现有的托马斯-费米模型及其改进版本,在描述常规密度区间的材料行为时表现尚可。
但温卿要面对的是小型化设计带来的极端条件——
压缩密度可能达到正常密度的三倍以上,温度突破千万度。
在这种条件下,原子核外的电子云结构会发生根本性变化,简单的“自由电子气”假设不再成立。
她从文献室调出了所有关于高压物理的实验报告,包括美苏有限度公开的一些地下核试验数据。
对比分析发现一个系统性偏差:
在百万大气压以上的区域,实测的材料可压缩性总比模型预测的要“硬”一些——
也就是说,实际材料抵抗压缩的能力比理论估计更强。
“如果材料实际更‘硬’,”温卿在小组讨论会上提出。
“那么要达到同样的压缩度,就需要更大的驱动压力。
这意味着我们可能需要更厚的高能炸药层,或者改变内爆构型——
这两种方案都会增加重量,与小型化目标背道而驰。”
理论组材料方向负责人、六十岁的周研究员推了推眼镜:
“这个偏差我们早就注意到了。问题是,它的物理根源是什么?
是电子关联效应?是核-电子相互作用增强?还是出现了某种奇特的相变?”
温卿调出她整理的对比图:
“我分析了偏差随压力和温度变化的趋势。
在中等压力区(100-500 gpa),偏差呈现规律性增长,符合电子关联效应的特征;
“相变?”
周研究员皱眉。
“在那种极端条件下,晶格结构早就崩溃了,哪来的相变?”
“可能是电子本身的相变。”
温卿谨慎地说。
“从局域化态到离域化态的转变,或者电子关联导致的‘量子临界’行为。
这些在凝聚态物理中有类似概念,只是能标差了很多个数量级。”
会议室里一阵沉默。
这些概念太前沿,甚至有些超出了传统核武器物理的范畴。
“证据呢?”
周研究员最终问。
“没有实验数据支持,再漂亮的理论也只是猜想。”
“所以我们需要设计‘数值实验’。”
温卿早有准备。
“用第一性原理计算,从量子力学基本方程出发,模拟极端条件下电子结构的变化。
虽然计算量巨大,但‘天河一号’应该能处理简化模型。”
第一性原理计算是基于密度泛函理论(dft)的量子力学方法,不依赖经验参数,直接从薛定谔方程出发。
这个方法在材料科学中已广泛应用,但从未用于核武器设计——
计算量太大,一个原子的模拟就要数小时,而内爆涉及数亿亿个原子。
“我们可以做分层建模。”
温卿展示她的技术路线图。
“第一步,用第一性原理计算典型压力-温度点上的材料性质,获取‘基准数据’。
第二步,分析这些数据,提炼出电子关联效应的关键特征参数。
第三步,将这些参数嵌入现有状态方程,构建‘半经验修正模型’。
这样既提高了精度,又控制了计算量。”
周研究员与几位老专家低声讨论后,点了点头:
“这个思路可行。但基准计算的点要选好,必须覆盖内爆路径上的关键区域。
还有,计算需要的高精度赝势和交换关联泛函,我们现有的程序库可能不完善。”
“我研究过llnl(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)公开的部分代码框架。”
温卿说,“可以借鉴他们的算法结构,但物理参数必须用我们自己的。”
“注意保密红线。”
周研究员提醒。
“算法框架可以借鉴,但涉及具体材料参数和状态方程形式的部分,必须独立开发。”
温卿郑重应下。
她知道这条界限——
学习国际先进方法是为提升自己,但核心能力必须牢牢掌握在自己手中。
状态方程的改进刚起步,材料强度模型的问题又浮出水面。
传统内爆仿真采用“流体动力学”框架,默认材料在强冲击下像流体一样没有强度。
这在大多数情况下是合理的简化,但对于小型化设计却可能带来致命误差。
在一次二维轴对称仿真中,温卿尝试模拟一个新型紧凑构型。
当冲击波在核材料中传播时,程序预测的波阵面应该光滑连续。
但计算结果却出现了奇怪的振荡——
不是数值算法的不稳定,而是物理量在空间上的周期性起伏。
“这像是……弹性波?”
温卿盯着屏幕上的压力分布图。
“材料在屈服之前,会表现出弹性响应。冲击波阵面前方,实际上有一个弹性前驱波。”
她查阅了国外有限公开的轻气炮实验数据,在微秒级的高速摄影中,确实观察到了弹性前驱波的存在。
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这个波传播速度比冲击波快,虽然强度很弱,但它会预先压缩材料。
改变材料的初始状态,从而影响主冲击波的传播。
更复杂的是,在向心汇聚的几何中,材料不仅承受压力,还承受巨大的剪切应力。
球形压缩就像用手挤压一个橡皮球,球壳不仅变薄,还会沿着纬向和经向拉伸。
当剪切应力超过材料屈服强度时,会发生塑性流动甚至破裂。
“小型化设计中的材料,可能在内爆完成前就发生塑性失稳。”
温卿在技术日志中写道。
“就像一个过度拉伸的气球,在还没充到最大时就局部破裂。这会导致压缩不对称,甚至提前飞散。”
她需要建立一个“弹塑性流体动力学”模型,把材料的强度效应、应变硬化、率效应都考虑进去。
这涉及连续介质力学和材料科学的深度交叉。
温卿找到了基地材料实验室的负责人,一位姓吴的工程师。
吴工年近五十,常年与各种特殊金属材料打交道,手上带着无法洗掉的金属粉末痕迹。
“材料强度数据?”
吴工听了温卿的需求,苦笑。
“我们有常温常压的数据,有高温的数据,甚至有高应变率的数据。
但你要求的条件——百万大气压、千万度、应变率超过每秒10的6次方——地球上没有任何实验设备能达到。”
“那美苏的数据……”
“都是通过地下核试验反推的,间接且不完整。”
吴工摇头。
“而且他们绝不会分享。”
困境再次出现:
知道模型需要改进,但缺乏改进所需的基石数据。