原子弹的秘密——从铀弹到大核弹 精选

已有 500 次阅读 2011-3-18 08:52 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦|关键词:铀弹 钚弹 氢弹

      昨天听了原子弹的一点儿基础，今天接着听Muller老师讲几种核弹的“简单”设计，这也是我们的最后一堂“核课”了。    1945年，杜鲁门总统动用了广岛核弹。他称它为原子弹。这个名称至今还在使用。名字恰当吗？有人说不，他们认为普通TNT就用的是原子结合和分解的能量，所以“原子”应该留给普通炸药。    很多人都把nuclear读成“nukular”，包括艾森豪威尔总统、泰勒（Edward Teller）、卡特总统（曾在核潜艇上服役）以及最近的小布什总统。很多学者认为发音是错的，然而在韦氏和牛津的英文词典里，都收录了nukular，作为nuclear的口语形式。泰勒是氢弹发明者之一，常被人称为“氢弹之父”，他大概有资格用自己喜欢的方式叫它。不过，如果你想学泰勒却又没有他那么大的名声，像他那样说话是会遭人嘲笑的。     铀弹——枪式设计     所有核武器都遵从相同的原理：首先携带彼此分离的可裂变材料（如铀235或钚239）的碎片。因为分离，裂变产生的中子可以从空隙间飞出，因而链式反应不会扩张。接着，当核弹到达敌人目标上空时，要把那些碎片集中起来，这个困难的过程叫组装。必须很快完成组装，因为碎片靠近时，部分中子开始撞击原子核，产生热——也许在所有物质组装完成之前就将它们炸开了。中子只要错过几代，核弹的爆炸力就会大为减小。  毁灭广岛的核弹是用铀235造的，采用简单的“枪式”机制。所谓“枪”的意思是，枪用一块铀235轰击另一块铀235；超过临界质量的是两块铀的组合，而不是其中的一块。枪只有6英尺长，重量不过半吨，可以装在B29轰炸机的弹舱里。核弹呈柱状是因为里面的枪是柱状的。裂变链式反应释放的能量大约为13千吨TNT当量。广岛毁灭当天，杜鲁门总统错误地宣布为2万吨。原来，总统错把阿拉莫哥多爆炸试验的数字当成了广岛的数字。 钚弹——内爆       虽然铀235和钚239的核弹都用链式反应，但二者在技术细节上有很大不同。钚是多数核反应堆（包括发电的反应堆）的产物。它与其他核废料一起产生，但可以用相对直接的化学方法分离出来。分离完成后，我们就说核反应堆的乏燃料经过了再加工。这是报纸常见的一个关键词。签署了NPT（核不扩散条约）的国家同意不对乏燃料进行再加工——即提取他们的核反应堆产生的钚。    再加工比铀分离简单得多，而核反应堆又那么普遍，看来钚弹似乎是巴基斯坦和朝鲜等小国的核弹选择。可钚弹不好设计。因为反应堆同时产生的一种放射性杂质，钚很容易提前引爆（即过早地发生爆炸）。也许就是因为这个，2006年的朝鲜核弹试验失败了。它虽然达到了钚的临界质量，爆炸还不足千吨级。    那种并存在钚弹里的杂质是钚240，也叫重钚。重钚与钚相同，除了多1个中子。这使它具有高度放射性。钚240会自发裂变，不需要中子激发。自发裂变随机释放出中子。你可能以为额外的中子能起什么好的作用，其实它们在帮倒忙。在钚尚未完成整体组装到达临界质量之前，它们就会触发部分链式反应，这些局部的链式反应将过早引爆核弹，在多数能量释放前终止链式反应。    这个问题是在二战期间发现的，曼哈顿计划的科学家们曾一度认为钚弹是不可能的。但后来找到了一个非凡的解决办法：内爆。就是说，将钚铺展成空心球壳，外面用炸药包围。钚周围的爆炸把钚向内压，将它们挤压成非常紧密的一团。经过强烈挤压的钚，原子靠得很近，因而中子没有空间溢出。如果压缩恰到好处，这种状态会很快达到，钚也就来不及提前引爆了。    实现内爆是极端困难的。内爆必须非常精确，所用的烈性炸药必须极其均匀，而且在钚壳的每一边都达到精密的平衡。它们要同时而且均匀地引爆。那需要高度技巧，因为爆炸往往在个别点发生，而不是在整个壳层表面扩展。人们发展了一种专门技术将点爆炸转化为内爆，它被称为爆炸透镜。烈性炸药在某一点引爆，然后聚焦起来，均匀覆盖整个钚壳表面。    要让这一切都正常运转，比为铀弹造一只合适的枪困难得多。它需要顶尖的科学家和工程师，还需要精密的技术（如高精度的烈性炸药加工）、大量的试验，还有大量的金钱。因为这些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚弹来的。它也许需要动用一个国家（如巴基斯坦或朝鲜）的全部资源。即使如此，结果也可能失败。朝鲜在2006年的试验，其爆炸还不足1千吨级，而美国的阿拉莫哥多和长崎的设计是20千吨级。多数专家怀疑朝鲜试验的低能量正是那种失败的结果，可能是在链式反应达到需要的水平之前，核弹就被提前炸开了。        现在我们归纳几个重要事实：33磅铀235就足够造一个核弹。如果链式反应通过倍增方式进行，那么所有原子只需要经过81代就分裂完了。钚弹只需要13磅，还装不满一只饮料罐。它只要51代就能释放所有能量，因为每次裂变释放的中子数是3而不是2。广岛原子弹是枪式设计的铀弹。长崎原子弹和新墨西哥州试验的核弹一样，是内爆式钚弹。未来总统需要知道这些事实，因为它们对评估核扩散前景非常重要。 氢弹——聚变      所有核弹中，最具破坏力的是氢弹，也叫热核弹或H弹。试验的最大氢弹释放了5500万吨TNT当量的能量，比广岛原子弹高4000倍。美国核弹库里多数是氢弹。氢弹可以做得很小，一颗海神式洲际弹道导弹的弹头就能装下14颗氢弹。导弹头的锥形设计，是为了使它们能在从太空重回大气后仍能准确瞄准目标。美国的三叉戟导弹带有8个弹头，每一颗都足以毁灭一座大城市的中心。   氢弹是一种二级式装置。首先是爆炸一颗“普通的”铀弹或钚弹。初级爆炸产生的辐射加热特殊设计的次级过程——它包含两种形式的氢：氘（重氢）和氚（超重氢）。在极高温度下，这些形态的氢发生聚变，生成氦并释放巨大能量——比铀或钚在裂变中释放的能量还高。发生在太阳深部的为阳光供给能量的过程，也是这种聚变。    与钚弹的情形一样，氢弹的核心部分是，使聚变过程赶在氢被初级的裂变炸开之前迅速发生。我们来看这有多难。在裂变的钚弹中，你只担心烈性炸药把核弹炸得粉碎；在聚变弹中，你需要在原子弹将它炸成蒸汽之前，把一切都做好。    多年来，科学家认为这种设计也许不可能实现。后来发明了一个技巧——即所谓的“氢弹机密”。机密是这样的（最近才解密；当然，细节还是机密）：裂变的钚弹发出足够的X射线，从铀壁反射回来，可以用来压缩和点燃氢。X射线以光速传播，所以能在核弹爆炸将它吹散之前到达氢。钚弹的难处在于使内爆完全均匀，氢弹的困难则在于设计。    因为氢弹靠聚变——即把两个氢核结合在一起——所以有时也叫聚变弹。因为它依赖于高温，所以也叫热核弹。于是，H弹、氢弹、聚变弹和热核弹，都是同一样东西的不同名称。    第二个机密已经公开了更长时间：氢弹可以不用氢的放射性形态的氚，而改用稳定（无放射性）的金属锂，叫锂6。它与氘（重氢，也没有放射性）结合生成固体化合物氘化锂（LiD）。这种材料稳定而致密，是很好的燃料。当钚弹初级引爆时，裂变武器生成的中子打碎锂6，生成氚。这样，在裂变弹爆炸的同一个微秒里，生成了一半的燃料。另一半燃料氘可以在自然界找到，而且很容易从普通的水提炼出来。    我前面说过聚变释放中子。在一般的氢弹中，通过以贫化铀（即铀238，它们也会发射X射线）包围次级装置，利用这些中子用来产生更多能量。聚变生成的中子能量很高，铀238在中子打击下很容易裂变。一般说来，氢弹的一半能量来自这种裂变。铀238的这种裂变也极大增加了裂变碎片的数量，它们即所谓的核弹微尘，能造成巨大破坏。氢弹的微尘比爆炸本身能杀死更多的人。    既然铀238也能裂变，为什么不能用它来造裂变弹呢？答案是它裂变时不能生成足够的中子来维持链式反应的进行。但它的裂变确实释放了能量和碎片。 核微尘     百万吨级核武器的危害主要来自核微尘。微尘由核弹里的铀和钚的裂变碎片组成。如果核弹在地面附近爆炸，微尘特别可怕，因为爆炸的火球会吸引大量有害物质。这些本身没有放射性的东西，会随着强放射性的核弹碎片上升到空中。如果都高高漂浮在空中，裂变碎片的放射性不会产生大的危害。大部分原初的放射性由短半衰期的元素组成，如果在空中悬浮几个小时，它们就衰变了。可是，如果地面的各种脏物混合进来，混合微尘的重量增大了，就会从空中落下，将放射性带到地面，在大范围扩散，可能比核爆炸本身杀害更多的人。    1950年代，美国到处都建有微尘掩蔽所。它们都在地下，准备了足够的食物和水，人们可以在那儿躲藏一个月左右，一直等着微尘里的短半衰期放射性消失，或至少等它降到辐射病的阈值以下。很多人嘲笑那些掩蔽所，因为它们显然不能躲避直接的爆炸——但那不是它们的目的。还有些人害怕人们会争抢掩蔽所，不让后来的人进去，因为空间有限。有的人造了自己的掩蔽所，还装备了武器，防止他人进入。如果说核恐惧还不那么可怕，这一派景象就变本加厉了。    尽管微尘的大部分放射性来自短半衰期的放射性元素，还是有5％以上的裂变碎片由锶90的同位素组成，那是半衰期为29年的强放射性物质，很容易进入食物。1950年代，在很多人为核试验的长期效应忧虑时，锶90是家喻户晓的名词。Sr-90落在草地上，被牛吃进肚子，然后传染到小孩喝的牛奶，最后聚集在他们的骨头里，因为锶的化学性质与钙相似。    中子弹——核弹悖论     氢弹的一个变种在卡特总统时期出了名，就是中子弹。氢弹聚变会产生大量高能中子，它们会引发严重的辐射病，造成大量杀伤。中子弹的思想就是制造一种含大量中子的核弹，目的是杀人，而释放相对少的能量和裂变碎片。如果俄罗斯军队入侵美国的哪个友好国家，那么中子弹可以看成驱逐入侵者的一种办法——要消灭敌人，但不能破坏朋友的家园。    制造中子弹的窍门是，有一个很微弱的初级过程，以尽量减少裂变碎片；还有一个小规模的次级过程，不让爆炸的冲击波造成大的破坏。但中子仍然需要传播几百码的距离去消灭敌人的军队。    中子弹的思想公开时，很多人感到了恐慌。具有讽刺意味的是，问题在于中子弹不如普通氢弹那么可怕。你大概以为这样会令人更接受中子弹，但恰恰相反。中子弹不破坏建筑意味着它可能用得更多，那就“降低了”使用核武器的“阈值”，从而是更不人道的。    中子弹是“核弹悖论”的一个典型例子：发明一种可怕的武器，显然是不道德的。发明一种不那么可怕的武器，同样是不道德的——因为它更可能被人利用。由此得出的一个奇怪的结论是：不论你提出什么样的武器变革，都会遭人唾骂。这种悖论的例子在军事以外也能看到——例如，有人建议警察用电击枪来击昏嫌疑人。 大核弹     事实证明造大裂变弹是非常困难的。它们很可能自我毁灭。何况铀和钚还都很昂贵。相反，氘和锂6相对便宜一些，而且设计也进步了，氢弹几乎可以造得具有任意高的爆炸能量。1950年代初期成了“大核弹”时代。美国和苏联相互竞争，争做最大的核弹。1956年，苏联赢了头筹，爆炸了一颗能量为5500万吨TNT当量的核弹，比摧毁广岛的那颗铀弹的能量高出4000倍。   竞赛已经停止，部分是因为核弹试验的放射性污染了地球，产生了普遍的社会压力。实际上，大气中的放射性碳仅仅因为那些试验就增加了一倍。更尖刻的观察家则说，放弃试验的真正原因是核弹太大，导弹已经载不动它了。一颗核弹分解为几个小部分，往往更具破坏力。（假如将8个弹头的大核弹分解为8颗小的，则毁灭面积将增大一倍——大核弹其实是把同一个地方毁灭了两次，浪费了。）   1980年代，里根总统宣布他已单方面削减美国的核武器当量。那时，有句话他没有公开讲出来：即使总当量减少，它也已经分散到众多小武器了，能产生更大的破坏力。他是诚实的，但不够坦白。要么，也许他不像你未来当总统那样懂物理学。     【最后再说明一次，这几堂“核课”的材料来自Richard Muller, Physics for Future Presidents, The science behind the headlines, WW Norton & Company, New York, 2008（中译本《未来总统的物理课》，李泳译，湖南科学技术出版社，2009）。我翻译和转述的错误，请批评指正。】