[其它杂谈]核能史话  跨出了划时代的一步 [第25页]

第四章：核能的开发和利用

3、跨出了划时代的一步

    十九世纪三十年代末，正当科学家们利用铀核俘获中子产生裂变并释放出巨大能量的科研成果，以早日实现第一个自持裂变链式反应实验的时候，第二次世界大战却正在不断扩大并空前残酷地进行着。

    希特勒为了实现其称霸世界的迷梦，把赌注押在生产威力巨大的核武器上。这就不得不引起全世界爱好和平的人们，特别是那些主持正义、从事核科学研究的科学家们的关注和担心。他们在爱因斯坦的带头下，联名写信给美国的罗斯福总统，提请他密切注意这一重要事态的发展。美国政府被迫制定了从事研制原子弹的“曼哈顿工程”计划，使得核能的利用一开始就和战争结下了“良缘”。

    当时美国政府为了赢得时间，集中了它所能调动的大量人力和物力。一大批有才能的科学家和工程技术人员都被凋集到芝加哥，参加核武器的研制工作。其中负责制备裂变燃料的是美国物理学家康普顿教授，他在研究x射线散射方面很有研究，并发现了康普顿效应(即康普顿-吴有训效应)。另外，他对光子、γ射线和宇宙射线的研究也有过重大贡献。

    在执行曼哈顿工程计划中，康普顿极力推荐费米参与这方面的工作。为此他曾说过这样一段话：“事实已经很明显，如要进行核反应堆的研究工作，则其中心人物非费米不可。他不但知道甚么事要做，而且在用铀和石墨结合起来试验链式反应成功的可能性方面，他也具备了一整套很重要的经验。在各项计划进行期间，我很需要跟他共同商讨”。

    当然，费米的才干确也能胜任这方面的工作，他不但具有丰富的铀核裂变实验的实际经验，而且对中子慢化也很有研究。所有这一切，都为他能在哥伦比亚大学实验室，对裂变链式反应装置进行深入研究提供了十分有利的条件。

    费米的实验装置是一种类似于石墨棱柱的指数实验装置。所不同的是除了石墨作为中子慢化剂外，并由天然氧化铀块一起相间堆砌而成。费米他们经过分析比较，预计只要把石墨慢化剂的密度提高到1.7～1.9克／厘米³，各种有害杂质的含量低于百万分之一。而裂变燃料要用纯度高的天然金属铀，并把栅格布置得更合理。这样就能把倍增因子提高到一以上，铀核的裂变链式反应有可能持续地进行下去，即到达临界。

    费米的这一工作成果和大胆设想，立即得到康普顿教授的支持和重视。虽然在1941年12月7日，因日本法西斯偷袭珍珠港，美国被迫正式对德、日、意轴心国宣战。而原籍意大利的费米教授此时成了敌国侨民。费米若要取得美国正式公民资格，还需在美居住三年以上时间，为此有人对能否重用费米提出了怀疑。然而，因康普顿对他有很深的了解，故仍给他以充分信任，并公开认为：“……我们若能在此时重用费米的聪明才智，整个世界将因此获得一项贵重的资产。”

    这样费米就被康普顿邀请到芝加哥，并和普林斯顿研究小组一起，在代号为“冶金实验室”的机构中进行研究工作。费米夫人后来在回忆中曾对此作了极其生动的描述。她说：“在那里每件事情都是高度机密的，人家只告诉我一件秘密，冶金实验宝里没有冶金学家。甚至连这么一个小消息都不能泄露”，“那年秋天，康普顿和他的夫人所举行的一连串宴会，宴请来冶金实验室的工作人员。那时新来的人实在太多了，连学生娱乐大厅也无法一次容纳，因此只好分批宴请。每次宴会时，都放映英国影片《最近的亲属》。该片以沉痛的语调叙述了粗心和疏忽所造成的悲剧。一个放在公共场所的公文包被间谍偷走了，结果军事计划泄露，英国受到轰炸，无数房屋被毁，无数生命在前线作了不必要的牺牲。电影放无后，毋需再加什么说明就一切都明白了。我们每个人都欣然接受影片的暗示。”

    费米他们日以继夜地在铀—石墨栅装置上进行各种研究工作，共作了29次指数实验，并测定了不同尺寸的铀—石墨棚格的增殖系数。至此他们已为建造一座能产生自持链式反应装置积累了许多有用的宝贵经验。

    到了1942年，美国的“曼哈顿工程”计划已进入到一个新阶段。美英两国领导人，罗斯福和邱吉尔达成了一项秘密协议，把和核武器研究有关的科学工作全部集中在加拿大和美国进行。同年夏季成立了曼哈顿工程区，从而加速了第一个自持裂变链式反应堆的研制工作。

    同年1月，这时美国政府已制备了足够数量的金属铀和氧化铀，以及纯度和密度都极高的石墨。其中6吨金属铀被加工浇铸成许多圆柱体(直径为5.72厘米，重为2.72公斤)，并把它们堆砌在中心部分。而外围由于金属铀不够，就用二氧化铀粉末压制成准球形体，其直径为8.26厘米。所组成的铀—石墨立方栅格的边长为21厘米。高纯度石墨用于中心部分，外层则用次纯的石墨，最外层厚为30厘米的石墨层作为反射层，以防止中子泄漏。这就是由费米设计建造的，世界上第一座铀裂变反应堆CP-1(芝加哥1号堆)。其所以用“堆”一词，是因为该装置是用多层金属铀块和石墨块彼此交替堆砌而成的。

    CP-1堆被建造在芝加哥大学早已废弃的足球场西看台下的一个小院落内。他们先在地板中央设置了一个木架，然后在其上面放置一层石墨块，再把铀和石墨块从中心往外，由下到上分层交叠堆砌而成。这样铀块排列在慢化剂石墨中，形成一种有规则的立方栅格。原计划准备建选一个直径为7.93米的球形装置,但实际所得的形状近似为一个椭球体。

    另外，在堆砌石墨层时，按照预定的高度，留有一些贯穿各层间的孔道。其中插入包有镉皮的木棒(即控制棒)。这是因为镉本身是一种能强烈吸收热中子的材料，它对热中子的吸收截面高达2537靶，所以它能像海绵吸水一样大量吸收热中子。当它插入堆中时，中子被吸收减少；反之抽出时中子数就增加。这样就能利用镉棒方便地直接控制堆中的中子数目，即控制中子增殖系数值的变化，以达到控制链式反应的目的。

    随着铀层和石墨层的增加，中子增殖系数也慢慢变大。而费米他们的心情也随着测量结果逐渐紧张起来，他们渴望着自持链式反应能早日实现。

    实际上，在1942年12月1日下午的测量结果表明，堆已达临界。但是费米还是按照预定计划，在安全系统保护下，堆砌了最后一层铀块和石墨块。该堆的最后尺寸为宽9米，长接近10米，高为6.5米。堆的总重量为1400吨，其中52吨天然金属铀和氧化铀，据估算如用百分之百的纯铀235作裂变燃料，则不超过260克就可临界，余下的重量几乎都是石墨。

    在此情况下，反应堆中的燃料和慢化剂已形成一个超临界的体系。只是在控制棒的作用下，堆才处于次临界停堆状态。至此，一切试验准备工作都已完成了。就在1942年12月2日下午3时45分，在费米亲自主持下，把堆中的控制棒逐根依次慢慢地抽出。直到最后一根细调节棒，这就需要更加特别小心分成几次逐段往外抽出，每次都要根据三氟化硼计数管的计数，估计到达临界时控制棒应处的位置。最后从记录仪表的指示上可看出，核科学史上的第一次自持铀核裂变链式反应终于实现了。它以小于0.5瓦的功率连续运行了28分钟。随后费米又下达了插入控制棒，放下安全棒的停堆命令，这样裂变反应就又停止了。

    为了保密起见，他们对这一重大的科研成果未能很好地庆祝。但是科学家们无法抑制自己取得预想结果的喜悦心情。就在停堆以后，匈牙利物理学家维格纳把他预先准备好的红葡萄酒交给费米。为了表达大家的心愿，费米就打开酒瓶，并在每个小纸杯里都倒上一点，好让在场的每一个工作人员都来分享这个幸福的时刻。大家纷纷高举酒杯，为试验取得成功而干杯！然后，大家义都激动地在酒瓶的商标上签名留念，总共刚好42人。

    当大家收拾好现场，锁上控制棒，关好仪器离开实验室时，实验室的负责人康普顿正在小心冀冀地给华盛顿的科南特打长远电话。他是该工程计划的负责人，哈佛大学校长。康普顿想把实验成功的好消息早一点转告给他，但为了不让这个重要的机密被旁人偷听去，就用暗语报告说：“吉姆，你对于获悉这位意大利的领航员，已在新世界登陆的事一定很感兴趣的”，对方回答：“真的吗？”。电话听筒里传来那边科南特兴奋的回答，并又询问：“那些‘新世界的土著’都很友善吗？”，这是他急于想知道费米等人的下落和安全情况。“每个人都安全登陆了，并且快乐得很”，康普顿的回答是想叫对方放心。

    美国人所以说又一个意大利人发现了新大陆，这是因为1492年意大利航海家哥伦布发现了美洲新大陆。而现在是1942年(中间两个数字互换了一个位置)意大利物理学家费米又登上了“核时代”的新大陆。

    如今，凡是到美国芝加哥观光的游客，就可在芝加哥大芒的校园里，见到一座古老而又破旧的建筑物的外墙上写着下面几行永远值得人们纪念的碑文：1942年12月2日，人类于此首次完成自持裂变链式反应实验，并因此肇始了可被控制的核能释放。以上就是核能时代，也称原子世纪的出生证书。