昨天聽了原子彈的一點兒基礎(chǔ)，今天接著聽Muller老師講幾種核彈的“簡單”設(shè)計，這也是我們的最后一堂“核課”了。
1945年，杜魯門總統(tǒng)動用了廣島核彈。他稱它為原子彈。這個名稱至今還在使用。名字恰當(dāng)嗎？有人說不，他們認(rèn)為普通TNT就用的是原子結(jié)合和分解的能量，所以“原子”應(yīng)該留給普通炸藥。
很多人都把nuclear讀成“nukular”，包括艾森豪威爾總統(tǒng)、泰勒（Edward Teller）、卡特總統(tǒng)（曾在核潛艇上服役）以及最近的小布什總統(tǒng)。很多學(xué)者認(rèn)為發(fā)音是錯的，然而在韋氏和牛津的英文詞典里，都收錄了nukular，作為nuclear的口語形式。泰勒是氫彈發(fā)明者之一，常被人稱為“氫彈之父”，他大概有資格用自己喜歡的方式叫它。不過，如果你想學(xué)泰勒卻又沒有他那么大的名聲，像他那樣說話是會遭人嘲笑的。
鈾彈——槍式設(shè)計
所有核武器都遵從相同的原理：首先攜帶彼此分離的可裂變材料（如鈾235或钚239）的碎片。因為分離，裂變產(chǎn)生的中子可以從空隙間飛出，因而鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不會擴張。接著，當(dāng)核彈到達敵人目標(biāo)上空時，要把那些碎片集中起來，這個困難的過程叫組裝。必須很快完成組裝，因為碎片靠近時，部分中子開始撞擊原子核，產(chǎn)生熱——也許在所有物質(zhì)組裝完成之前就將它們炸開了。中子只要錯過幾代，核彈的爆炸力就會大為減小。
毀滅廣島的核彈是用鈾235造的，采用簡單的“槍式”機制。所謂“槍”的意思是，槍用一塊鈾235轟擊另一塊鈾235；超過臨界質(zhì)量的是兩塊鈾的組合，而不是其中的一塊。槍只有6英尺長，重量不過半噸，可以裝在B29轟炸機的彈艙里。核彈呈柱狀是因為里面的槍是柱狀的。裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放的能量大約為13千噸TNT當(dāng)量。廣島毀滅當(dāng)天，杜魯門總統(tǒng)錯誤地宣布為2萬噸。原來，總統(tǒng)錯把阿拉莫哥多爆炸試驗的數(shù)字當(dāng)成了廣島的數(shù)字。
钚彈——內(nèi)爆
雖然鈾235和钚239的核彈都用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但二者在技術(shù)細節(jié)上有很大不同。钚是多數(shù)核反應(yīng)堆（包括發(fā)電的反應(yīng)堆）的產(chǎn)物。它與其他核廢料一起產(chǎn)生，但可以用相對直接的化學(xué)方法分離出來。分離完成后，我們就說核反應(yīng)堆的乏燃料經(jīng)過了再加工。這是報紙常見的一個關(guān)鍵詞。簽署了NPT（核不擴散條約）的國家同意不對乏燃料進行再加工——即提取他們的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的钚。
再加工比鈾分離簡單得多，而核反應(yīng)堆又那么普遍，看來钚彈似乎是巴基斯坦和朝鮮等小國的核彈選擇。可钚彈不好設(shè)計。因為反應(yīng)堆同時產(chǎn)生的一種放射性雜質(zhì)，钚很容易提前引爆（即過早地發(fā)生爆炸）。也許就是因為這個，2006年的朝鮮核彈試驗失敗了。它雖然達到了钚的臨界質(zhì)量，爆炸還不足千噸級。
那種并存在钚彈里的雜質(zhì)是钚240，也叫重钚。重钚與钚相同，除了多1個中子。這使它具有高度放射性。钚240會自發(fā)裂變，不需要中子激發(fā)。自發(fā)裂變隨機釋放出中子。你可能以為額外的中子能起什么好的作用，其實它們在幫倒忙。在钚尚未完成整體組裝到達臨界質(zhì)量之前，它們就會觸發(fā)部分鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這些局部的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將過早引爆核彈，在多數(shù)能量釋放前終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
這個問題是在二戰(zhàn)期間發(fā)現(xiàn)的，曼哈頓計劃的科學(xué)家們曾一度認(rèn)為钚彈是不可能的。但后來找到了一個非凡的解決辦法：內(nèi)爆。就是說，將钚鋪展成空心球殼，外面用炸藥包圍。钚周圍的爆炸把钚向內(nèi)壓，將它們擠壓成非常緊密的一團。經(jīng)過強烈擠壓的钚，原子靠得很近，因而中子沒有空間溢出。如果壓縮恰到好處，這種狀態(tài)會很快達到，钚也就來不及提前引爆了。
實現(xiàn)內(nèi)爆是極端困難的。內(nèi)爆必須非常精確，所用的烈性炸藥必須極其均勻，而且在钚殼的每一邊都達到精密的平衡。它們要同時而且均勻地引爆。那需要高度技巧，因為爆炸往往在個別點發(fā)生，而不是在整個殼層表面擴展。人們發(fā)展了一種專門技術(shù)將點爆炸轉(zhuǎn)化為內(nèi)爆，它被稱為爆炸透鏡。烈性炸藥在某一點引爆，然后聚焦起來，均勻覆蓋整個钚殼表面。
要讓這一切都正常運轉(zhuǎn)，比為鈾彈造一只合適的槍困難得多。它需要頂尖的科學(xué)家和工程師，還需要精密的技術(shù)（如高精度的烈性炸藥加工）、大量的試驗，還有大量的金錢。因為這些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚彈來的。它也許需要動用一個國家（如巴基斯坦或朝鮮）的全部資源。即使如此，結(jié)果也可能失敗。朝鮮在2006年的試驗，其爆炸還不足1千噸級，而美國的阿拉莫哥多和長崎的設(shè)計是20千噸級。多數(shù)專家懷疑朝鮮試驗的低能量正是那種失敗的結(jié)果，可能是在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達到需要的水平之前，核彈就被提前炸開了。
現(xiàn)在我們歸納幾個重要事實：33磅鈾235就足夠造一個核彈。如果鏈?zhǔn)椒磻?yīng)通過倍增方式進行，那么所有原子只需要經(jīng)過81代就分裂完了。钚彈只需要13磅，還裝不滿一只飲料罐。它只要51代就能釋放所有能量，因為每次裂變釋放的中子數(shù)是3而不是2。廣島原子彈是槍式設(shè)計的鈾彈。長崎原子彈和新墨西哥州試驗的核彈一樣，是內(nèi)爆式钚彈。未來總統(tǒng)需要知道這些事實，因為它們對評估核擴散前景非常重要。
氫彈——聚變
所有核彈中，最具破壞力的是氫彈，也叫熱核彈或H彈。試驗的最大氫彈釋放了5500萬噸TNT當(dāng)量的能量，比廣島原子彈高4000倍。美國核彈庫里多數(shù)是氫彈。氫彈可以做得很小，一顆海神式洲際彈道導(dǎo)彈的彈頭就能裝下14顆氫彈。導(dǎo)彈頭的錐形設(shè)計，是為了使它們能在從太空重回大氣后仍能準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)。美國的三叉戟導(dǎo)彈帶有8個彈頭，每一顆都足以毀滅一座大城市的中心。
氫彈是一種二級式裝置。首先是爆炸一顆“普通的”鈾彈或钚彈。初級爆炸產(chǎn)生的輻射加熱特殊設(shè)計的次級過程——它包含兩種形式的氫：氘（重氫）和氚（超重氫）。在極高溫度下，這些形態(tài)的氫發(fā)生聚變，生成氦并釋放巨大能量——比鈾或钚在裂變中釋放的能量還高。發(fā)生在太陽深部的為陽光供給能量的過程，也是這種聚變。
與钚彈的情形一樣，氫彈的核心部分是，使聚變過程趕在氫被初級的裂變炸開之前迅速發(fā)生。我們來看這有多難。在裂變的钚彈中，你只擔(dān)心烈性炸藥把核彈炸得粉碎；在聚變彈中，你需要在原子彈將它炸成蒸汽之前，把一切都做好。
多年來，科學(xué)家認(rèn)為這種設(shè)計也許不可能實現(xiàn)。后來發(fā)明了一個技巧——即所謂的“氫彈機密”。機密是這樣的（最近才解密；當(dāng)然，細節(jié)還是機密）：裂變的钚彈發(fā)出足夠的X射線，從鈾壁反射回來，可以用來壓縮和點燃氫。X射線以光速傳播，所以能在核彈爆炸將它吹散之前到達氫。钚彈的難處在于使內(nèi)爆完全均勻，氫彈的困難則在于設(shè)計。
因為氫彈靠聚變——即把兩個氫核結(jié)合在一起——所以有時也叫聚變彈。因為它依賴于高溫，所以也叫熱核彈。于是，H彈、氫彈、聚變彈和熱核彈，都是同一樣?xùn)|西的不同名稱。
第二個機密已經(jīng)公開了更長時間：氫彈可以不用氫的放射性形態(tài)的氚，而改用穩(wěn)定（無放射性）的金屬鋰，叫鋰6。它與氘（重氫，也沒有放射性）結(jié)合生成固體化合物氘化鋰（LiD）。這種材料穩(wěn)定而致密，是很好的燃料。當(dāng)钚彈初級引爆時，裂變武器生成的中子打碎鋰6，生成氚。這樣，在裂變彈爆炸的同一個微秒里，生成了一半的燃料。另一半燃料氘可以在自然界找到，而且很容易從普通的水提煉出來。
我前面說過聚變釋放中子。在一般的氫彈中，通過以貧化鈾（即鈾238，它們也會發(fā)射X射線）包圍次級裝置，利用這些中子用來產(chǎn)生更多能量。聚變生成的中子能量很高，鈾238在中子打擊下很容易裂變。一般說來，氫彈的一半能量來自這種裂變。鈾238的這種裂變也極大增加了裂變碎片的數(shù)量，它們即所謂的核彈微塵，能造成巨大破壞。氫彈的微塵比爆炸本身能殺死更多的人。
既然鈾238也能裂變，為什么不能用它來造裂變彈呢？答案是它裂變時不能生成足夠的中子來維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進行。但它的裂變確實釋放了能量和碎片。
核微塵
百萬噸級核武器的危害主要來自核微塵。微塵由核彈里的鈾和钚的裂變碎片組成。如果核彈在地面附近爆炸，微塵特別可怕，因為爆炸的火球會吸引大量有害物質(zhì)。這些本身沒有放射性的東西，會隨著強放射性的核彈碎片上升到空中。如果都高高漂浮在空中，裂變碎片的放射性不會產(chǎn)生大的危害。大部分原初的放射性由短半衰期的元素組成，如果在空中懸浮幾個小時，它們就衰變了。可是，如果地面的各種臟物混合進來，混合微塵的重量增大了，就會從空中落下，將放射性帶到地面，在大范圍擴散，可能比核爆炸本身殺害更多的人。
1950年代，美國到處都建有微塵掩蔽所。它們都在地下，準(zhǔn)備了足夠的食物和水，人們可以在那兒躲藏一個月左右，一直等著微塵里的短半衰期放射性消失，或至少等它降到輻射病的閾值以下。很多人嘲笑那些掩蔽所，因為它們顯然不能躲避直接的爆炸——但那不是它們的目的。還有些人害怕人們會爭搶掩蔽所，不讓后來的人進去，因為空間有限。有的人造了自己的掩蔽所，還裝備了武器，防止他人進入。如果說核恐懼還不那么可怕，這一派景象就變本加厲了。
盡管微塵的大部分放射性來自短半衰期的放射性元素，還是有5％以上的裂變碎片由鍶90的同位素組成，那是半衰期為29年的強放射性物質(zhì)，很容易進入食物。1950年代，在很多人為核試驗的長期效應(yīng)憂慮時，鍶90是家喻戶曉的名詞。Sr-90落在草地上，被牛吃進肚子，然后傳染到小孩喝的牛奶，最后聚集在他們的骨頭里，因為鍶的化學(xué)性質(zhì)與鈣相似。
中子彈——核彈悖論
氫彈的一個變種在卡特總統(tǒng)時期出了名，就是中子彈。氫彈聚變會產(chǎn)生大量高能中子，它們會引發(fā)嚴(yán)重的輻射病，造成大量殺傷。中子彈的思想就是制造一種含大量中子的核彈，目的是殺人，而釋放相對少的能量和裂變碎片。如果俄羅斯軍隊入侵美國的哪個友好國家，那么中子彈可以看成驅(qū)逐入侵者的一種辦法——要消滅敵人，但不能破壞朋友的家園。
制造中子彈的竅門是，有一個很微弱的初級過程，以盡量減少裂變碎片；還有一個小規(guī)模的次級過程，不讓爆炸的沖擊波造成大的破壞。但中子仍然需要傳播幾百碼的距離去消滅敵人的軍隊。
中子彈的思想公開時，很多人感到了恐慌。具有諷刺意味的是，問題在于中子彈不如普通氫彈那么可怕。你大概以為這樣會令人更接受中子彈，但恰恰相反。中子彈不破壞建筑意味著它可能用得更多，那就“降低了”使用核武器的“閾值”，從而是更不人道的。
中子彈是“核彈悖論”的一個典型例子：發(fā)明一種可怕的武器，顯然是不道德的。發(fā)明一種不那么可怕的武器，同樣是不道德的——因為它更可能被人利用。由此得出的一個奇怪的結(jié)論是：不論你提出什么樣的武器變革，都會遭人唾罵。這種悖論的例子在軍事以外也能看到——例如，有人建議警察用電擊槍來擊昏嫌疑人。
大核彈
事實證明造大裂變彈是非常困難的。它們很可能自我毀滅。何況鈾和钚還都很昂貴。相反，氘和鋰6相對便宜一些，而且設(shè)計也進步了，氫彈幾乎可以造得具有任意高的爆炸能量。1950年代初期成了“大核彈”時代。美國和蘇聯(lián)相互競爭，爭做最大的核彈。1956年，蘇聯(lián)贏了頭籌，爆炸了一顆能量為5500萬噸TNT當(dāng)量的核彈，比摧毀廣島的那顆鈾彈的能量高出4000倍。
競賽已經(jīng)停止，部分是因為核彈試驗的放射性污染了地球，產(chǎn)生了普遍的社會壓力。實際上，大氣中的放射性碳僅僅因為那些試驗就增加了一倍。更尖刻的觀察家則說，放棄試驗的真正原因是核彈太大，導(dǎo)彈已經(jīng)載不動它了。一顆核彈分解為幾個小部分，往往更具破壞力。（假如將8個彈頭的大核彈分解為8顆小的，則毀滅面積將增大一倍——大核彈其實是把同一個地方毀滅了兩次，浪費了。）
1980年代，里根總統(tǒng)宣布他已單方面削減美國的核武器當(dāng)量。那時，有句話他沒有公開講出來：即使總當(dāng)量減少，它也已經(jīng)分散到眾多小武器了，能產(chǎn)生更大的破壞力。他是誠實的，但不夠坦白。要么，也許他不像你未來當(dāng)總統(tǒng)那樣懂物理學(xué)。
【最后再說明一次，這幾堂“核課”的材料來自Richard Muller, Physics for Future Presidents, The science behind the headlines, WW Norton & Company, New York, 2008（中譯本《未來總統(tǒng)的物理課》，李泳譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2009）。我翻譯和轉(zhuǎn)述的錯誤，請批評指正。】
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