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于敏与氢弹(二)氢弹的科学原理

已有 7507 次阅读 2019-3-17 11:48 |系统分类:观点评述

导读


最先成功的氢弹构型叫做泰勒-乌拉姆构型。它的关键思想,可能在于不是指望裂变产生的高温导致聚变,而是指望把裂变释放的X射线的能量回收转化成热能,在聚变材料内部产生高温。这样就有可能在聚变材料被炸散之前,使大部分聚变材料发生聚变。谢绝查水表!



在上一期中,我们解释了原子弹和氢弹的科学原理,即核裂变和核聚变。了解了这些科学原理之后,下一个问题是:氢弹和原子弹在工程上的设计关键是什么呢?


对不起,我不知道。如果我知道,那么我就是保密系统内部的人了,所以我还是不可能告诉你,对不对?嗯,真是好像《第二十二条军规》。


无论如何,我想大家都能够理解,核武器的设计诀窍对每一个有核国家来说,都是顶级机密。现在大家在网络上看到的各种信息,其实全都是猜测,从来没有得到官方的确认


我们能够谈的,是一些历史性、学术性的信息。


最先成功的氢弹构型叫做泰勒-乌拉姆构型(Teller-Ulam design),它是由美籍匈牙利裔犹太理论物理学家爱德华·泰勒(Edward Teller,1908-2003)和美籍波兰裔数学家斯坦尼斯拉夫·乌拉姆(Stanisław Marcin Ulam,1909-1984)在1951年提出的。顺便说一句,泰勒是杨振宁的博士导师,泰勒和乌拉姆都是我的专业领域“理论与计算化学”的先驱。

                           

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爱德华·泰勒


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斯坦尼斯拉夫·乌拉姆


那么,泰勒-乌拉姆构型说的是什么呢?


对不起,我不知道。只是根据各种猜测,看起来以下这些说法似乎可能仿佛有点道理。


如果你根据我们前面描述的氢弹基本原理去设计氢弹,那么你最容易想到的很可能是,在一颗原子弹的外面套上一层聚变材料的壳。但这样的设计不会成功,即使能发生一点点聚变,效率也极低,因为绝大部分聚变材料都被炸得四散粉碎了,来不及发生聚变。


泰勒-乌拉姆构型的妙处,可能就在于把裂变与聚变材料分为两个腔体存放。裂变发生以后,最先释放出来的是X射线。我们不是指望裂变产生的高温本身导致聚变,而是指望把X射线的能量回收转化成热能,在聚变材料内部产生高温。这样就有可能在聚变材料被炸散之前,让它们达到足够的温度,使大部分聚变材料都发生聚变。


用技术性的语言说,这种设计叫做“分级化”(staging)。用第一级的裂变,推动第二级的聚变。


更现代的设计可能还包括第三级,在热核装料外包上一层铀-238的外壳。聚变产生的高能中子使铀-238裂变,释放出更多的能量和中子,进一步加剧聚变,使核弹的威力成倍地提高。这样的武器被称为三相弹(Tri-phase Thermonuclear Bomb),现在大多数的氢弹可能都是三相弹。


再次强调一下,这些全是猜测,不能当成确定的信息。我家用上5G技术了,水表自动上报读数,不用查水表!(关于5G参见2019科技袁人年度盛典演讲:没有人能阻止你努力 | 袁岚峰


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开门,查水表!


还有一些有趣的相关信息是,有了泰勒-乌拉姆构型之后,氢弹的威力在原理上就可以无限提升了,而原子弹不能。即使你使用再多的裂变材料,也很难让原子弹的当量超过前面说的“常春藤之王”的50万吨。


氢弹威力的无限提升,有一个惊人的例子,就是前面说的人类历史上最强的武器,当量5千万吨的“沙皇炸弹”。这个数值,相当于二战中使用的所有常规炸药之和的十倍。但实际上,这颗炸弹还没有发挥出它全部的威力。它最初的设计指标,是吓死人的一亿吨!在试验的时候,人们做了一些改动,具体地说,是把某些部分的材料从铀-238换成了铅,导致它的当量降低了一半。


为什么要做这个改动呢?一方面是考虑到对环境的影响,另一方面还有一个更直接的原因,就是扔炸弹的飞机乘务员还想活着回来呢。飞机在投弹之后即使拼命逃跑,也仍然有很大的可能被爆炸波及摧毁。如果用一亿吨的完全设计,那么飞行员基本上就死定了。如果减为5千万吨,那么根据计算,飞行员有50%的几率逃生。


你看,一项有一半几率送命的任务,这位苏联飞行员就这么勇敢地去了,在这一点上不能不令人佩服。让我们记住他的名字:安德烈·杜尔诺夫柴夫少校(Major Andrei E. Durnovtsev)。


实际发生的情况是:炸弹从10500米的高度被投下,在4200米左右的高度爆炸。此时投弹的Tu-95V飞机已经飞出了39公里。然后,冲击波在115公里处追上了这架飞机,剧烈的震荡导致它在空中下降了一千米。幸运的是,这架飞机最终还是恢复了控制,并且安全着陆了。好一场俄罗斯轮盘赌!杜尔诺夫柴夫少校在任务结束后就地升任中校,并且获颁苏联英雄勋章。


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沙皇炸弹的爆炸地点


沙皇炸弹产生了一个直径8公里的火球,在1000公里之外都能看见。


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沙皇炸弹产生的火球


它产生的蘑菇云高达67公里,超过珠穆朗玛峰高度的七倍,这意味着它已经超出了大气层的平流层,进入了中间层。蘑菇云的顶部宽度达到95公里,底部宽度达到40公里。


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沙皇炸弹产生的蘑菇云,在161公里外看到,当时蘑菇云的顶部高度是65公里


在爆炸地点数百公里内,木造的房屋都全毁,砖造或石造房屋的门窗与屋顶都被强风吹走,无线电通讯中断了一个小时。尽管爆炸发生在距地面4.2公里的高空,但它在地面上引发了地震波,强度为5-5.25级,许多地面的核试验也不过是这个震级。在冲击波环绕地球三次后,传感器仍然能够探测到它的信号。


因此我们可以理解,氢弹跟其他的武器有本质的区别。常规武器对地球来说纯属挠痒痒,原子弹也只是能在大城市杀死很多人,对地球影响不大。氢弹却真的是威力太大了,完全有可能破坏全球环境,毁灭人类。


当然,这种巨大的威力也可以用作建设性的目的。《三体》里的面壁人之一雷迪亚兹的主意,就是用氢弹在水星上炸出很多大坑,把水星推出轨道,造成连锁反应,摧毁整个太阳系,用这种焦土战略吓阻三体人的入侵。这个计划最后还真的派上了用场,每一位面壁人的殚精竭虑都没有白费,念念不忘,必有回响,令人热泪盈眶。


由于氢弹的威力如此之大,因此前所未有地出现了小型化的需求。以前的武器都希望威力越大越好,氢弹却希望威力小点好,太大就没法用了。此外,在总的当量固定的前提下,多个小弹头的破坏力也大于单个大弹头。因此,五常现在装备的氢弹,大都是分导式多弹头导弹。于敏的重要贡献之一,就是在为中国开发出氢弹之后,又使得中国掌握了氢弹小型化的技术。


这就引出了一个专业问题。我们衡量一个武器的优劣,不仅应该看它的当量,还应该看它单位质量的当量,即当量质量比(yield-to-weight ratio)。


在实践中,氢弹的当量质量比的上限大约是6百万,也就是说,一吨质量能产生6百万吨TNT爆炸的能量。原子弹的当量质量比就低得多,例如见维基百科上“核武器当量”(Nuclear weapon yield)的统计图(https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_yield)。


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美国核武器的质量与当量统计图


请注意这个图用的是对数坐标,横纵坐标分别是武器质量和当量的对数。在质量差不多的情况下,原子弹的数据点明显在氢弹的下方,差两三个量级,当量质量比大约是几千

大家可以想想,常规武器的当量质量比是什么量级?


当然是1的量级了!因为同样是化学能,即使你用的化学炸药的能量密度比TNT高很多,也不可能有数量级的差别,所以基本上只能一吨换一吨,还想啥自行车?


一个有趣的问题是,苏联是怎么获得氢弹技术的?


如果说爱德华·泰勒是人类的氢弹之父和美国的氢弹之父,那么在媒体中也有一位苏联的氢弹之父,就是著名的理论物理学家、1975年诺贝尔和平奖得主安德烈·萨哈罗夫(Andrei Dmitrievich Sakharov,1921-1989)。没错,这位老兄得的诺贝尔奖是和平奖,而不是物理学奖,虽然他对物理学也有很大的贡献。


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安德烈·萨哈罗夫


他在设计出苏联的氢弹之后,变成了著名的和平运动人士。尤其是那颗5千万吨的沙皇炸弹,作为设计师之一,萨哈罗夫原本力劝赫鲁晓夫不要去试验,因为对环境的破坏太大,但赫鲁晓夫还是一意孤行炸了。萨哈罗夫非常愤怒,从此就成为了苏联政府强烈的批评者,虽历经压制而不改。


我们对萨哈罗夫的学术成就和道德勇气,致以崇高的敬意。还有另外一位科学家,对苏联的氢弹可能也发挥了关键作用。他的作用非常特殊,并不是在苏联开发出了氢弹技术,而是把美国的相关信息传递给了苏联。也就是说,他是一位间谍。这位科学家叫做克劳斯·富克斯(Emil Julius Klaus Fuchs,1911-1988)。


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克劳斯·富克斯


著名的物理学家、恒星核聚变的发现者、1967年诺贝尔物理学奖得主汉斯·贝特(Hans Albrecht Bethe,1906-2005)认为,富克斯是唯一的一位真正改变了历史的物理学家。


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汉斯·贝特


富克斯1911年出生在德国,从小信奉共产主义,1933年逃避纳粹的迫害逃到英国,1942年获得英国国籍。二战期间,他参与了英国的原子弹项目“管合金”(Tube Alloys),同时和苏联情报机构接上了头。富克斯做这些事不是为了钱,而是出于信仰。


1943年,富克斯被调到美国,参与了曼哈顿计划。他在其中做出了很多贡献,被汉斯·贝特称赞为“我们部门最有价值的人之一”和“我们拥有的最好的理论物理学家之一”。


顺便说一句,在洛斯阿拉莫斯,富克斯和当时还很年轻的理查德·费曼(Richard Phillips Feynman,1918-1988)成了好朋友。费曼的妻子艾莲(Arline Greenbaum)当时身患重病,费曼去医院看望她时,就是借富克斯的别克汽车去的(你干吗在乎别人怎么想? | 科技袁人)。


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理查德·费曼


1946年,富克斯回到英国。从1947年到1949年,他向苏联提供了制造氢弹的主要理论大纲以及英国和美国发展氢弹的最初草稿。


富克斯的情报在多大程度上帮助了苏联的氢弹研发呢?其实我们不知道。因为当时美国还没有找到氢弹的正确构型呢,富克斯怎么可能把它告诉苏联人?也就是说,富克斯做的事情的重要性,从“真正改变了历史”到“完全没有用处”,都不排除可能。模糊性,正是关于氢弹的信息的一个常见特点。但无论如何,富克斯做的事,绝对是有改变历史的潜力的。


1949年底,英国情报机构对富克斯产生了怀疑。1950年1月,富克斯主动承认自己是一名间谍。英国法庭判处他14年监禁,剥夺了他的英国国籍。1959年6月23日,在坐牢9年4个月后,富克斯被释放,并迅速移民到了德意志民主共和国,也就是东德。后来富克斯在东德继续他的科学生涯,并作为研究的领导者取得了相当大的成就。


在抵达柏林机场时,富克斯受到了他在学生时代的女性朋友格蕾特·凯尔松(Margarete (Grete) Fuchs-Keilson,1905-1999)的迎接。格蕾特也是一位坚定的共产主义战士,曾经作过共产国际执行委员会总书记季米特洛夫(Georgi Dimitrov Mikhaylov,1882-1949)的助手。富克斯和格蕾特在1959年9月9日结婚,去世后合葬在一起。


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格蕾特与富克斯在柏林的墓碑


虽然苏联和东德都已成为往事,但两人在机场相见的画面仍然令人感动不已。一个人做事只要是出于人类的利益和崇高的理想,而不是为了私利,那么无论成败利钝,都应该得到我们的温情与敬意。所以,当然也应该有志同道合的人在温柔地等待着他。正如孔子所说:“德不孤,必有邻。”


有些研究者认为,富克斯给钱三强和其他中国科学家讲过课,帮助了中国在5年后爆炸原子弹。也有研究者质疑这种说法。当然,中国的原子弹项目本来就获得过苏联的帮助,有没有富克斯的帮助并没有本质区别。


说完了美国和苏联是如何造出氢弹的,我们终于可以来讨论于敏的工作了。这部分的技术性内容非常多,让我们做好心理准备,下回分解。

原文发布在【风云之声】公众号(2018年2月25号) 



http://blog.sciencenet.cn/blog-3277323-1168052.html

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