[其它杂谈]核能史话  原子弹和氢弹 [第27页]

第四章：核能的开发和利用

5、原子弹和氢弹

    由上可知，建造原子弹的关键在于能否获得高浓缩的铀235和钚239这两种核装料。自从美国物理化学家尤雷发明了用气体扩散法提取铀235以后，美国政府就在1943年建造了规模巨大的铀气体扩散工厂，生产出为制造原子弹所需要的大量铀235核裂变燃料。而另外一种核裂变燃料钚239也在华盛顿州的汉福特原子能中心的生产堆上，经过同位素分离最后被获得。原子弹就是利用这两种核裂变燃料的裂变链式反应所释放出的巨大能量，来达到杀伤破坏的一种爆炸性核武器。

    在原子弹的研制过程中，最值得一提的是美国杰出的物理学家奥本海默的重要贡献。就在第二次世界大战爆发前后，他已被公认是世界上十名首席理论物理学家之一。加上他所具有的特殊才能和组织管理能力，使他在1942年夏天被美国政府正式任命为设计和制造原子弹的主要负责人。由他直接领导监督管理研制原子武器的“冶金计划”，当时他只有38岁，在所有领导这项与战争胜利有关的历史使命的科学家中，他是最年轻的一位。后来的结果表明他确是一位令人满意的非常杰出的科学家，因而人们常把他称为原子弹之父，即第一个制成原子弹的人。

    初看起来，研制原子弹的任务对奥本海默来说并非是难事，因为他曾经乐观地认为原子弹只不过是一种“附带产生的新玩意”，它似乎是根据裂变链式反应原理发展而成的必然产物。当然事实决非如此轻而易举，奥本海默为了解决原子弹的爆炸问题，以及测定它的爆炸威力等等一系列难题，曾经作出了非常巨大的努力。

    就在1943年初，奥本海默亲自带领了30多名工作人员(后来由于工作需要扩大到一百余人)进行选点工作。结果在新墨西哥州的一个宁静小城圣菲西北56千米吉米兹山的西边，选到了一块海拔600米的高地，就在这块被深凹的大峡谷所隔绝的地方，建立起曼哈顿工程的第三个秘密原子城，即洛斯阿拉莫斯实验室。当时仅靠飞机与外界保持交通联系。为了保密起见又称它为“Y”地区，邮政信箱为1663号。

    紧接着，奥本海默又调集了与研制任务有关的各种设备，其中有哈佛大学的一台回旋加速器；威斯康星州的二台电子静电加速器；伊里诺斯州的一台高压倍加器等等。另外，他又集中了世界各国在核科学技术方面的优秀人才，同心协力团结一致共同进行攻关。其中包括丹麦科学家玻尔、意大利科学家费米、英国科学家代表团人员查德威克、德国科学家贝蒂、苏联科学家基斯卡柯夫斯基、奥地利科学家拉比和弗瑞土、匈牙利科学家特勒以及美国科学家劳伦斯、弗立许和贝瑟等人。除此以外，当然还有许多一般技术工作人员。他的中心任务是在于集中所有人的聪明才智调动每一个人的工作积极性，一起解决研制原子弹工作中所遇到的各种疑难问题。

    当时各种大小问题几乎多达好几百个，而奥本海默最成功之处就是能集思广益，抓住其中最主要的问题，这就是能引起原子弹爆炸所需要的“临界质量”问题。而所谓临界质量是指使裂变物质在特定条件下，能够实现自持链式反应所需的最少裂变物质的数量，与临界质量相对应的裂变物质的体积被叫作临界体积。显然这些都是核武器装料中所涉及的重要问题，它同裂变物质的种类、纯度、密度以及装料的几何形状和特殊的结构等因素有关。

    从结构上看，我们可把原子弹看成是由核装料、引爆装置和弹壳等部分组成的。一旦引爆后，普通炸药把核燃料迅速地推合在一起，形成不可控的裂变链式反应。而坚固的弹体能使反应有充裕的时间，可提高核爆炸的威力。另外根据起爆装置构造的不同，原子弹的具体结构可分成枪型和内爆型两大类。

    枪型原子弹的原理是，当雷管被引发以后，烈性炸药发生爆炸，将一块圆柱状的亚临界质量铀块象枪弹一样，经过导向槽射向两块固定的中空球形亚临界铀块的中间。结果铀块的总质量就大大超过临界质量而发生核爆炸。

    1945年8月6日，美国投在日本广岛的第一颗原子弹，就是这种枪型结构式原子弹，代号“小男孩”(也叫瘦子)。它的核装料为铀235，同位素纯度为93.5％。总装料为16～25公斤铀235。核弹总重约4100公斤，弹直径约为7l厘米，弹长约30厘米。由前可知一公斤铀235(或钚239)全部裂变将释放大约18000吨梯思梯当量。由此可见其核装料利用率很低还不到5％。

    “枪型”原子弹虽然具有结构简单容易制造的特点，但是却存在核装料利用率很低的缺点。这是因为每块核装料的质量都不能超过临界质量，而两块合拢的最大质量仅比临界质量多出不到一倍，这样爆炸威力也就不大。

    第二种类型的原子弹是“内爆型”原子弹，它是一个利用双层普通烈性炸药制成的球形装置，在球的中心安置着一个小于临界质量的核装料小球，小球的外围为反射层。球心处装有用来引发链式反应的中子源。通过电雷管同步点火，使外层炸药各点同时起爆，这样就能形成一种向球心聚焦的压缩波(又称内爆波)，而小球瞬间将受到猛烈的向心压紧力，结果使核装料密度大大增加，达到超临界质量条件。此时可用球心上的中子源控制点火时间，等到压缩波效应最大时，在中子源作用下形成核裂变链式反应，最后引起威力巨大的核爆炸。由于这种“内爆型”结构的原子弹产生压缩效应的时间远比“枪型”结构的合拢时间为短，因此可避免过早点火的缺点。这样在“枪型”结构中难于安全应用的钚239装料，往往能在“内爆型”结构中被采用。

    1945年8月9日，美军投在日本长崎的第二颗原子弹，就是采用“内爆型”结构，用钚239作核装料的炸弹。它由三个同心球构成，外球壳用铀238作反射层，内球是两个次临界质量的钚半球，而中心则是一个乒乓球大小的铍球作为内中子源，即从钚239所放射的α粒子作用于铍就能产生中子。在超临界条件下，钚—铍中子源能加速链式反应的进行，并能保证在规定的瞬间发生核爆炸的可靠性。而球体外面是两层楔形烈性炸药组成的炸药球，每层有36小块。同时为了能可靠地同时引爆，每块安上两个电雷管。弹体总重约4500公斤，其中钚239的装料为5～10公斤。外形尺寸高为3.2米，而最粗处的直径约为1.52米，因此人们把它叫做“胖子”。

    然而，原子弹的研制工作毕竟是一项耗资巨大的工程。美国政府差不多在整整四年时间内，调集了15万科技人员，动用了全国三分之一的电力，总共花费了20多亿美元。共制造了三校原子弹，除了投放在日本广岛和长崎的两颗外，还有—颗是在1945年7月16日凌晨5时半用来进行原子弹爆炸试验的。这是一个根据内爆型原理设计的钚试验装置。其准备工作从当年6月底开始，试爆地点选在离洛斯阿拉莫斯约160公里的阿拉莫戈多附近的沙漠里进行。这里四面环山，人烟稀少，很适合安全和保密等试验条件。

    全部试验工作都是按照原定计划进行的，而且取得了圆满的结果。所有这一切也是和奥本海默得力的指挥和周密计划分不开的。原子弹试爆装置被安装在预先专门设计建造好的钢塔上，远距离控制的引爆装置是由一系列十分复杂的电子仪器所组成的。操纵中心离钢塔几公里，能把爆炸过程中的各种情况详细地记录下来。定时信号正确无误地告诉人们原子弹即将爆炸的时间。

    在爆炸前20分钟，全体工作人员各就各位，而在营地上的人们都奉令脸向地面，脚朝爆炸方向卧倒，并用双手蒙住闭起的眼瞧。爆炸的时刻终于到了，一瞬间，天空中出现了比几千个太阳还要亮的闪光。

    几秒钟后，人们就听到由强大的冲击波所形成的隆隆巨响。此时人们才能翻身站起，并戴上事先准备好的黑色防护眼镜进行观看。只见一个大火球似的五颜六色的火云，上下不断翻滚，并逐渐扩大向天空升起，最后形成巨大的蘑菇云，扶摇直上成为高达十公里的擎天柱，其情景十分壮观。同时也测得了原子弹内部本身的演变情况，其中包括爆炸威力的大小、波及的范围以及爆炸后在地面上和空气中所产生的放射性污染程度，等等。

    当时在场参观的约有1000多名各方面代表，其中有放射医学家、气象学家、工程师、数学家、爆炸专家、军事参谋、政府官员和英国等外国政府代表。大家对原子弹的巨大爆炸威力(相当于20000吨黄色炸药)感到非常震惊。在半径为1.6公里范围内，所有蔬菜、各种动物(试验前预先安置好的)以及其它各种有生命的东西都被破坏无遗，就连一条响尾蛇或一根青草都劫数难逃。而半径360米以内的砂石，都因高温变成绿黄色玻璃状物质。

    至于供试验用的那座高塔也完全被高温蒸发得无影无踪，却留下了一个边缘倾斜的大坑。当时即使被人们一向认为是冷静和理智的费米，平时他总是自己开车，此时也无力自己开车了，只得由他的同事驾驶汽车送他回家。

    第一颗原子弹首次试爆成功的消息，很快传遍了曼哈顿工程区的每一个角落。特别是那些直接参加试制工作的科学家和工作人员，他们更是被原子弹的巨大破坏力和强烈的放射性污染而深感不安。为此许多人曾联名向有关当局递交了请愿书，反对轻率使用这种武器来对付当时的敌国日本，并且要求美国政府立即着手对这种新式武器必须实行国际监督。但是所有这一切丝毫也没有触动美国政府为了赢得战争胜利而进行研制新式炸弹的既定方针，它还是一心想使用原子弹。

    原来积极要求爱因斯坦写信给当时美国总统罗斯福敦促尽快发展核弹的西拉德，此时此刻也意识到这件事的严重性。为此他就又起草了不要使用原子弹的请愿书，并征集了69位著名科学家的签名，最后把请愿书直接送到了杜鲁门总统的手里。而总统的科学顾问又把此事提交给由奥本海默、劳伦斯、费米和康普顿四人所组成的临时科学讨论小组，请他们提出如何对待这一问题的决策报告。

    当时康普顿在建议书中曾写下了这样一段话来表明他的意见：“在使原子力量能为人类利用的伟大创举中，我们都为自己曾经贡献自己一份智能而感到欢欣和骄傲。然而这真是一幕悲剧，这种巨大无比的力量将第一次被用来进行伤害人类的勾当。不过，如果因此而能得以缩短战争的时间，并能拯救更多的生灵，如果它能意味着人类将更接近放弃用战争作为解决争端的时刻。那才是我们内心真正的期望，才是我们敢于使用原子弹的论点”。

    另外他对科学家的讨论结果又写道：“我们科学界的同事们，对于使用这种武器的意见颇不一致，大家建议的范围很广，从纯技术性的示威到直接投掷原子弹迫使敌人投降的策略都有……”。

    最后，科学顾问们为了获得一个能代表大家看法的折衷意见，就进一步征求那些了解当时战争形势人们的看法，并请他们投票表决。其分工如下：奥本海默负责洛斯阿拉莫斯地区；劳伦斯负责柏克莱；康普顿负责芝加哥。结果在芝加哥“冶金研究所”有87％的人赞成将原子弹用于战场。

    这样一来，美国官方决策人物不但取得了能实际使用原子弹的物质条件，而且也为原子弹的使用作了舆论上的准备。总之，这样就为最终能在日本投掷原子弹铺平了道路。

    当然，第二次世界大战本身是由帝国主义国家间的垄断资本集团，为了争夺殖民地而引起的。但到1945年8月，希特勒在苏联红军的沉重打击下早已垮台，并在1945年5月2日就宣布无条件投降。而日本法西斯在中国共产党领导下的中国人民的英勇抗击下也已完全处于绝境。这就是说，东方战场的战争也将很快结束。

    为此，美国当局不得不担心，一旦战争结束，整个曼哈顿工程20多亿美元的巨额耗资，将变成一种毫无意义的金钱挥霍，本来因原子弹制造成功应该受到赞扬和荣誉，而现在很可能变成无情的嘲笑和指责。显然直接领导此项工程的美国政府将是首当其冲。这就是正如杜鲁门在自己回忆录中所写的那样，当时他只说了声：“干吧!”的真正内容。

    美国军方在1945年8月6日9时15分半向日本广岛投了第一颗名叫“瘦子”的原子弹。它是在太平洋提尼尔岛上的一个空军基地最后组装而成的，并用当时最大的B29型轰炸机运载。驾驶员为提贝茨上校，投弹手是弗雷比少校，机械师是帕桑斯海军上校，电子技术军官是杰普逊海军上尉。人们将原子弹从将近一万米高空投下，在城市上空300米爆炸。烟柱高度上升到11000米，威力相当于20000吨梯恩梯，是普通最大炸弹的4000倍。爆炸几乎炸毁了整个广岛市。该城当时约有30万人口，遭到轰炸形成的破坏区达60％，有91233人死亡，另有50000人受伤。其中日本军事人员占1～2万人，余者都是无辜的居民，其中有大量的妇女和儿童。如要达到同样的轰炸效果，则需200架满载常规炸弹的飞机。

    紧接着，代号为“胖子”的原子弹也在提尼尔岛空军某地组装而成。仍用B29型轰炸机运送。在8月9日，这颗内爆型的钚弹从日本长崎9000米高空被投下，在城市上空600米爆炸。结果长崎市44％的地区被毁，35000人死亡，60000人受伤。

    同年8月15日，日本政府宣布无条件投降，至此第二次世界大战宣告结束。然而，正是由于广岛和长崎的原子弹爆炸，向全世界表明核时代中核能的利用，首先是以核武器形式出现，这使人们从心理上留下了一个“可怕”的深刻印象，而且至今还记忆犹新。

    至于苏联，在二次大战期间，库尔恰托夫曾领导过核能方面的研究工作。那是在1943年，他在刚成立的原子能研究所中担任所长，就曾领导过原子核反应堆的设计工作。只是由于战争的破坏远比美国大得多，放在战争期间未能取得成功。而在战后，苏联将近花了四年时间，在1949年9月22日爆炸了第一颗原子弹。它是用钚239作为核装料的钚弹，其威力相当于美国“小男孩”的六倍，爆炸效果为21万吨梯恩梯。

    接着1952年10月3日，英国人也爆炸了一颗自制的试验核弹，成为第三个有核国家；1960年2月13日轮到了法国人，他们在非洲北部的撒哈拉沙漠中爆炸了一颗钚弹，成为“原子俱乐部”的第四个成员国；1964年10月16月，我国向全世界宣告一颗铀235核弹爆炸成功，一举成为第五个有核国家。

    从前面的章节中，我们已经知道，核能的利用除了裂变能外，还有聚变能。另外从结合能曲线上可以看到，氘、氚、锂等轻元素都可用作为核聚变反应的原料。

    氢是最难发生聚变反应的装料。至于氚，它易发生聚变反应，但在自然界中含量十分稀少，必需花费巨大的投资才能制备它。而只有氘，它是热核反应的积极参加者，又比氢容易控制，并在自然界中也有一定的含量。它在普通海水中占0.0148％，即6757个氢原子中只有一个是氘原子，也就是说每升海水中，大约含氘0.003克。

    由于地球上有着大量海水，经过估算氘的储量竟高达35万亿吨，如能全部提炼出来，就足够人类用上千百亿年。由于聚变反应释放的能量比裂变能大得多，加上聚合反应速度也特别快。这样就有可能利用不可控的聚变反应制造出威力远大于原子弹的氢弹。如果人们采用某种方法把氢弹所需的核装料安置在原子弹的周围，一旦原子弹引爆后就能产生几百万度高温，促使核聚变反应连续不断地进行下去，这就是氢弹爆炸的原理。

    理论计算表明，如果一公斤氘氚混合物全部聚变，就能释放出约为58000吨梯恩梯当量的能量，这比起相同质量的裂变反应所释放的能量约大四倍。而且在氢弹的构造中，不存在像原子弹构造中所提及的临界质量问题的限制。故氢弹可以做得较大，其爆炸威力也就更大。

    当然，氢弹也受到核装料的数量和运输条件等方面的限制。它们在常温、常压下都是气态物质，存在着体积大不易存放的不利之处。为了能把氘和氚密集起来，就要加低温(一般为零下200多摄氏度)液化或加上超高压固化，只有这样才能把氘、氚用作氢弹的装料。

    世界上第一颗氢弹的爆炸是美国于1952年11月1日，在太平洋的珊瑚岛(即马绍尔群岛)上进行的。所用的核装料是液态氘、氚混合物，放称之为“湿法”氢弹。其结构既庞大又复杂，总重量高达65吨，根本无法用飞机运载。而实际上它仅仅是一个热核试验装置。但其爆炸威力很大，相当于一千万吨梯恩梯，是投在广岛弹的500倍。

    然而，随着氢弹技术的发展，人们终于找到了另外一种比较理想的氢弹装料，这就是氘化锂6。它在原子弹爆炸所形成的高温下，可裂解为氘和锂6，而锂6俘获中子后所生成的氚就能和氘在高温下进行核聚变反应。相比之下，这种氘化锂化合物的成本比氘低得多。而特别应该指出的，它是一种稳定的固态化合物，因而便于长期保存，更不需要庞大的冷冻装置，所以氢弹的体积和重量均可大大缩小，故也称之“干法”氢弹。这就为以后把它制造成为一种有实际军事价值的热核武器，创造了十分有利的条件。

    在近代核武器的研制中，还有一种“氢铀弹”，即在氢弹外面再包上一层厚厚的铀238。由于铀238本身也不存在临界质量的问题，故可包得很厚；加上铀238在自然界中的丰度很高，人们能容易取得它，故核装料的成本可大大降低。显然，这种氢铀弹的爆炸威力要比普通的氢弹大得多，而且裂变能和聚变能大致上各占一半，但有时裂变能所占的比例达80％。爆炸后的放射性裂变产物的污染程度也特别严重，为此人们常称它为“肮脏”氢弹。

    美国人曾在1954年3月1日，利用马绍尔群岛中的比基尼岛，进行了第一次铀氢弹爆炸。其威力之大，震动了全世界，相当于1500万吨梯思梯，总重量为20吨。另外值得注意的是，当时刚好有一阵放射性尘埃降落在一艘日本福龙丸号渔船上，船上的23名渔民就成了受害者而得了放射病，其中一人在半年后死亡，船上的鱼当然也受放射性污染而全部销毁了，为此激起了日本人民的强烈抗议。

    美国从1945年7月16日试爆第一颗原子弹到1952年11月1日氢弹爆炸，共花了七年半时间，而轻便式的氢弹直到1954年才试制成功；前苏联从1949年9月22日爆炸第一颖原子弹后，经历四年时间，到1953年8月12日成功地进行了用飞机运载的氢弹爆炸；英国从1952年10月3日第一次原子弹试验到1957年第一次热核试验，经过四年半时间；法国从1960年2月13日第一次原子弹试验到1968年8月24日第一次热核试验，经过八年半时间；而中国从1964年爆炸原子弹后，到1967年氢弹爆炸试验成功，前后仅用了两年零八个月时间。

    当今世界上拥有核武器最多的是美苏两国，它们为了能在核军备竞赛中取得垄断地位，并对无核国家进行核讹诈，于1963年8月伙同英国在莫斯科签订了三国核武器禁试条约，其目的是为了约束别国的核试验，而它们三国却仍可进行地下核试验。截止1977年底，美国核试验达595次，苏联为283次，核爆炸的累计当量约为22000万吨梯思梯。早在1961年10月30日，苏联已爆炸了五千万吨级梯思梯当量的热核装置和一亿吨级的超级氢弹。当然，美国也完全有能力制造这种超级炸弹，其威力甚至会更大。

    然而，中国为了打破美苏的核垄断和维护世界和平事业，正在独立自主地发展自己的核武器。同时，法国也在独立研制自己的核武器。这就使得三国禁试条约已成为一纸空文，直接动摇了美苏的核垄断地位。

    到了1978年，美苏的核军备竞赛又出现了新的升级。美国首先正式宣告要生产“中子弹”，这是美苏两国已经研究了将近20年的一种新式核武器。实质上它也只不过是一种所渭小型“干净”氢弹。小型是指它的爆炸威力只有一千吨梯恩梯当量，仅是第一颗原子弹的二十分之一；而“干净”是指用少量的裂变燃料引爆。因此爆炸结果没有很大的放射性污染，而且它的冲击波和光辐射的破坏作用被局限在很小的范围内。

    中子弹主要的杀伤作用是由氘－氚聚变反应中所放出的高能量中子，它能容易地穿透坚厚的各种物体而置人于死地。它对各种物质财富和建筑物的破坏作用是不大的，辐射的寿命也很短，大约几小时后就能消失，人就能进入被这种炸弹袭击过的地区。如用原子弹或氢弹则辐射寿命很长，需几个月后人们才能进入。当然，这种炸弹只有不用核爆炸来引爆，如用大功率的激光束或其它无辐射高能装置引爆时，这才是名副其实的“中子弹”。

    总之，凡是利用核能(包括裂变能和聚变能)的武器，不论是原子弹、氢弹和中子弹，都称为核武器。而且不论“肮脏”还是“干净”，它们对人类都是有害的。看来不少科学家早先担心核能被用于战争的忧虑还是有根据的。至于那些在第二次世界大战中直接被原子弹伤害过的受害者，当然更有理由觉得核武器的可怕。

    但是无论怎样，这决不是核科学家研究和利用核能的真正目的。从人类历史发展的长河中，我们可以清楚地看到，任何一种科学上的新发现，都能增强人类支配自然的能力。而核能本身是一种高浓度的巨大能源，所以它也一定能被人们用来为人类的进步和文明服务。人类生存的目的总是希望能生活得更美好，而决不是为了破坏……