原子弹的秘密

原子弹的秘密关于“核”，最可怕的还是核弹。核弹的普及似乎不多，Muller老师在给未来总统的物理课里大略讲了一点基础的知识，我们跟着听听。三种核弹有三种基本类型的核武器，以它们所用的元素来命名：铀、钚和氢。它们的建造过程不同，下面是简单概述：铀弹是用非常难得的原料纯铀235制造的。提纯过程要求极高的技术，如电磁同位素分离、气体扩散工厂、超级离心机等。如果能获取原料，核弹本身就相对容易了。传说中学生都能设计的就是这种核弹。设计不是关键，更大的问题在于获取纯净的铀235。一颗铀弹摧毁了广岛市。钚弹的原料相对容易获得：钚239，是核反应堆的副产品。当然，如果你不能接近反应堆，也不容易得到它，但世界上有很多核反应堆。如果你能获得反应堆废料，而且懂得足够多的放射性化学技术以免被辐射伤害，那么提取钚239就相对容易了。对流氓国家甚至恐怖分子来说，获得钚239比获得铀235要容易得多。可是，即使你有了原料，用钚制造核弹也非常困难，这似乎是对容易的“补偿”。用钚造核弹需要内爆，那是非常难以掌握的技术。一颗钚弹毁灭了长崎市。氢弹释放的能量比铀弹和钚弹高1000多倍，但造起来最费工夫。开始，它们需要铀弹和钚弹，只是为了触发氢燃烧。所以，你首先要把握这一点。接着，你还需要获取稀有的氢同位素和锂。最后，你得将它们组装起来，使第一次爆炸在引爆整个装置之前迅速激发聚变。第一次试验可能不会成功，所以你还需要一个精密的实验计划。如果你想要计划保密，试验就更难做了。要隐藏百万吨级的TNT爆炸，可不是容易的事情。三种核弹的共同点是它们巨大的破坏力和严重的放射性后患。铀弹和钚弹是基于下列事实：它们的大部分原子可以在极短的时间内（一般是百万分之一秒）爆炸。回想一下，放射性是原子核的爆炸。对铀235和钚239来说，一个原子核发生爆炸时，碎片飞散，其能量大约是一个TNT分子爆炸能量的2000万倍。因为一个铀原子的质量大约等于一个TNT分子的质量，所以这意味着1磅铀具有2000万磅TNT的能量。（一个TNT分子的重量约等于一个铀原子的重量）。根据RobertSerber（曼哈顿计划的主要科学家之一）的说法，广岛原子弹用了大约80磅铀。假如它们都爆炸了，释放的能量应相当于750000吨TNT。然而，实际释放的能量只有13000吨。那是因为多数铀都没爆炸。广岛核弹在所有铀发生裂变之前就先爆炸了，只发挥了2%的效率——非常接近曼哈顿计划的科学家们的预言。链式反应核武器需要一种特殊的铀和钚的同位素，即铀235和钚239。核爆炸时，巨大的能量来自将核束缚在一起的巨大力量。原子核破裂时，碎片带着巨大能量飞散。许多能量来自碎片间的电斥力。为分裂铀核，你只需要用一个中子轻柔地打击它。铀核裂变时，会飞出两个大碎片（钡137和氪97）和两个额外的中子。碎片的动能转化为热能，能使附近的所有物质蒸发，爆炸就这样发生了。核裂变生成的中子能触发附近其他核的裂变。于是又出现4个中子，接着是8，16，32，等等。每一次加倍的中子叫一代。整个这样的过程叫链式反应。链式反应可以迅速发生，大部分原子在百万分之一秒内就裂变了。广岛原子弹爆炸时，只完成了2%的裂变，释放了1300吨TNT的能量。假如链式反应再多继续一代，那么释放的能量将加倍，从1300吨TNT当量增加到2600吨。很难预测一颗原子弹的能量，这一点儿也不奇怪。尽管核爆炸产生放射性，死于广岛和长崎原子弹的大多数人却并不是因为辐射，而是因为巨大的能量。能量生成巨大的高压气体的火球，迅速膨胀，产生爆炸和冲击波，毁灭建筑物和其他设施，使那两座城市化为土灰。结果不是来自最初的爆炸，而是来自炽热的火球。热火球上升到大气，生成著名的蘑菇云，那已成为核爆炸的标志。每个城市的死亡人数大约在35000到150000之间。（蘑菇云的形状其实与事件的核性质无关，它是大气现象，任何大爆炸都会产生类似的云。）曼哈顿计划曼哈顿计划与曼哈顿毫不相干，只不过是一个代号。整个计划是在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯进行的。关于它的故事，你可以读一本精彩的书，RichardRhodes的《原子弹出世记》。曼哈顿计划的科学领导者有奥本海默（RobertOppenheimer）和劳伦斯（ErnstLawrence）。军事领导人为格罗福斯（LeslieGroves）也值得赞美，他允许科学家们用他们做寻常研究的方法来进行核弹研究，而且在他们需要的时候有求必应。链式反应需要中子打击原子核，可原子核太小，多数中子都毫无阻碍地穿过多数原子。如果很多中子都漏出去，而没能击中原子核，链式反应就会中断。为了保证中子击中原子核，最简单易行的办法是把铀做厚一些。这有点儿像用步枪打树。如果瞄准一棵树，你可能会打偏。如果对着一片森林，你几乎肯定能打中一棵。为确保中子打中原子核所需要的铀的总量叫做临界质量。这个数字对真正的原子弹计划极端重要，因为铀235很难获得。如果临界值很大，你可能没有足够的铀或钚来制造核弹。在曼哈顿计划中，科学家原先估计需要的临界质量是440磅。德国人没那么多材料，所以不得不放弃了原子弹计划。曼哈顿计划的科学家发现，可以用一种能反射部分中子的“屏障”将铀包围起来。有了这种反射屏，中子就不会泄漏，而会反射回来。这样，爆炸所需的临界质量就减少到33磅。当然，他们实际用的铀量还要大一些。钚弹的临界质量更小，大约13磅，主要是因为钚在裂变时会多释放一个中子，所以链式反应扩张更快。那么，它裂变生成2*1025个中子需要多少代呢？要达到那个数，这回是用3来自乘。答案是51代，比铀所需的81代快得多。1945年6月16日在新墨西哥阿拉莫哥多试验的第一颗原子弹，用了13磅钚239。钚非常致密，正好装在12盎司的液体容器中，就像一小罐软饮料那么大。33磅临界质量的铀则适合装进一夸脱（32盎司）的牛奶容器。投放在广岛的那颗铀弹，在用于战争之前没有经过试验，这可是铀弹设计历史上的一段趣话。阿拉莫哥多试验的是钚弹，而非铀弹。那颗铀弹没有试验，有两个原因。第一是因为铀235很难提炼。我们马上会讨论提炼的方法。到1945年中期，科学家才分离出只够一颗核弹的铀。如果在试验中爆炸，就没有造第二颗的原料了。第二是因为铀235弹的设计相对简单，洛斯阿拉莫斯的科学家们坚信它能一次成功。这儿引用的很多数字都来自RobertSerber的《洛斯阿拉莫斯入门》，当年是向到那儿的物理学家讲解曼哈顿计划的讲义，是绝密，而今天已经由加州大学出版社重新出版，成了普通教科书。有人认为公开这样的书不是好事，似乎人人都能跟他学造原子弹；另一些人则认为，这本书能打消某些人甚至某些国家尝试核武器的念头，因为它说明为了做好设计所需要的计划有多困难和复杂。铀235的提纯原子弹的困难不在于设计或建造，而在于获取纯铀235。自然铀含有很难清除的杂质。提纯铀的过程一般要花几十亿美元，还需要顶尖的熟悉高技术的科学家。杂质是铀的另一种形式：铀238。铀238的问题出在它要吸收中子，有时生成钚，但这个过程不释放额外的中子。正如隔绝空气能灭火，拿走了中子就会阻断链式反应。地下挖出的普通铀含有99.3%的杂质铀238，只有0.7%的能裂变的铀235。换句话说，自然铀几乎被完全污染了。从铀238中分出铀235，叫铀分离。当分离接近100%时，铀被称为核弹级的，而被淘汰的原料叫贫化铀。贫化铀是含不足0.7%铀235的铀238。铀分离极其困难。因为铀235和铀238都是铀，普通的化学技术不能将二者区分。分离方法必须利用铀235比铀238略轻的事实。但这个差别很小，只有1.3%。二战期间，洛斯阿拉莫斯核弹计划的领导者们尝试了几种不同的浓缩铀238的方法。首先成功的方法是劳伦斯发明的电磁同位素分离法（calutron）。他用伯克利加州大学的昵称Cal来命名这个仪器，大概是因为它的形状像字母C。电磁分离器建在田纳西州橡树岭，几乎分离了广岛核弹所需要的所有铀235。电磁分离器的运行方式是，先蒸发铀，然后在C型电磁场中将它加速。如果它们的速度相同，较重的铀238原子运行的圆周路径将比铀235的大1.3%，因而可以在路径的末端分别收集它们。这个方法很慢，也很繁琐，但经过一年的运行，它最终还是分离了广岛核弹所需要的足够的铀235。二战后，人们用一种完全不同的方法来提纯铀，叫气体扩散法。在这种方法里，将铀与氟混合，生成六氟化铀，它在相对低的温度134°F就变成气体。然后，将气体压缩，使它在一种多孔材料中扩散。较轻的分子（铀235）运动较快，所以扩散较快。每个提纯步骤只能略微提高分离量。结果，需要很大的铀扩散厂才能容得下必须的多个步骤。图10.4的扩散厂建在田纳西的橡树岭，占地差不多一平方英里。不过，美国在冷战时期建造核弹库所用的核原料，几乎都是靠这种气体扩散分离的。扩散分离方法的最高机密之一，在于它所用的特殊多孔材料的性质。那种材料必须能在六氟化铀的强烈腐蚀作用下保持本来状态。它的身份现在已经公开了：特氟纶！很多人错误地认为特氟纶主要运用在航天计划中，其实它是铀扩散厂的关键材料。离心机分离铀235的最现代和高效的办法是用气体离心机。离心机用六氟化铀（与扩散厂里的气体相同）。较重的气体铀238会倾向在圆柱体内的外部集中，而铀235则靠近圆柱中心。然后将铀235抽取出来。实际上，一个离心机分离的量是很小的（因为铀235与铀238的质量差很小），所以气体要经过几千个离心机的分离，才能满足核电站或核武器所需要的分离量。尽管需要大量离心机，但它还是相对较小而高效。因为它旋转太快，必须用非常强的材料来做，才不至解体。一种关键的新材料是马氏时效钢，主要就用于铀离心机、火箭体和高性能高尔夫球棍。美国情报部门对大量进口或制造时效钢的国家非常敏感，除非他们是高尔夫器材的主要生产地。一个典型的分离厂有几千台离心机，但所有机器组装在一个不超过电影院大小的空间里。这样的系统每年能生产满足几颗核弹的分离铀。对情报部门来说，确定隐藏的分离厂的位置是很困难的。它们不需要大量的能量，运行很安静，这全靠了圆柱的精致平衡，使它们不致在旋转中解体。气体分离也一直是核扩散国家选择的方法。AbdulQadeerKhan曾用离心机在巴基斯坦进行铀分离，其他国家也掌握了这门技术，包括朝鲜和利比亚。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（EdwardTeller）、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