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于敏与氢弹(一)氢弹的科学原理

已有 2792 次阅读 2019-3-1 10:45 |系统分类:观点评述

     导读

了解了氢弹有多重要、开发氢弹有多难,你才能明白于敏的重要性在哪里:核威慑绝大部分来自氢弹。常规武器的威力远远低于原子弹,而原子弹的威力又远远低于氢弹,因为它们能量的来源不同。常规武器用的是化学能,原子弹用的是裂变能,氢弹用的是聚变能。



2019年1月16日下午,我正和许多科技工作者在“典赞·2018科普中国”的颁奖典礼现场,突然听到中国氢弹之父于敏去世了,享年93岁(1926-2019),不禁深感悲痛。


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于敏


大家都知道,于敏对中国的氢弹研发发挥了关键作用。有许多人说,世界上的氢弹构型只有两种,一种叫泰勒-乌拉姆构型(Teller-Ulam design),一种叫于敏构型,而且于敏构型比泰勒-乌拉姆构型还要好。这种说法是真的吗?应该如何理解于敏的贡献,以及更广而言之,于敏的历史意义?


为此,我做了一些相关的调研。要充分理解于敏的工作,就需要首先理解氢弹的原理。而实际上,氢弹原理本身就是一个有趣的话题。了解了氢弹有多重要、开发氢弹有多难,你才能明白于敏的重要性在哪里。因此,让我们把这个话题分成几期,第一期来谈氢弹的科学原理,第二期来谈氢弹的工程实践,然后来谈于敏的工作。


关于氢弹,大多数人都知道,氢弹是人类制造过的最强大的武器。不过,强大到什么程度呢?很多人可能并没有充分理解。


让我们来看一些数据。有一种常用的炸药叫做三硝基甲苯,简称TNT。人们经常用当量(yield)来表示一个武器的威力,意思就是它放出的能量相当于多少质量的TNT爆炸。如果用能量单位焦耳来表示,那么1吨TNT爆炸释放的能量约等于41.84亿焦耳。


氢弹从未在实战中使用过,而原子弹使用过两次,就是二战末期投掷在日本的两颗原子弹。1945年8月6日投在广岛的那颗原子弹,代号叫“小男孩”,当量约为1.5万吨。1945年8月9日投在长崎的那颗原子弹,代号叫“胖子”,当量约为2.1万吨。


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                                                     广岛上空的蘑菇云


1964年10月16日中国爆炸的第一颗原子弹,当量约为2.2万吨。


人类历史上试验过的威力最大的原子弹,是1952年11月16日美国爆炸的“常春藤之王”(Ivy King),它的当量是50万吨。


那么,氢弹是什么样的当量呢?


1967年6月17日中国爆炸的第一颗氢弹,当量约为330万吨。


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中国第一颗氢弹爆炸


人类历史上第一次试验的氢弹,是1952年11月1日美国爆炸的“常春藤麦克”(Ivy Mike),它的当量是1040万吨。


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常春藤麦克的蘑菇云


美国曾经装备部队的威力最大的氢弹,是B-41核炸弹,又称为Mark-41,在1961年至1976年期间服役。它的当量是2500万吨。


人类历史上试验过的威力最大的氢弹,当然也就是人类历史上试验过的威力最大的武器,是苏联在1961年10月31日爆炸的RDS-220氢弹,经常被称为“沙皇炸弹”。它的当量是——5000万吨!


你可以看出来了,原子弹的当量是在万吨至十万吨的级别,而氢弹的当量是在百万吨至千万吨的级别。基本上,氢弹的威力比原子弹高出两个量级!


这绝对不是说原子弹很弱。实际上,跟非核武器,也就是常规武器比一比,你就会理解原子弹的威力了。


近年来,美国宣布开发了一种前所未有强大的常规炸弹,叫做“炸弹之母”(MOAB)。


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                                                          炸弹之母


后来,俄罗斯又宣布开发了一种更加强大的常规炸弹,叫做“炸弹之父”(FOAB)。


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炸弹之父


这两个名字虽然看似搞笑,但不像那个航公对航母的笑话,这两种武器是真实存在的。许多媒体报道了这两种炸弹有多么多么恐怖,爆炸后产生的冲击波对武器装备和建筑物的破坏力相当惊人,还会造成缺氧状态,导致爆炸区域内生物窒息而死,然后说它们可以在一定程度上取代核武器。


那么,这两种炸弹的当量是多少呢?


回答是:炸弹之母11吨,炸弹之父44吨。


这是什么概念?即使是跟2万吨级的早期原子弹相比,这俩所谓“之父”、“之母”的当量也只有人家的百分之一到千分之一的量级。结果媒体说,你们要取代人家?这不是开玩笑吗?


现在你可以明白,为什么把武器分为核武器和常规武器了吧?前者和后者完全不是一个层面的!


所以武器的基本图景是:常规武器的威力远远低于原子弹,而原子弹的威力又远远低于氢弹


看电影和读历史的时候,我经常想指出一点:打仗首先比的就是能量。如果一方比另一方掌握更高层次的能量,那么他就具有压倒性的优势。好比同样作为超级英雄,有些人只能使用自己的体力拳打脚踢,有些人却能用小型化核聚变反应堆飞天遁地,怪不得前者经常苦哈哈的,而后者就潇洒多了。


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蝙蝠侠


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钢铁侠


虽然我们经常用到核威慑这个词,但现在你可以明白,核威慑绝大部分来自氢弹。原子弹的威慑只能诈唬诈唬无核国家,对有氢弹的国家来说基本属于逗比行为。正如古典小说中常见的句式:“萤火之光,也敢与日月争辉?”


让我们来做一个小测验:世界上哪些国家有氢弹?


回答是:按照获得氢弹的顺序,分别是美国、苏联、英国、中国、法国


哎呀,这么巧啊,刚好是联合国安理会五个常任理事国?嗯,这是不是巧合,就看你怎么理解了。你也可以认为,因为这五个国家有氢弹,所以它们成了五常。五常表示:地球的和平,就靠我们来保卫了!


世界上还有些国家,号称是有核国家,但一般认为它们只有原子弹,没有氢弹。这些国家包括:以色列、印度、巴基斯坦、朝鲜,以及曾经的南非


你觉得这些有核国家对你的威胁有多大呢?


恐怕大不到哪里去。否则为什么南非要带个“曾经”啊?南非曾经建造过六七件核武器,后来在国际原子能机构的监视下拆除了。如果南非有过氢弹,你觉得谁能强迫它拆除?


这里还有一个有趣的故事,是关于朝鲜的。2017年9月3日,朝鲜宣称举行了一次地下氢弹试验,然后欢庆自己掌握了氢弹技术。但是外界对此充满怀疑,因为根据我的科大同事、地球与空间科学学院温联星教授检测到的数据,这次试验的当量大约是10.83万吨加减4.81万吨。


在前面我们举的例子中,氢弹的当量都是百万吨甚至千万吨的级别,结果这里搞个十万吨的就号称是氢弹?十万吨的氢弹也不是没有,五常会造,这是小型化的技术。但是对朝鲜来说,难道第一次试验,就掌握了氢弹小型化的技术?走还没学会呢,就直接会飞了?你是愿意相信这个,还是愿意相信……这次爆炸的根本不是氢弹?


顺便说一句,温联星是著名的地球物理学家,他们实验室发展了最先进的地震高精度定位方法。因此每次朝鲜核试验,他们都会探测一番,然后发表若干篇高档次的学术文章,然后媒体愉快地报道一通。在这个意义上,最喜欢朝鲜核试验的,除了朝鲜人,大概就是温联星教授!


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温联星


还有一个有趣的故事,是最近的一条新闻。在尼日利亚的一所学校里,曾经有一公斤浓度高达90%的高浓缩铀,用于微型核反应堆的研究。恐怖组织“博科圣地”兴起后,国际社会十分担忧恐怖组织会得到高浓缩铀,把它做成武器。因此,中、美、俄、英等国联手,在24小时内进行了一场堪比电影大片的特别行动,把这一公斤高浓缩铀用俄罗斯的飞机转移到了中国石家庄(https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml)。


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中核集团网站报道,配图为尼日利亚高浓缩铀运抵中国


这个故事说明,核大国之间即使在许多事情上吵吵嚷嚷,但在防止核扩散上还是有强烈的共同利益的。到了维护世界和平的关键时候,五常并不是吃白饭的。


尼日利亚之所以同意把高浓缩铀转移走,一个重要原因是中国能帮他们实现微堆低浓化改造https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml)。也就是说,在不改变堆芯尺寸的情况下,将高浓铀组件换成低浓铀组件。改造后的微堆可以满足原微堆的所有功能,安全性能更好,燃料使用寿命更长。


2016年,中国原子能科学研究院在经过5年攻关后,成功将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%,并实现满功率运行,使中国成为全世界唯一完全掌握微型中子源反应堆技术的国家。


2018年8月,中国在国际原子能机构框架下,与尼日利亚政府签署了有关微堆低浓化改造工作的协议。10月20日,中核集团顺利出口低浓铀新燃料。11月27日,使用新燃料的尼日利亚微堆达到满功率运行。


所以你看,要维护世界和平,最重要的是什么?是你的科技实力!


好,在了解了这些基本背景之后,科学问题就出来了:常规武器与原子弹之间、原子弹与氢弹之间,为什么存在如此巨大的差距?


一言以蔽之:能量的来源不同。常规武器用的是化学能,原子弹用的是裂变能,氢弹用的是聚变能


化学能来自化学反应,本质是在原子核不变的情况下,原子核外的电子重新排布。


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甲烷燃烧反应


裂变能来自核裂变,就是一个原子核分裂成多个原子核。


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铀-235裂变


聚变能来自核聚变,就是多个原子核聚合成一个原子核。


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氘氚核聚变


原子核是由质子和中子组成的,两者统称核子。核子之间的结合能,远远高于电子与原子核的结合能。也就是说,把一个原子核拆成相距遥远的若干个核子所需的能量,远远高于把一个原子拆成相距遥远的原子核与电子所需的能量。


你如果要问更本质的原因,就是:把电子跟原子核结合在一起的力叫做电磁力,把核子结合在一起的力叫做强相互作用。电磁力是大家在日常生活中非常熟悉的,就是电力和磁力,你用的所有电器都是基于电磁力的。而强相互作用是在日常生活中见不到的,只会出现在两个核子相距非常近的时候,比如原子核内部,而如果两个核子距离稍微远一点,就衰减到几乎为零了。《三体》中设想了一种所谓强相互作用材料,就是著名的“水滴”,这在目前还只是个幻想。


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《三体》水滴


顾名思义,强相互作用比电磁力强得多。这是符合直觉的,越是内核的东西,结合得当然越紧密。所以,核反应涉及的能量标度在本质上就比化学反应高得多。


这样,我们能够理解为什么核能远远高于化学能。但在核能内部,为什么聚变能又远远高于裂变能呢?


实际上,单个裂变反应释放的能量往往大于单个聚变反应释放的能量。但是别忘了,两种反应的起点不同。聚变的反应物是轻原子核,例如氢和氦。而裂变的反应物是重原子核,例如铀和镭。这些重原子核的质量是轻原子核的上百倍,因此当你计算单位质量反应物放出的能量,也就是能量密度的时候,聚变就比裂变强大得多了。


既然如此,人们为什么没有直接开发氢弹,而是先开发出了原子弹呢?


原因在于,聚变比裂变难发生得多


裂变是从原子核里跑出一些东西,比如一个中子。根据量子力学,这个东西在任何时刻都有一定的几率跑出来,这个几率只取决于原子核的势垒。这就意味着,裂变跟温度、压强、化学反应等外部因素无关。如果一种原子核能裂变,比如说铀,那么无论它在什么温度下,什么压强下,无论以铀单质还是化合物的形式存在,都会以相同的速度裂变。


聚变是把两个原子核聚在一起,而原子核中的质子是带正电的。这就意味着,两个原子核之间存在静电斥力。如果两个原子核靠得非常近,它们之间的强相互作用就会超过静电斥力,发生聚变。但如果没有很高的初始能量,它们就不可能克服静电斥力,靠到这么近。因此,核聚变需要外界条件的帮助,需要非常高的温度和压强。


高到什么程度呢?比如说太阳的能量就来自核聚变,太阳中心的温度是1500万度,压强是2000亿个大气压。


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太阳


地球上实现不了这么高的压强,要发生核聚变,就只好把温度升到更高,比如说上亿度。


有什么办法能达到这么苛刻的条件呢?有了原子弹之后,显而易见的答案就是:用原子弹。所以氢弹都是用原子弹引爆的,先用裂变达到聚变条件,再通过聚变放出更大的能量。因此,氢弹又被称为聚变武器,或者热核武器。


了解了这些基本原理,就可以解答很多问题,例如我为什么经常呼吁发展可控核聚变。原因很简单,这是人类已知科学原理的最强大的能源。飞出太阳系,移民宇宙,一定要靠可控核聚变。


又如近年来,人们在全氮阴离子盐、金属氢等高能材料的研究方向取得了许多进展,中国的研究组就发了好几篇《Science》。媒体也经常说,这些高能材料有望制成超高能量密度的炸药。于是经常有读者来问我:这些炸药能不能代替核武器?


答案很明显:不能。能量密度再高的化学能材料还是化学能,跟核能不可同日而语。这种问题真是应了一句名言:年轻人,你对力量一无所知!


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你们对力量一无所知


原文发布在【风云之声】公众号(2018年2月18号) 



http://blog.sciencenet.cn/blog-3277323-1164908.html

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