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于敏构型氢弹
送交者:  2019年07月02日11:12:53 于 [世界时事论坛] 发送悄悄话

何祚庥

(原标题:何祚庥忆于敏:当之无愧的氢弹构型最主要发明者)

2019-01-19

 

  50年前“如烟”的于敏往事,现在只能做片段的追忆。而再过5年或10年,恐怕就再没有人能说出于敏是怎样研究出氢弹理论的全过程了。我的这段追忆,其实也仅限于1964年10月以前发生的事情。

  苏联人认为中国的原子弹是他们给我们的。实际的情况是,他们给我们的只是原子弹的一个教学模型的框图。中国人根据这个教学模型的框图,自己摸索、探索,成功地掌握了原子弹爆炸的全部机理。最后独立研制成功了一颗“内爆式”,但由铀235为核燃料组成的原子弹。

  至于氢弹,那完全是中国人自己摸索出来的。有一位俄罗斯科学家,在和中国学者谈及往事的时候,直截了当地承认了这一事实。至于美国,老是怀疑是中国人“偷”了他们的“秘密”。然而,朱镕基总理曾向这些怀疑者有一番谈话说,“你们的‘怀疑’,至少是犯了两个错误。第一,你们过低地低估了中国科技界创新的能力。第二,你们也过低地低估了你们的强有力的保密制度的能力。”

 

于敏是怎样被请来参加氢弹理论研究的?

 

  1960年,国家科委和国防科委在聂荣臻领导下,起草了“科研工作14条”。为贯彻“14条”,聂荣臻指示说:“科研工作像下棋,下棋要看三步棋。我们的国防研究,是否还应部署第二步棋?”根据聂总这一指示,当时主持核武器研发的二机部部长刘杰找到钱三强商量,核武器应如何部署第二步棋?钱三强当即回答说,“那当然是氢弹的预先研究”。

  虽然中国人在1960年12月就已经决策要搞“氢弹理论和实验的预先研究”,但中国人之所以能在原子弹爆炸后2年零8个月,亦即在1967年6月17日爆炸第一颗氢弹,一个重要原因是:及早将于敏这样“大师”级的、当时仍属年轻的优秀研究人员“请”来参加预先研究的工作。

  于敏是张宗燧(著名理论物理学家,我国统计物理和量子场论研究开拓者之一)先生的研究生。毕业后,张宗燧先生为于敏写了封强烈的推荐信。毕业后即在吴有训任所长、实际是钱三强领导的近代物理研究所里任助理研究员。在年青人中,于敏一直以业务能力特强而著名。因此,在那一时期,于敏便成为“专而不红”的一面“旗帜”。

  1958年8月1日,于敏从原子能所一部调到二部,加强原子核物理的理论研究,以便和原子核物理的实验工作相协调。在1960年原子能所二部的“红专大辩论”和“拔白旗”的运动中,于敏成为白专道路的一面旗帜而被“打倒”。(准确地讲,于敏只不过不够“红”,但那时认为,“粉红式”是白专道路的变种。)

  何泽慧(钱三强的夫人)深知于敏的科学能力。在于敏“被”打倒后,何先生说,那还是请于敏来帮我做裂变理论吧!钱三强和何泽慧都是“三分裂”“四分裂”现象的发现者。原子能研究所当然会将核裂变现象作为重点继续研究。由于氢弹理论研究,是一个急待开拓的新工作。黄祖洽和我都深感“兹事体大”“责任重大”。黄和我当然都深知于的才能,我们商量,是不是请于敏也来参加工作。黄祖洽欣然同意。于是黄和我便去找钱三强,建议将于敏调过来,从事氢弹的预先研究。钱三强当然立即同意。但由于这一批判是所党委定的,最后只好由钱三强去请示刘杰部长。于在被批判后仍然积极工作,表现不错,所以被允许调来参加工作。

 

初出茅庐:于敏立即来了个“火烧博望坡”

 

  于敏最推崇的是诸葛亮讲的“淡泊以明志,宁静而致远”这两句话。这成为他终身的座右铭。在年青朋友之间,少不得大家嘲笑他“以诸葛亮自居”,最好再加上“周瑜”,改名为“于亮”。但是,这位诸葛亮一参加到氢弹的预先研究中来,立即来了个“火烧博望坡”。

  氢弹有三大关键问题:材料、原理和构型。而研究氢弹首先就会面临一个必须回答的问题,氢弹是什么材料做成的?氢弹当然不是由氢气做成的。但人们通常会猜测氢弹是由氢的同位素——氘和氚做成的。这就是美国人曾经试验过的、那只重达62吨的所谓T-U型氢弹。这里T是指氚,而U即铀235,也许其中还包含有铀238。现在网上说,还有一个于敏型的氢弹。那么,于敏型氢弹是用什么材料做成的?

  材料和爆炸机理有密切关系。美国的T-U型氢弹,是原子弹外面包着大量液态的氘和氚,原子弹爆炸后,会点燃氘和氚的混合体发生热核反应,释放巨大能量,也就是用原子弹引爆了氢弹。但问题是,这样的氢弹体积太大了,也太重了,因为液态氘和氚的氢弹,必须附加一个超低温冷冻机,所以重达62吨。这显然不能用来作战。更重要的是,价格太贵了!因为要大量用氚,而自然界里并没有氚,必须由人工生产出这种寿命仅为12年的氚!这种大量用氚的氢弹,不要说中国人没有能力做,准确地讲,美国人也不会大量做,因为太贵,做不起。所以说,真正用于作战的氢弹,必定另有出路。

  既然第一枚氢弹是T-U型。可以猜想,中国设计的、可用于作战的氢弹,其中仍必然有氚的贡献。即使它们不是事先放在氢弹的结构中,也可能在爆炸中大量产生。总之,氚会在未来设计中会起重大作用。黄祖洽组长第一个决定,收集氚的实验数据,请两位年轻同志萨本豪和刘宪辉专门搜集氘氘、氘氚的截面。

  他们“发现”,氘氚反应最大截面是5个巴(巴这里是核反应截面的单位,1巴等于10-24平方厘米),是所有轻核反应截面中最大的截面。而氘氘反应最大却只有100毫巴。两者相差达几十倍到100倍!

  这立即就产生一个疑问——氚在氢弹爆炸中起什么作用?更大的疑问,是中国未来的氢弹是否真的不要氚?假如氚是必需品,而我们却没有,怎么办?我们的预先研究组,是否还应建议中国早部署氚的生产?

  接着,我又从梅镇岳先生的《原子核物理》的教科书中查到氚氚反应截面的理论值是15巴,是氘氚反应的3倍。而梅先生数据,却来自美国的《现代物理评论》。那是本权威杂志,应当十分可靠。至少,如能在氢弹试制中,适当添加氚的含量,必定有利于起爆,也有利于提高爆炸当量。所以,我猜,很可能氚氚反应截面是“未公布”的关键数据。那么,我们的轻核反应是否还应提前关注一下氚氚核反应截面实验的测量?这就既要有氚靶,而且要有氚束。粗略估计一下,可能至少要投入几亿元人民币才能做这个实验。但是中国当时的科研经费极为紧张。而氚,在那一时期,简直是比大熊猫还要难得,中国连做一个实验用的氚靶都做不出来。既拿不出钱来制造一台有氚束的加速器,也不知道如何大量生产氚。

  于敏自被“请”来参加工作后,立即用Breit-Wigner公式严格证明了,所有轻核反应的截面均绝对不可能超过5巴。所谓氚氚反应截面高达15巴的问题,一定是假的!

  这真是石破天惊第一声。为什么于敏竟能用理论来否定理论上有可能出现的实验数据?原子核反应的理论远没有原子反应的理论那样成熟,于敏的结论可靠吗?

  我和黄祖洽详细聆听了于敏的证明。由于于敏用的是从第一原理出发但又是“半唯象”的,包含某些经验参数在内的理论,其中有某些参数的输入,又来自极为可靠的实验数据。这是理论物理学者在走向终结理论过程中,要回答某些现实问题时,时常运用的标准方法之一(我和朱洪元、胡宁、戴元本等人研究层子模型时,也用了类似的方法)。但“戏法人人会变,各有巧妙不同”。在听完于敏的证明以后,我们两人一致认为,这一结论十分可信而巧妙,因而否决了是否需要部署、测量氚氚反应截面的实验建议。

  这就避免了一次大浪费。若干年后,我们发现原来美国人曾进行过氚氚反应截面的测量。只是测量后,并未及时发表。

 

有可能用原子弹点燃氘化锂的热核反应吗?

 

  在否决了昂贵的氚弹的设想之后,其第二位的选择,必定是采用氘化锂。在氘化锂介质中,不仅可以由氘氘反应产生氚,而且还能由中子和锂6的反应形成氚。虽然一个廉价的氢弹,必然不会含有人工制造的氚,但完全可以利用氘和锂6形成的固体,间接地利用氚。

  一个最简单的设想:人们能否在原子弹外面加上一个氘化锂组成的球壳,通过氚的中介,用原子弹产生的高温,直接点燃氘化锂的热核反应?

  于敏运用逆康普顿散射机制,仔细计算了一个满足玻尔茨曼分布的电子和一个满足轫致辐射谱的光子相碰撞并逐渐转移能量的过程,最后证明,等离子体中的电子会迅速地将能量传输给光子,而处在均衡态的光子的能量密度,一定归结为普朗克能量密度,即aT4!

  这就完全粉碎了我们所期望的用原子弹直接点着氘化锂的等离子体!简单计算还表明,一个在正常密度的含有氚化锂的氘化锂的混合体系形成的高密度等离子体,根本没有可能会点燃!

  于敏这一计算,对我们当时的猜想打击太大了。为此,朱洪元教授还自告奋勇地仔细检查了于敏的计算,仅在最后指出,于敏在整个计算中,少了一个因子2。但加上“2”的改正后,丝毫不影响于敏所做结论。

 

出路何在?

 

  前面提到,于敏曾用公式严格证明氘氚反应所具有的最大截面不会超过5巴,但我们又注意到氘氚发生反应后,一共会放出17.6MeV的能量,而停留在等离子体内的仅有3.5MeV。其中大部分能量由14.1MeV的中子所带走。那么,我们能否设法使中子带走的14.1MeV能量,又回到等离子体内?

  我由苏联回国时,从苏联的科技书店里买回一本有中子和原子核反应截面的一个简单的手册。这一手册除了收集若干低能中子的对轻核反应的截面外,还收集有14.1MeV中子和重核元素发生核反应的截面的简图。也就是当中子能量达到了14.1MeV的时候,铀235及铀238、钚239、钍232均发生裂变。并且裂变后平均产生4.5个中子,同时还释放出约200MeV的裂变能。

  我说,是不是还能设法将这些能量也补充转移放到氘化锂的介质里面?而且,中子打击锂6后,锂6将分裂为氚核和氢核,同时也还将增加约4.9MeV的能量。如果我们能将所有这些新释放的能量,转移或集中在氘化锂的等离子体里,也许也有可能使氘化锂中的等离子体里积累的热量大过损失的热量,从而持续维持一个“裂变中子→被锂6吸收形成氚→由氘氚反应释放出14.1MeV中子→14.1MeV中子轰击到重核元素,如铀238,→产生4.5个裂变中子”的循环所形成的链式反应。而如果这是一个类似于原子弹爆炸的中子不断增殖的链式反应过程,也许也有可能形成一个大爆炸。

  这就是当今受控热核反应界,所热衷于研究和发展的‘聚变、裂变’混合堆。

  那么,我们能否把这个链式反应机制设法编成计算程序,用计算机上算一下?但是,这一计算(在当时来说)工作量极大,需要求解某个有一定结构下的中子输运方程和辐射流体力学的联立方程。而问题是,所涉及到中子能谱,有低能中子、中能中子,还有一直延伸到14.1MeV能量的高能中子,这至少要将中子能谱分成16群,才有希望得出可信的结果。在当时,在我们仅有的极有限的计算机条件下,相当难以解决。

  这时,于敏立刻就拿出他的深厚功底的理论物理学家的看家本领了。于敏立即说,先研究一个理想模型。

  他建议,不要马上设法求解如此复杂的方程式,而是完全略去介质的运动,首先构造一个静态的无限大的中子增殖模型,专门计算中子的增殖速度,同时也就给出升温速度。这就可以略去求解辐射流体力学方程带来的巨大麻烦,大大节省了计算工作量。

  对于在某一温度特定T下,某个中子经过一次循环后的中子倍增的特征时间是多少的问题,经过求证后发现,其特征时间比一般原子弹里的中子增殖的特征时间慢很多,但于敏和我却注意到这一特征时间的倒数将强烈地依存温度T4和密度。如果等离子体温度T更高或者密度变大,中子数增殖特征时间的倒数便会很快上升。这一链式反应过程的特征时间的倒数就有可能大大超过原子弹,也许这就是氢弹。

  这就强烈地启示着于敏和我,要“点燃”某个氢弹,除了走稀薄等体子体道路,即于敏所说“放光”模型以外;还有另一种可能性,亦即通过某种升温和压缩机制,将某个室温下的“裂变中子+氘化锂+U238”体系,压缩升温成为某个处在高温T和高密度下的等离子状态,这就有可能形成一个包含热核反应在内的“链式反应”式的氢弹的爆炸。

 

在纸上做出巨型原子弹

 

  为什么我们过去的简单设想均不太成功?因为一个可爆炸的带有中子链式反应机制的氢弹体系,也必然如同原子弹一样存在着某种临界质量。容易证明,原子弹的临界质量和密度的平方成反比。而一旦通过炸药形成向内“压缩”的爆震波,使原子弹内包含的核燃料的“质量”超它的临界质量,原子弹就会发生爆炸。那么,我们设想中的有中子链式反应形成的氢弹,其外来的向内的“压缩”波将从何而来?

  这时,黄祖洽却忽发奇想。他问,我们是否可以用大量的U235,如用1吨重的铀235做成一个大壳子,但里面却放上大量的氘化锂,这一特制的原子弹必然也会产生向心的压缩波。也许这一机制将“点燃”藏在铀235外壳内的氘化锂,也许这就是所谓的“增强”式的原子弹,或十分“肮脏”的大原子弹?

  于敏和我都说“好”!由于我们已经懂得上述爆炸机理,也有了运动方程式,也有了描述中子运动的“三群”的分群截面,当然不难给出它们的尺寸大小,写出差分格式,用计算机计算出这一“设计”的爆炸当量。而意外的是,这一超大型原子弹,其TNT爆炸当量,竟高达几千万吨级!这太意外了,我们居然在纸上已做出个类似于氢弹爆炸当量的大原子弹!

  这个模型用了约1吨重的铀235。其铀235的用量约相当于30枚的原子弹。而一枚原子弹的爆炸当量才约为2万~3万吨TNT当量,或这一巨型原子弹的爆炸当量应在3万×30或百万吨级。但这一由纸带上打印出来的巨型原子弹爆炸当量,却几乎相当于1000枚的原子弹的爆炸!为什么这一纸上巨型原子弹,获得如此高的爆炸当量?

  于敏和我均详细地检查了纸带,结果发现这一巨型原子弹的中子通量增殖极快,以致这一吨重的铀235几乎烧掉了总重量的99.99%!我和于敏都提出这样的疑问,这一爆炸究竟是原子弹爆炸还是实质上是氢弹爆炸?

  于敏仔细思考后,所谓原子弹爆炸,其键式反应的特征,是每次裂变平均放出2.5个中子,而氢弹爆炸,其键式反应的特征,却是每次裂变平均放出4.5个中子。虽然这里是用铀235做外壳,裂变谱中子和14.1MeV的高能中子都会起裂变反应,但也有可能这里铀235实际上仅起着类似14.1MeV中子对铀238所起的裂变的作用。因此,关键就在于在这一纸上的爆炸中,真正起主导作用是4个半中子还是2个半中子?

  于敏从纸带中摘出了一系列的中子增殖数据,测算中子通量的上升速度,特别取出其中的第1群,即14.1MeV中子的数据。最后,他对我说,纸带上穿孔的数据,似乎这里起主要作用的是从1吨铀235放出的4个半中子,并不是由裂变中子诱发的2个半中子!

  所以,这一超“大型”原子弹的爆炸,实际上并不是原子弹爆炸,而更像是有热核反应在内的由14.1MeV中子的链式反应所主导的氢弹的爆炸。黄祖洽建议的这个计算,就像是有一颗由铀235球売组成的原子弹,爆炸后对内产生一个内爆波,从外向里压缩球売里的氘化锂达到高密度、高温状态,从而引起包括氘氚反应和中子系列的链式反应。从表观上看,这似乎是某个超大型原子弹的爆炸,而其实是一颗大型氢弹的爆炸。

  问题是我们如何实现某种压缩机制,来实现这一链式反应所引起的大爆炸?在黄祖洽建议的计算中,用上一吨铀235的外壳,这当然是无法实现的构型。但这一用了上吨级铀235外壳的构思,显然起着两方面作用:第一,其第一阶段的或早期的原子弹式爆炸为氘化锂提供了制氚所需要大量的中子;第二,它提供了一个巨大的向内的爆震波,将铀235空腔内的氘化锂压缩成温度极高、密度极高的一个小球。因此,它极大地提高了氘化锂的热核反应速度,即T4中的值可以随温度T4的升高和密度的变大而演变成极大的数值。但辐射损失,黑体辐射能量密度的aT4中的a值却仍是一个常数。所以,只要创造某种类似机制,就有可能点燃一个真实的氢弹。

  可以设法在氘锂的球体内放一个由铀235或钚239做成的小球,用以提供早期大量制备氚所需裂变中子。但如果将铀235外壳换成铀238外壳,就无法获得像那颗大原子弹产生的向内压缩的巨大的内爆波。

  那么这一巨大的向内压缩的压力将从哪里来?在那一时期,我们未能获得真正解答。不过,我们确曾注意到,原子弹爆炸后首先放出的是强射线,其总量约占总能量的6%。所以,一个2万吨级的原子弹首先放出约于1200吨TNT当量的射线。如果能设法将这一巨大的射线能量投射到某个铀238外壳,也许如此巨大的当量的“炸药”可以将氢弹压缩成为一个超临界小球,从而诱发链式反应式的爆炸。

  所以,我们猜测,所谓原子弹“点燃”氢弹的说法,并不是利用原子弹直接“点燃”氢弹中的热核反应,而是提供一个人为的类似于原子弹起爆的内向的“向心”压缩波,使腔内氘化锂温度升高和密度增大点燃其中的氘氚反应,从而导致了氢弹的迅速爆炸。其爆炸机理其实是和原子弹爆炸机理相似的由内向性“爆轰波”所引发的中子链式反应式的爆炸。

  不过,当时的于敏更喜欢的是“放光”模型。而如果“放光”模型得以真正实现,那将是一个干净的氢弹。显然,一个干净的氢弹的设计比起肮脏的氢弹的设计要更为漂亮。

 

于敏是不是中国的“氢弹之父”?

 

  在九院曾发生一场氢弹理论发明权的争论。我曾向邓稼先详细介绍过于敏在原子能研究所所做的全部工作。从我来看,我认为于敏是当之无愧的中国氢弹构型的最主要发明者。

  回顾那一时期所做各项工作,可以说,在氢弹的预先研究过程中,几乎所有的难点的解决都出自于敏的贡献,而我仅是站在一旁的积极的促进者。

  于敏曾多次否认他是中国的“氢弹之父”。因为氢弹的研究,包括氢弹的预先研究,的确是很多人集体研究的结果。而且,其中还有不少青年的工作者,为氢弹的研究,贡献了他们的青春的一生。

  那么,于敏的贡献何在?也许我们可以打一个比喻。一个由11人组成的足球队,在场上踢球,但起关键作用的人员,却往往是场外的教练和冲在前面射门的前锋。于敏正是这支足球队的教练兼中锋。至于我,虽然也添在前锋之列,但我这位边锋,虽然也曾多次和于敏并肩作战,但到了关键时刻,临门一脚、应场入网的却总是于敏院士。至于我,最多只能将足球踢到能由于敏“举足破门”的最佳位置。

  在我来看,将中国的氢弹称之为于敏构型,是完全准确而恰当的。

 

(原标题为《 何祚庥忆于敏:当之无愧的氢弹构型最主要发明者》)

 

……………………………………………………

  何祚庥名声不怎么样。不过我知道他是公然反“包子”称帝的;这不能不是他的闪光之处。有关这篇文章中他是否太高了自己,我不知道;但是他证明于敏是中国氢弹之父。同时简单地描绘了于敏构型氢弹的原理。我从未学过物理,根本不懂他说的东西;不过相信中国的氢弹主要是根据于敏的设计原理造出来的。

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