核武器中的含量是至关重要的，这也是各有核国家在武器库存研究中非常关注的问题。维持核武器内部处于一个惰性的状态，主要有2种措施。一是武器有一个良好的初始状态，应改进加工工艺，对武器中某些部组件在装配之前进行干燥处理、控制装配环境的湿度以及采用抽气-充气工艺。二是在贮存期内尽可能地维持初始状态，即采用密封以防止外部有害气体的进入，在武器内部放置干燥剂和吸气剂来除去内部积累的水和氢，以及控制外部贮存环境的温、湿度等因素。

4.1 核武器贮存初始气氛的控制

一般来说，采用干燥材料和换气工艺可达到建立良好初始状态的目的。干燥材料的工艺很大程度上取决于材料的性能，特别是高分子材料，应针对具体材料采用不同处理工艺，并且不能损伤材料的性能。抽气-充气工艺则是置换核武器内部气体，经多次用干燥氮气置换处理后可以除去内部材料表面吸附的一些有害气体。美国等有核国家早期的处理方法是用9次充氮气循环，而每次充气之间的抽气时间间隔都很短，这种快速过程只能对武器装配过程中吸附较弱的杂质气体有明显的效果。因此，后来采用长时间抽真空的工艺（大约抽18 h后压力不超过27Pa），这种处理方法能除去泡沫内部吸附的杂质气体。

4.2 核武器贮存过程中气氛的控制

核武器一旦有良好的初始状态后，在贮存过程中最重要的就是要维持这种状态。但由于热力学不平衡，理论上是不可能保持不变的，而只能减缓状态的改变速率。主要措施是采用优良的密封技术以防止泄漏和渗透，以及放置干燥剂和吸氢剂。美国对于密封、干燥剂和吸氢剂都开展了深入的研究。而对于密封材料的选择（什么样的渗透系数才能满足要求）以及干燥剂、吸氢剂的用量都需要气氛的动态平衡计算才能完成。另外，外部贮存条件也是相当重要的。通过对贮存环境条件的改善，使贮存的温、湿度得到良好的控制，有利于内部气氛的改善。

5 结论

核武器密闭空间内部的氢气主要来源于铀材料的腐蚀反应和有机材料的老化析出，这种活性气氛对铀、钚材料的可靠性有长期的影响。氢气与铀材料表面氧化膜反应形成铀氢化物的点蚀，这种点蚀带有一定的不确定性，并向纵深方向发展，危害极大；钚与氢反应生成氢化物，也像铀一样可形成点蚀，从而引起严重的腐蚀失效。

为降低核武器密闭空间内的氢气浓度，一是采用抽气-充气工艺置换核武器内部气体，控制核武器内部的初始气氛；二是采用优良的密封技术以防止泄漏和渗透，以及放置干燥剂和吸氢剂，控制贮存过程中核武器内部气氛。这2种手段结合能有效控制核武器内部氢气浓度。

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Internal Hydrogen Atmosphere Analysis of Typical External Nuclear Weapons

ZHU Min,ZHOU Hongqing,HUANG Gui
（The 7thDepartment,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

The reliability of uranium and plutonium materials are long-term affected by the hydrogen atmosphere inside the confined space of nuclear weapons,which would cause severe corrosion failure and lead to tactical index fell,and the security of nuclear weapons also faces hidden risks.Imaginary nuclear weapons based on theoretical model were set as re⁃search subjects.Analysis showed that hydrogen atmosphere within nuclear weapons was mainly from the reaction of urani⁃um materials with outside environment permeate gas and aging of organic materials,which spreaded to internal space of nu⁃clear weapons under thermal stress conditions.To solve this problem,foreign nuclear states mainly adopted two methods to control internal hydrogen concentration:improving processing technology and controlling initial state during development and production,placement of desiccant and hydrogen getter after delivery.These practices provided certain reference for the development of weapons and equipment.

imaginary nuclear weapons;internal space;hydrogen atmosphere;hazard control

TJ91+0.1

A

1673-1522（2017）03-0335-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.03.015

2017-01-08；

2017-03-22

朱 敏（1978-），男，教授，博士。