分享
人类终极武器——氢弹
黄伟烨   
得票 18 阅读 308 评论 0

【摘要】1945年8月,两颗原子弹结束了让9000万人死亡的第二次世界大战,所有人都见识到了原子武器的威力。有人提出,应该继续研发理论上更为强大的氢弹,也就是通过氢原子核聚变的巨大能量发生更大的爆炸。本文主要介绍氢弹的研究流程与爆炸原理。

1945年8月,两颗原子弹结束了让9000万人死亡的第二次世界大战,所有人都见识到了原子武器的威力。有人提出,应该继续研发理论上更为强大的氢弹,也就是通过氢原子核聚变的巨大能量发生更大的爆炸。但我们知道,原子核都带正电,要使聚变反应能够发生,首先必须使原子核能够克服静电斥力而彼此靠近,因此赋予参加反应的原子核以足够的动能是实现聚变反应的先决条件。

按照这个逻辑,最直接的想法是使用劳伦斯发明的加速器,使原子核获得聚变足够的能量。但由于高能原子核打在靶上,主要过程是库仑碰撞引起的慢化,在碰撞慢化过程中只有很小的几率发生聚变反应。从能量的观点看是得不偿失的,而且用此法也很难作成武器。

另一种赋予大量原子核以能量的方法是把物质加热至很高的温度,例如几千万开尔文。在这么高的温度下,可以明显激发某些轻核的聚变反应,人们把这种在高温下发生的聚变反应叫热核反应,太阳能的产生就是热核反应放能的典型例子。

1941年,在曼哈顿计划的进行中,费米把自己的这个想法告诉了同事泰勒——用一个原子弹产生超级高温,让氢原子在高温下聚合,从而“引爆”氢弹。

教科书上都是这样写的,但你要以为按照课本说明书一般就能制造出热核武器,那就大错特错了。要想让核聚变猛烈而持续地发生,不仅需要足够的温度,还需要在高温区域聚变燃料的浓度足够高。而原子弹的爆炸特别猛烈,在爆炸的同时,核爆的冲击波会将原子弹附近的所有物质炸得粉碎并漫天飞散,这意味着等待聚变的氢在爆心根本达不到足够的浓度。也就是说,如果你想着将一枚原子弹的大桶和一个装液态氚的大冰桶绑在一起,其效果跟一枚原子弹也差不了多少。

你可能会开始静下心来好好想想了,如果你足够聪明,你可能会想到在一枚原子弹外面套一层由氚化锂构成的“皮。这确实是最早设想的氢弹构型,号称“千层饼”,原子弹一点燃,外层全部炸散,只有极少一部分氚能够在超高温环境下完成核聚变。从能量效率的角度来看,它的浪费极大,一个几十吨重的巨型的“千层饼”,当量才40万吨,跟理论值1000万吨相差甚远。

1951年,泰勒和他的同事乌拉姆一起发表了论文,指出: X射线可能是核聚变反应发生的关键。原来,当原子弹爆炸的时候,最先释放出来的是X射线,然后才是冲击波、电磁波、其他的射线等等。这个过程用我们肉眼看几乎是一瞬间的事情,它们的顺序只能用纳秒来计算,但对于核物理学家,这个时间足够了!如果能将先释放出的X射线好好利用起来,就有可能在整个炸弹被炸散之前,让核聚变燃料达到足够的温度。然后,被点着的氢弹还用你操心吗?

这篇论文是泰勒和乌拉姆公开发表的最后一篇论文,下面真的没有了,原因你懂的。反正1951年5月,在太平洋上的恩尼威托克岛试验场,第一颗试验氢弹爆炸了,当量为22.5万吨,爆炸威力大大超过原子弹。(广岛原子弹当量为1.5万吨)

次年11月,又一枚试验氢弹“迈克”在同样的地点爆炸,当量达到了1040万吨,是广岛原子弹的700倍。但这两枚氢弹使用的是液体氘,需要冷却系统,因此非常笨重,竟达60多吨,因此没有实战价值。

1954年,第一枚可用于实战的氢弹“虾”在比基尼岛爆炸,它使用了固体的氚化锂,因此降低了自重,只有20吨左右,而当量则达到了恐怖的1500万吨,是预测的600万吨当量的2.5倍,原因是漏算了氚化锂中的锂。

这是美国威力最大的一次热核武器试验,对周围马绍尔群岛区域产生了可怕的放射性污染,从1969年开始,美国政府开始收拾残局,治理该区域的污染。一直到1990年代,这块区域才被鉴定为安全。

美国的这几次氢弹核试验,都来自泰勒和乌拉姆的设计,因此这种氢弹叫做泰勒-乌拉姆构型(T-U构型)。根据公开的信息,它由两部分组成,初级部分是一个钚原子弹位于上方,下面的次级部分才是核聚变材料,两者都被聚苯乙烯泡沫所包裹。“钚蛋”爆炸后,首先释放出X射线,将聚乙烯泡沫变成等离子态,X射线的光能几乎完全转化为等离子体的热能。等离子体挤压并照射加热核聚变材料,要知道,X射线的速度是光速,这都是一瞬间的事情,直到这里“钚蛋”还没有完成爆炸。局促在如此狭小空间核聚变材料吸收到如此多能量,瞬间升温到核聚变温度,足够毁灭一座超大城市的热核爆炸就这样发生了!

Image title

泰勒-乌拉姆构型(详细过程描述如上)

没有晚太久,苏联人也迅速跟进,1953年,苏联人的“千层饼”RDS-6s试爆成功,只有40万吨当量,核聚变材料的利用率只有15%-20%。1955年,苏联人也得到了泰勒-乌拉姆构型,RDS-37试爆成功了,当量160万吨,美苏再次战略平衡。

如果说美国是白头鹰,雄健凌厉;那苏联就是北极熊,勇猛厚重,他们总是喜欢玩大家伙。

1961年8月13日是一个不吉利的日子,一枚重26吨、当量5800万吨的“大伊万”在北冰洋附近的新地岛爆炸,全球为之震动,地震波绕了地球三圈仍未消除,距爆炸点4000公里远处,竟然也测得当地发生了5级地震,甚至有人测出亚欧大陆整体向南推移了9毫米。

这是人类历史上最剧烈的一次人造爆炸,没有之一!

这就是氢弹的厉害之处,我们知道原子弹是有临界质量的,因此威力存在上限,而热核武器没有上限(如果有的话,上限应该是超巨星、中子星),只要你敢想,就可以制造出更大当量的氢弹。据说,最早设计的“大伊万”是1亿多吨的当量,苏联人担心地球可能承受不了才将威力缩减。

热核武器的发展恰逢二战结束,美苏两个超级大国冷战对立。随着美苏争霸进程的加速,两个超级大国造出数以万计的核武器,全人类被笼罩在“核阴影”之下。我们实在难以想象,会不会出现一个“希特勒”控制了核按钮,那将是全人类的灾难。

在这种背景下,人们开始反思科技与人文的脱节。科技跑的太快,发展出可以毁灭自身的武器,而人文的落后让全人类仍在相互猜疑,人类似乎站在一个孤悬一线的随遇平衡点上,只要稍有一个扰动,就会跌入万劫不复的深渊。

前苏联的“氢弹之父”萨哈罗夫在这场反思中走在最前面,他就是前苏联核武团队的领导者,制造出提到的RDS-37甚至恐怖的“大伊万”。他看到热核武器如此强大的破坏力之后,转而投身到热核能源的应用,第一个提出了托卡马克的概念,一直到现在,后继者还在他的设想上继续努力;他又投身宇宙学的研究,第一个提出用检测质子衰变来验证CPT守恒。

这已经是两个诺奖级别的创新了,更难能可贵的是,萨哈罗夫身体力行,投身政坛,并非为了加官进爵,而是防止他打开的魔盒——核武器扩散开来。1967年,他给领导人写信,提出美苏双方应该共同放弃对反弹道导弹的研发。很显然,他这是“与虎谋皮”,他随即遭到封杀,被禁止参与到与军事有关的研究。

1975年,他获得了诺贝尔和平奖。在他晚年,他回顾说:“我当时投身核武器的研制时认为,世界需要平衡。我至今仍然坚持这一观点。但在从事核武器研制的同时我也明白和意识到,我所从事的工作是多么可怕。”

萨哈罗夫的话信息量真大啊,回顾我们建国之初,是否也面临那样的窘境?国防建设一穷二白,如果没有重器防身,连参与“平衡”的机会都没有。1964年,我国第一颗原子弹试爆成功,中华民族终于屹立于世界之林,可以跟世界强国们平等对话了。仅仅2年半以后,我国第一枚氢弹也试爆成功了,这一速度远远超越了美苏英法四大流氓。回顾起来,这只能归功我国的氢弹之父(玻尔语)——于敏的天才。

根据资料显示,我国的氢弹完全不同于美英苏的“T-U构型”,而是自成一派的“于敏构型”。关于“于敏构型”的详细机理,网络上有很多“大伽”猜测讨论,说法各异,这里就不跟风了。我们只需要记住我们的英雄——于敏,是他的天才智慧让我们早日拥有护国重器,才能安心求发展。

于敏先生也曾说过:“核武器最好彻底销毁,但想不受欺负就不能没有。”这和萨哈罗夫的观点何其相似?

一代人自有那个时代的历史使命,科学人文仍未结合,我辈尚需努力!

Image title

护国神盾——东风31A洲际弹道导弹


[注]文中提到的“T-U构型”原理只是一些非武器专业的物理学家,根据自己的知识,自行脑补出来的原理,并非真实的构型资料。如有雷同,概不负责。

-完-
关注科普中国官方微信
科普作品
人类终极武器——氢弹
黄伟烨

学校:南京农业大学

学历:本科

专业:生物科学

职业:学生

评委点评 评语汇总

把氢弹这样需要专业知识才能看懂的题材用通俗易懂、平易近人、口语化的语言写出来,而且补充了原子弹到氢弹之间一些少有人知的过程。行文流畅、文字干净、结构完整,就像用亲切的语言在讲故事,使人一旦看到就情不自禁地一口气读完,而且读后心情愉快、印象清晰。这样读者的范围就扩大了许多,达到了科学普及的目的。这种写作手法很值得推广,是科普文章中少有的佳作。 文章中涉及的一些数据无法一 一考证。

2018-10-19 11:07 匿名 ——

本篇文章讲述了原子弹和氢弹。主要讲述氢弹的一些发展历程与相关人员的一些心里变化。通俗易懂,但是对于文章中的部分数据无法查询。总的来说是一篇不错的文章。

2018-10-15 18:47 匿名 ——

作者很有功力,是能驾驭此类题材的专家型科普作家,厚积薄发,故事讲的好。

2018-10-14 21:20 江世亮 ——

从原子弹的横空出世开始讲起,距离氢弹的诞生似乎只有一步之遥,这中间的故事却少人知晓,这篇文章比较出色地完成了它的任务,条理清晰,行文流畅,故事完整,佐以奇观趣闻,读起来津津有味。

2018-10-11 11:41 高雪雨 ——

这是一篇科普氢弹很好的文章,一般相关的科普文章都是枯燥乏味的,但是此篇文章很具有亲和力,通俗易懂,作者的条理也比较清晰。

2018-10-11 11:02 赵文杰 ——

请用微信扫描下方二维码 ×
打开微信,点击底部的“发现”,
使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。

点赞拉票需在微信中进行!

请用微信扫描下方二维码

欢迎登录

记住我忘记密码戳这里

登 录

没有账号点此注册