原文標(biāo)題為“淺談工程物理”。

摘要

1 工程物理

工程物理一詞來源于蘇聯(lián)，蘇聯(lián)啟動(dòng)核能項(xiàng)目時(shí)，因?yàn)楸Ｃ艿脑颍瑢ê宋淦髟趦?nèi)的所有核能研究的項(xiàng)目統(tǒng)稱為工程物理，成為一個(gè)有保密性質(zhì)的專有名詞。工程物理包含了工程與物理兩個(gè)看似矛盾的體系，如何將兩個(gè)體系結(jié)合起來是值得討論的。首先，工程是指以某組設(shè)想的目標(biāo)為依據(jù)，應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過有組織的活動(dòng)將某個(gè)現(xiàn)有實(shí)體轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價(jià)值的人造產(chǎn)品的過程。因此，工程的根本驅(qū)動(dòng)力必須圍繞著特定目標(biāo)。其中，制造一種產(chǎn)品的系統(tǒng)知識(shí)稱為技術(shù)。而一方面，物理是最典型的基礎(chǔ)自然科學(xué)，是研究物質(zhì)最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。物理學(xué)通常是以探索未知世界，拓展人類認(rèn)識(shí)深度這些非功利目標(biāo)為基本驅(qū)動(dòng)力的。近代工業(yè)革命的歷史說明雖然科學(xué)的發(fā)展是非功利的，但正是科學(xué)的發(fā)展才使工程技術(shù)進(jìn)步成為可能。另一方面，技術(shù)提升對(duì)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展是至關(guān)重要的，由新技術(shù)衍生出的新儀器對(duì)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。也存在以科學(xué)研究為目標(biāo)而組織的大科學(xué)工程，粒子加速器、宇宙線探測(cè)器、天文望遠(yuǎn)鏡等為人類在基礎(chǔ)科學(xué)的認(rèn)識(shí)拓展做了重要貢獻(xiàn)。因此，科學(xué)與工程技術(shù)之間是一個(gè)互相影響到共同發(fā)展的關(guān)系。

工程物理屬于工程科學(xué)，是圍繞工程目標(biāo)需求的科學(xué)研究。面對(duì)工程需求，如果只涉及已經(jīng)存在的成熟科學(xué)和技術(shù)，可以將其直接組織起來，服務(wù)工程目標(biāo)，那就是一個(gè)純工程研究。然而，當(dāng)工程目標(biāo)需求超出已有的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)積累時(shí)，則需要圍繞工程需求開展基礎(chǔ)科學(xué)研究。早期的核武器研發(fā)正是一個(gè)典型的工程科學(xué)的例子，首先，存在一些涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題需要理解，其次，因?yàn)樯婕皣?guó)家安全，相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究也成為了高度保密的信息，各國(guó)必須獨(dú)立發(fā)展。因此從“二戰(zhàn)”的曼哈頓計(jì)劃開始，便有大批從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的科學(xué)家參與這一工程，發(fā)展出工程物理這一方向。

工程物理的主線是設(shè)計(jì)一種瞬間釋放大量核結(jié)合能的高能量密度武器。核結(jié)合能的釋放是一個(gè)微觀核物理過程，而要得到宏觀效應(yīng)則要研究中子或等離子體的輸運(yùn)問題（非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理），具體而言可以分為輻射、粒子與物質(zhì)相互作用（核物理、原子物理）、中子輸運(yùn)、輻射輸運(yùn)、物態(tài)方程和流體力學(xué)等物理問題。涉及學(xué)科覆蓋了核物理、原子物理、等離子體物理、計(jì)算物理等眾多方向，是一門典型的交叉學(xué)科。本文的目的便是沿著核武器研制這一主線，介紹其所涉及的公開物理原理。

2 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與原子彈

工程物理的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種瞬間釋放大量核結(jié)合能的高能量密度武器。圍繞這個(gè)目標(biāo),首先,需要找到能夠釋放結(jié)合能的核反應(yīng);其次,需要解決宏觀釋放能量的問題。本節(jié)將圍繞這兩點(diǎn),展開討論原子彈的設(shè)計(jì)原理。

2.1 核結(jié)合能的釋放: 裂變與聚變

原子核是一個(gè)由質(zhì)子、中子等核子通過短程強(qiáng)耦合的核力組成的束縛態(tài),是一個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子多體系統(tǒng)。當(dāng) Z 個(gè)自由質(zhì)子和(A-Z )個(gè)自由中子通過核力相互作用組成的束縛態(tài)原子核時(shí)會(huì)釋放出能量,被稱為結(jié)合能 B (A,Z )

其中，m_p 和 m_n 分別是自由質(zhì)子和中子的質(zhì)量,而 m (A , Z )是組成原子核后的質(zhì)量。因此,對(duì)于一個(gè)給定核子數(shù)的系統(tǒng),結(jié)合能的大小直接影響了原子核的穩(wěn)定性,結(jié)合能越大核越穩(wěn)定,反之則越不穩(wěn)定。為了更好比較不同核子數(shù)系統(tǒng),對(duì)于有 A 個(gè)核子組成的原子核可以定義比結(jié)合能ε=B (A , Z )/A ,即結(jié)合能與核子數(shù)之比。實(shí)驗(yàn)測(cè)量比結(jié)合能的結(jié)果如圖 1 所示^[1]。

從結(jié)合能幾乎與核子數(shù)成正比變化的性質(zhì),可以推導(dǎo)出核力是短程力,事實(shí)上核力的作用范圍大約是 10~15m。在圖 1 中,雖然比結(jié)合能與核子數(shù)變化不大,但仍然可以看到原子序數(shù)處于中間鐵元素附近的核素比結(jié)合能最大,即最穩(wěn)定,而從兩端的核素向中間的核反應(yīng)過程,都伴隨結(jié)合能的釋放,分別被稱為核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。其中,核裂變指較重的原子核產(chǎn)生兩個(gè)重量相當(dāng)?shù)脑雍?而核聚變反應(yīng)指兩個(gè)較輕的原子核聚合成一個(gè)結(jié)合能更高的原子核。

核裂變可以自發(fā)發(fā)生,例如钚 240 等,會(huì)裂變成兩個(gè)質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮怂赝瑫r(shí)釋放中子。還有一類物質(zhì)被稱為可裂變材料,比如鈾 233、鈾 235 和钚 239 等,即吸收一個(gè)動(dòng)能幾乎為零的中子,變成鈾 234、鈾 236 和钚 240,然后再發(fā)生核裂變。例如一個(gè)鈾 235 的原子核吸收一個(gè)能量幾乎為零的中子

會(huì)同時(shí)釋放 2~3 個(gè)動(dòng)能約為  的中子,并以裂變后的原子核動(dòng)能和輻射的形式釋放約 200MeV 的核結(jié)合能。

核反應(yīng)作為一個(gè)量子散射過程,當(dāng)一個(gè)初態(tài)兩體形成一個(gè)中間束縛態(tài)的過程時(shí),散射截面有顯著增強(qiáng)即 Briet-Wigner 共振散射區(qū)間。圖 2 中^[2]在低能中子區(qū)的行為則對(duì)應(yīng)共振散射區(qū)間,每一個(gè)共振峰均對(duì)應(yīng)著鈾 236 和钚 240 的激發(fā)態(tài)。對(duì)于鈾 238,吸收一個(gè)低能中子得到鈾 239,但并不在易裂變的能級(jí),因此只是發(fā)生吸收反應(yīng)(n,γ )。作為一個(gè)束縛態(tài)總會(huì)因?yàn)楦吣芰Ｗ愚Z擊而被打散,稱為散裂反應(yīng)。對(duì)于鈾 238 而言,需要中子能量達(dá)到較高的 以上時(shí),才會(huì)發(fā)生散裂性質(zhì)的裂變反應(yīng)。

核聚變是指兩個(gè)較輕的原子核靠近到核力的作用范圍,發(fā)生核反應(yīng)聚合成一個(gè)更重的原子核和其他產(chǎn)物的過程。因?yàn)樵雍藥д?要發(fā)生核聚變,就必須克服原子核之間的庫倫排斥,因而庫倫勢(shì)壘越小的反應(yīng)越容易發(fā)生,其中最容易發(fā)生的核聚變反應(yīng)是氫的同位素氘氚,該聚變產(chǎn)生一個(gè) α 粒子和一個(gè)中子,總共釋放 17.6MeV 的能量。鑒于中子的質(zhì)量約是 α 粒子的 1/4,所以中子帶走了 80%的能量,大約 14.1MeV。 

1896 年貝克勒爾偶然發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性,開啟了原子核物理的新世紀(jì)。隨后,居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳、釙等更多放射性核素后,提供了穩(wěn)定的 α 粒子源。這些動(dòng)能為  左右的 α 粒子可以透過原子核外的電子直達(dá)原子核,在盧瑟福散射、人工核反應(yīng)等發(fā)現(xiàn)中均起到了決定性作用。在盧瑟福散射過程中,α 粒子帶正電荷+2e,而核力是短程力,只在 10~15m 范圍發(fā)生作用。如果要 α 粒子運(yùn)動(dòng)到金核的核力作用范圍,需要克服巨大的庫倫排斥勢(shì)能,約 26MeV,所以盧瑟福散射只是 α 粒子在金核靜電場(chǎng)中的庫倫散射,不涉及任何核反應(yīng)。

直到 1932 年查德維克發(fā)現(xiàn)中子。中子不帶電,會(huì)直接運(yùn)動(dòng)到核力作用范圍,因此,中子參加的反應(yīng)一定是核反應(yīng),所以中子的發(fā)現(xiàn)在核物理中有著非常重要的意義。1933 年希拉德首次意識(shí)到如果能利用中子轟擊核素產(chǎn)生新的中子,且每次釋放的中子超過 1 個(gè),就會(huì)形成一個(gè)增殖的正反饋過程,產(chǎn)生中子的逐級(jí)指數(shù)增加產(chǎn)生了雪崩效應(yīng),從而產(chǎn)生大量的中子繼而轟擊原子核產(chǎn)生海量的核反應(yīng),這被稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)然,當(dāng)時(shí)不知道什么樣的反應(yīng)和核素可以用于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

1934 年費(fèi)米開始研究利用中子轟擊鈾原子核,發(fā)現(xiàn)了镎、钚等新的核素。之后,化學(xué)家哈恩和核物理學(xué)家邁特納（邁特納作為奧地利籍猶太人,被迫在1938年7月逃到瑞典,哈恩與邁特納仍然通過信件討論實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。）在柏林開始重復(fù)費(fèi)米的實(shí)驗(yàn),哈恩主要負(fù)責(zé)新核素的化學(xué)分離。1938 年 12月 19 日哈恩給邁特納的信中（隨著核裂變的消息放出,很快費(fèi)米、約里奧·居里等科學(xué)家均意識(shí)到鈾的裂變可以用于希拉德提出的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),不過希拉德?lián)逆準(zhǔn)椒磻?yīng)的軍事潛力被納粹德國(guó)利用,勸說了費(fèi)米、約里奧·居里不發(fā)表關(guān)于裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的想法。希拉德同時(shí)告訴愛因斯坦對(duì)德國(guó)啟動(dòng)核計(jì)劃的擔(dān)心。事實(shí)證明,德國(guó)科學(xué)家們也意識(shí)到核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的巨大軍事潛力,納粹德國(guó)也開始了核計(jì)劃。1939年8月愛因斯坦受希拉德影響致信美國(guó)總統(tǒng)羅斯福提出為了與納粹德國(guó)抗衡,美國(guó)政府應(yīng)關(guān)注這一新的物理現(xiàn)象以及潛在的軍事應(yīng)用,推動(dòng)美國(guó)啟動(dòng)名為“曼哈頓計(jì)劃”的核武器研制計(jì)劃。）介紹了在中子與鈾的反應(yīng)中產(chǎn)生了鋇,邁特納和她的侄子費(fèi)力奇第一次解釋了核裂變反應(yīng)的物理機(jī)理。1939 年 2 月哈恩研究組首次預(yù)言裂變反應(yīng)中同時(shí)會(huì)產(chǎn)生中子（事實(shí)上只有鈾235和钚239成為了主流的核武器燃料。鈾233雖然是裂變材料,但是通常不能用做武器。鈾233來自于釷232的吸收反應(yīng)(n,γ)再經(jīng)過兩次β衰變,在反應(yīng)中伴生由釷231產(chǎn)生的鈾232,鈾232的自發(fā)衰變過程釋放高能γ射線,對(duì)裝備的電子器件和人員都有影響,不利于裝備的存放。武器級(jí)鈾233中要求鈾232含量低于50ppm,這極大地提升了同位素分離的成本。這些困難在商用核反應(yīng)堆中卻并不突出,因此混合釷232的增殖堆對(duì)能源是可用的。鑒于釷232不能低成本的被用來生產(chǎn)武器,從防止核武器擴(kuò)散的角度,釷232反應(yīng)堆具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。）。

最早的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生在石墨核反應(yīng)堆中。費(fèi)米研究組在利用中子轟擊鈾產(chǎn)生裂變的過程中,偶然發(fā)現(xiàn)了在有石墨的核燃料中的反應(yīng)率大大提高,這成為第一座核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。1942 年 12 月 2 日,費(fèi)米在芝加哥主持的世界第一個(gè)石墨慢化的核反應(yīng)堆第一次實(shí)現(xiàn)了自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。圖 2 是核裂變反應(yīng)的截面,低能中子對(duì)應(yīng)的共振散射區(qū)域的裂變反應(yīng)截面遠(yuǎn)比裂變中子對(duì)應(yīng)的截面高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)中子與較輕的原子核(如石墨中的碳原子核)發(fā)生彈性碰撞,會(huì)逐步失去動(dòng)能,這個(gè)過程被稱為中子慢化過程,而石墨被稱為減速劑或慢化劑。另一方面,慢化的彈性碰撞過程也延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間,因此核反應(yīng)堆是一個(gè)相對(duì)緩慢的釋放核能的裝置,不符合武器設(shè)計(jì)中對(duì)裝置緊湊性和瞬時(shí)釋放大量能量的要求。

2.2 原子彈的設(shè)計(jì)原則

純裂變裝置即原子彈,利用核裂變反應(yīng)來釋放核結(jié)合能。事實(shí)上,每次裂變反應(yīng)釋放的約 200MeV 的結(jié)合能,只有 10~11J,從宏觀上來看是微不足道的能量。因此,必須有大量的微觀反應(yīng)才能呈現(xiàn)出可觀的宏觀效果。然而每次裂變反應(yīng)都需要中子激發(fā),意味著必須有足夠大量的中子。幸運(yùn)的是,每次裂變反應(yīng)同時(shí)會(huì)釋放 2~3 個(gè)中子,且裂變中子動(dòng)能約 1MeV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需要激發(fā)可裂變材料(鈾 233,鈾 235 和钚 239)所需的中子動(dòng)能,使得反應(yīng)可以逐級(jí)進(jìn)行下去變成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鈾 235 等裂變材料的生產(chǎn)，核心在于同位素分離。同位素指質(zhì)子數(shù)相同,而中子數(shù)不同的核素。元素的化學(xué)性質(zhì)由核外電子決定,同位素的化學(xué)性質(zhì)幾乎是一樣的。鑒于鈾 235 比鈾 238 更容易衰變,天然鈾礦中鈾 235 豐度只有約 0.7%,這也是費(fèi)米進(jìn)行了多年實(shí)驗(yàn)只是發(fā)現(xiàn)了新產(chǎn)生的核素卻并沒有發(fā)現(xiàn)裂變反應(yīng)的原因。原子核質(zhì)量上約 1.2%的差別反映到電子約化質(zhì)量,以及核自旋帶來的自旋軌道耦合上的細(xì)微差別,只在超精細(xì)結(jié)構(gòu)的程度有差別,所以通過普通的化學(xué)反應(yīng)是無法把同位素分離的。同位素分離是核武器生產(chǎn)環(huán)節(jié)一個(gè)重要瓶頸,是核武器制造過程中最大的工業(yè)項(xiàng)目。同位素分離主要依賴于氣體擴(kuò)散法和離心機(jī)法兩類,都是針對(duì)同位素原子核質(zhì)量的細(xì)微差別而設(shè)計(jì)。原子光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)上的差別帶來了同位素電離能的細(xì)微變化,使得可以通過激光對(duì)其中一類核素先電離,再通過電場(chǎng)分離同位素,但是這種激光分離同位素的生產(chǎn)成本也是非常高的。钚 239 主要來自于鈾 238 吸收中子后的兩次 β 衰變,所以钚 239 的生產(chǎn)需要大量的中子。通常利用核反應(yīng)堆中的高通量中子生產(chǎn)钚 239,再通過化工的后處理方式進(jìn)行提純,得到純钚 239?！岸?zhàn)”時(shí),美國(guó)在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同時(shí)開展離心機(jī)分離鈾 235 和核反應(yīng)堆生產(chǎn)钚 239 的工作。也正因此,長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的魏格納在核反應(yīng)堆物理的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。我國(guó)發(fā)現(xiàn)鈾礦后,主要在蘭州的氣體擴(kuò)散廠(404 廠)開展提純鈾 235 的工作。蘇聯(lián)運(yùn)來了工廠部件后,就撤走了全部專家,統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家王承書院士臨危受命,負(fù)責(zé)整個(gè)工廠的組建任務(wù)。而生產(chǎn)钚 239 的核反應(yīng)堆在嘉峪關(guān)外的 504 廠。

普通物質(zhì)中其實(shí)充滿了電子,電中性的中子不與電子反應(yīng)而只與原子核反應(yīng),另一方面,原子核尺度是原子尺度的萬分之一,因此,中子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過程中碰到原子核的概率是非常低的。例如純鈾 235 中,快中子的平均自由程接近 20cm。一旦中子逃逸出核材料,便不能參加鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此,如果材料尺寸很小,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)經(jīng)過幾代后絕大多數(shù)中子離開材料,核反應(yīng)便停止了,我們稱這種狀態(tài)為次臨界。對(duì)于武器來說,希望中子盡可能多的被用來參與裂變反應(yīng),有幾個(gè)重要的方法可以用來降低中子的逃逸概率:

(1) 增加材料尺寸以提高中子在逃逸前發(fā)生核反應(yīng)的概率;

(2) 采用球形核燃料,其面積體積比最小,對(duì)應(yīng)中子逃逸概率最小;

(3) 加中子反射層讓中子通過彈性碰撞返回核材料中;

(4) 壓縮核燃料以增加材料密度,提高中子發(fā)生核反應(yīng)的概率。

能夠?qū)崿F(xiàn)自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核材料尺寸被稱為臨界半徑,從而可以求解出臨界質(zhì)量。從圖 2 中可以看到,在核裂變中子的能區(qū) ,裂變反應(yīng)截面要小兩個(gè)數(shù)量級(jí),因此需要大量高豐度的純裂變材料,如純钚 239 的臨界質(zhì)量約在 10 千克左右,而鈾 235 則是 48 千克。

核武器設(shè)計(jì)的核心是在保證安全性的前提下,盡可能提高裝置鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效率。然而,在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生過程中,大量的能量被釋放出來,會(huì)導(dǎo)致核材料膨脹甚至氣化、等離子體化,密度的降低會(huì)讓反應(yīng)性迅速降低,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指數(shù)增殖反應(yīng),因此,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中止前最后幾步是原子彈釋放能量的決定性因素。一旦裂變材料達(dá)到臨界,就需要進(jìn)行中子點(diǎn)火,中子點(diǎn)火的精準(zhǔn)控制是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如果在次臨界狀態(tài)點(diǎn)火,那鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會(huì)很快停止,會(huì)釋放一定能量但不足以發(fā)生核爆炸,這被稱為過早點(diǎn)火。裂變武器的設(shè)計(jì)可以被總結(jié)為以下幾條:

(1) 次臨界裝配:因?yàn)榇嬖谧园l(fā)裂變等偶發(fā)的中子事例,從安全角度,核武器必須處于次臨界的存儲(chǔ)狀態(tài),以避免偶發(fā)中子引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

(2) 引爆前達(dá)到超臨界:讓裂變材料快速達(dá)到超臨界狀態(tài),通常是通過化學(xué)爆轟反應(yīng)將處于次臨界的燃料塊壓縮至超臨界。

(3) 中子點(diǎn)火時(shí)刻:在最優(yōu)超臨界狀態(tài),通過中子發(fā)生裝置釋放中子啟動(dòng)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

(4) 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自持:裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始后,盡可能延長(zhǎng)保持材料完整的狀態(tài),以保證更多材料在物態(tài)變化導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止前反應(yīng)。

基于以上的原則,原子彈最早的設(shè)計(jì)可以分為槍式結(jié)構(gòu)和內(nèi)爆型結(jié)構(gòu),曾用于實(shí)戰(zhàn)的兩枚原子彈就分別屬于這兩種結(jié)構(gòu)。

（1）槍式結(jié)構(gòu):槍式結(jié)構(gòu)是通過發(fā)射一塊裂變材料與另一塊裂變材料組成一個(gè)整體達(dá)到臨界質(zhì)量,是最簡(jiǎn)單直接的想法,也是原子彈最早的設(shè)計(jì)。1945 年 8 月 6 日在日本廣島投放的“小男孩”原子彈便屬于槍式結(jié)構(gòu)。槍式結(jié)構(gòu)的原子彈的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單,彈體直徑較小,但存在一些明顯的缺點(diǎn)。首先是需要大量的核材料,彈體設(shè)計(jì)長(zhǎng),并且效率很低。當(dāng)一定比例的原子核裂變后,原子核的動(dòng)能迅速增加,隨著核材料的膨脹,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會(huì)很快停止,原子彈“小男孩”使用了 64kg的 80%豐度的鈾 235 材料,而裂變材料的使用效率只有約 1.5%。其次,槍式結(jié)構(gòu)中兩塊核材料的超臨界拼合是通過炸藥推進(jìn)完成的,拼合時(shí)間大概在毫秒量級(jí),拼合時(shí)間過長(zhǎng),存在過早點(diǎn)火的危險(xiǎn)。尤其是對(duì)于钚 239 材料,其自發(fā)裂變半衰期比鈾 235 低兩個(gè)數(shù)量級(jí),更容易出現(xiàn)過早點(diǎn)火問題。如果钚 239 中混入钚 240,钚 240 有非常大的自發(fā)裂變強(qiáng)度,問題更加嚴(yán)重。因此,槍式結(jié)構(gòu)的原子彈一般無法使用钚作為燃料。另外,槍式結(jié)構(gòu)的原子彈雖然彈體直徑較小,但為了使核燃料快速組合,需要一定的加速距離,因此槍式結(jié)構(gòu)的彈體需要做的很長(zhǎng)。

（2）內(nèi)爆型結(jié)構(gòu):內(nèi)爆型結(jié)構(gòu)的原子彈采用另一種設(shè)計(jì)思路,即通過化學(xué)炸藥產(chǎn)生的內(nèi)爆沖擊波壓縮核材料,增加核材料密度,使核材料從次臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)。內(nèi)爆型原子彈具有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn):(1)內(nèi)爆壓縮時(shí)間相比于槍式結(jié)構(gòu)的核材料拼合時(shí)間大大縮短,核材料從臨界到高超臨界狀態(tài)只需要幾微秒,大大降低過早點(diǎn)火的危險(xiǎn),這也使高自發(fā)裂變材料钚的使用成為可能。1945 年 8 月 9 日在日本長(zhǎng)崎投放的“胖子”即是一顆內(nèi)爆型钚 239 裝料的原子彈;(2)內(nèi)爆壓縮顯著提高了核材料的密度,大幅降低核材料的臨界質(zhì)量,節(jié)省核材料的同時(shí)還提高了核材料利用效率,便于武器小型化設(shè)計(jì)。今天所有現(xiàn)代核武器都是以內(nèi)爆型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。我國(guó)的第一顆原子彈就直接采用了內(nèi)爆型設(shè)計(jì)。王淦昌先生是核武器試驗(yàn)工作的負(fù)責(zé)人,領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在河北省懷來縣官?gòu)d水庫附近的工兵靶場(chǎng)(被稱為“十七號(hào)工地”)開展爆轟試驗(yàn)。王淦昌先生當(dāng)時(shí)年近六十,住帳篷,和同事們一起熔炸藥,打了上千發(fā)炮,研制出多種炸藥平面波透鏡和多種特種部件,為我國(guó)的內(nèi)爆型原子彈的成功試驗(yàn)打下基礎(chǔ)^[15]。

3 突破臨界

戰(zhàn)略核武器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小尺寸增加當(dāng)量,以保證運(yùn)載工具可以攜帶更多彈頭,每個(gè)彈頭有更大當(dāng)量。提升武器當(dāng)量的最直接的想法是增加核材料,但核材料的臨界質(zhì)量問題給原子彈當(dāng)量帶來了限制。在純裂變的原子彈中,為了防止包括自發(fā)裂變等偶發(fā)中子過程導(dǎo)致的過早點(diǎn)火問題,核材料在點(diǎn)火之前必須處于次臨界狀態(tài),而增加裝料必然受到保持次臨界要求的限制,同時(shí)也增加了內(nèi)爆型裝置防止過早點(diǎn)火的設(shè)計(jì)難度。世界上最大的純裂變裝置核試驗(yàn)約為 50 萬噸 TNT 當(dāng)量(美國(guó) Ivy King 核試驗(yàn),1952 年 11 月 15 日)。

因?yàn)榕R界質(zhì)量對(duì)原子彈當(dāng)量的限制,進(jìn)一步提升武器當(dāng)量需要采用新的物理機(jī)制。事實(shí)上,在曼哈頓計(jì)劃剛啟動(dòng)的 1942 年夏天,加州大學(xué)舉行了一次項(xiàng)目理論研討會(huì),商議武器的設(shè)計(jì)原理,鑒于當(dāng)時(shí)大家覺得裂變武器原理似乎是順理成章的,會(huì)議議題就沒有局限于裂變。泰勒在會(huì)上提出了利用聚變能的想法,首次提出了利用 TNT 炸藥引爆氘氚聚變的設(shè)計(jì)(superClassical),但這個(gè)想法很快被貝特的計(jì)算完全否定^[3]。

前面提到,鑒于核力是短程力,要發(fā)生聚變反應(yīng),兩個(gè)原子核必須靠近到 10~15m 尺度的核力作用范圍。氫的同位素需要克服的庫倫排斥勢(shì)能是最小的,因此氘氚聚變是點(diǎn)火溫度最低的核聚變反應(yīng),其只需克服大約 0.4MeV 的庫倫排斥勢(shì)能?？紤]量子散射問題中的量子隧穿效應(yīng)和原子核速度分布函數(shù)的高能部分,其實(shí)只需要 keV 的動(dòng)能。氘氚聚變反應(yīng)會(huì)釋放 17.6MeV 的能量,如果單純看核反應(yīng)的單位質(zhì)量放能,氘氚聚變是裂變的四倍,有非常大的優(yōu)勢(shì),但是鑒于氘氚的密度非常小,其單位體積放能其實(shí)是非常低的。表 1 中給出了钚 239、鈾 235 兩種裂變材料的裂變反應(yīng)與氘氚聚變反應(yīng)中釋放的反應(yīng)能,其中單位為噸 TNT 當(dāng)量每克(T/g)?？梢钥吹?即使以固體氘氚冰的高密度做比較,也完全不具有優(yōu)勢(shì)^[4]。

另一方面,氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)物為中子與 α 粒子,由于中子的質(zhì)量是 α 粒子的 1/4,因此反應(yīng)能的 80%將轉(zhuǎn)換為中子的動(dòng)能約 14MeV,α 粒子動(dòng)能約為 3.5MeV。雖然中子能量很高,但直接利用高能中子殺傷的范圍是有限的。因此,從發(fā)展小型化大當(dāng)量武器的角度,純粹的氘氚聚變并沒有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,如果從戰(zhàn)術(shù)性核武器角度,即不是簡(jiǎn)單強(qiáng)調(diào)大當(dāng)量的目標(biāo)時(shí),是可以利用聚變效應(yīng)殺傷的。比如,中子彈就是典型的以高通量高能中子作為殺傷手段的戰(zhàn)術(shù)核武器。

綜上所述,不應(yīng)該只利用聚變反應(yīng)來設(shè)計(jì)核武器。那么聚變反應(yīng)到底是如何在武器中應(yīng)用的?本節(jié)將展開討論三種方式。

3.1 聚變裂變混合裝置（一）——聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈

聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈是最早利用聚變反應(yīng)的核武器。核裂變材料通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程釋放出巨大能量,使核材料發(fā)生相變,迅速膨脹,導(dǎo)致材料密度大幅降低,中子平均自由程變長(zhǎng),處于臨界或者超臨界的核材料會(huì)立刻變成次臨界狀態(tài),導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止。這極大地限制了原子彈的武器效率,造成核裝料的巨大浪費(fèi),即使內(nèi)爆型原子彈的最高效率也只有 20%。聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈正是在這樣的背景下被研發(fā)出來的。

聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子的動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于裂變中子,這些高能中子對(duì)裂變反應(yīng)有重要影響。聚變中子相比于裂變中子,其核材料的裂變反應(yīng)截面可以提高約 2 倍,顯著增加裂變反應(yīng)概率。同時(shí),聚變中子引起的裂變反應(yīng),釋放的次級(jí)中子數(shù)目明顯增加。例如,聚變快中子轟擊钚 239 平均產(chǎn)生 4.6 個(gè)中子,比原裂變中子反應(yīng)的 2.9個(gè) 中子提高了近 60%。最終導(dǎo)致從裂變中子到聚變中子激發(fā)钚 239 裂變,次級(jí)中子產(chǎn)率提高 8 倍,這極大提升了裂變反應(yīng)效率,聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈的效率甚至可以超過 40%。

聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈的設(shè)計(jì)是在內(nèi)爆型原子彈的中心增加氘氚混合燃料,通過裂變反應(yīng)產(chǎn)生的聚心壓縮使氘氚發(fā)生聚變反應(yīng),進(jìn)而釋放高能的快中子。氘氚氣體的量與產(chǎn)生的額外中子通量成正比,因此武器的當(dāng)量也可以通過控制充氘氚材料的量來控制。

3.2 聚變裂變混合裝置（二）——?dú)鋸?/strong>

我們?cè)谇耙还?jié)提到可裂變材料的臨界質(zhì)量是限制純裂變裝置武器當(dāng)量的主要原因。因此需要尋找一種避開臨界質(zhì)量限制的方法。

突破臨界質(zhì)量限制的關(guān)鍵是繞開裂變材料的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如果一種核材料,當(dāng)其被高能中子轟擊時(shí)可以發(fā)生裂變,但是產(chǎn)生的裂變中子不會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致其發(fā)生裂變,這樣就不會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),也就沒有臨界質(zhì)量的問題。事實(shí)上,高能中子轟擊材料發(fā)生裂變類似于一個(gè)散裂過程,很多重核元素都有這個(gè)性質(zhì)。我們以鈾 238 為例,要發(fā)生裂變反應(yīng)的初態(tài)中子動(dòng)能要超過 10MeV,遠(yuǎn)超過裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子動(dòng)能。因此,只要找到一種高通量的高能中子源,就可以利用高能中子轟擊鈾 238 裂變,釋放核結(jié)合能。鈾 238 沒有臨界質(zhì)量的問題,所以裝料的提高沒有限制。武器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵變成了如何得到高通量的高能中子源,而氘氚聚變恰好提供了這樣一個(gè)快中子源?；谏鲜鲈?產(chǎn)生了一種兩級(jí)武器方案,包括“初級(jí)”和“次級(jí)”。“初級(jí)”是一個(gè)裂變反應(yīng)裝置,可以產(chǎn)生高溫輻射場(chǎng),利用該輻射場(chǎng)燒蝕壓縮包含氘氚燃料的“次級(jí)”,發(fā)生聚變反應(yīng),釋放部分能量并產(chǎn)生大量快中子,快中子與包殼層的鈾 238 反應(yīng),最終釋放大量核裂變能。由于鈾 238 的裝料不受臨界質(zhì)量限制,因此提高氘氚聚變產(chǎn)生快中子的通量成為提高武器當(dāng)量的核心問題。因?yàn)橹饕昧藲涞耐凰仉暗臒岷司圩兎磻?yīng),因此這種聚變裂變混合裝置被稱為氫彈,也叫熱核武器。

氫彈中的氘氚燃料需要很高的溫度和密度條件才能發(fā)生充分的聚變反應(yīng),產(chǎn)生足夠多的聚變快中子。氘氚聚變反應(yīng)條件的形成和維持包括燒蝕壓縮和自持燃燒兩個(gè)物理過程:

(1) 燒蝕壓縮:氫彈中的原子彈“初級(jí)”爆炸后產(chǎn)生大量的高溫 X 射線,這些高溫輻射傳輸?shù)綒鋸棥按渭?jí)”表面后,沉積能量。X 射線一般無法直接將能量轉(zhuǎn)移給原子核,需要以電子作為媒介。X 射線主要通過光電效應(yīng)將電子從原子的束縛態(tài)中電離出來,這些電離電子隨后通過不斷的碰撞,將能量傳遞給原子,最終實(shí)現(xiàn) X 射線在物質(zhì)中的能量沉積,加熱物質(zhì)。氫彈“初級(jí)”釋放的X射線具有極高的通量,可以顯著電離“次級(jí)”物質(zhì),形成等離子體狀態(tài),并向外發(fā)生劇烈的噴射。根據(jù)動(dòng)量守恒,向外噴射的等離子體會(huì)在氫彈“次級(jí)”中形成聚心的燒蝕壓力,壓縮并加熱“次級(jí)”中的聚變材料,極大的提升聚變材料的密度和溫度,達(dá)到聚變反應(yīng)條件。如前所述,輻射與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)是電子在物質(zhì)中的輸運(yùn),物質(zhì)中電子的輸運(yùn)過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于輻射輸運(yùn)，這直接導(dǎo)致了輻射能量會(huì)在物質(zhì)表層一定深度產(chǎn)生積累效應(yīng),因此,輻射能量沉積產(chǎn)生的反沖壓力(燒蝕壓力)要比直接由光子氣產(chǎn)生的輻射壓力高數(shù)量級(jí)。

(2) 自持燃燒:氘氚燃料需要充分反應(yīng),才能產(chǎn)生足夠多的聚變快中子,進(jìn)而提高武器當(dāng)量。因此,熱核燃料的自持燃燒問題就成為其中關(guān)鍵。自持燃燒過程需要聚變產(chǎn)物沉積能量加熱聚變材料,維持聚變反應(yīng)所需的高溫條件,使聚變反應(yīng)過程維持下去。氘氚燃料的聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生高能中子和 α 粒子,但由于中子在氘氚等離子體中的平均自由程很長(zhǎng),大部分中子會(huì)離開氘氚等離子體,因此,α 粒子的能量沉積是維持自持燃燒的主要機(jī)制。

燒蝕壓縮和自持燃燒最大的挑戰(zhàn)是高溫高壓氘氚等離子體系統(tǒng)中的各類流體不穩(wěn)定性,其中包括由不同材料、溫度、密度導(dǎo)致的界面 Rayleigh-Taylor 不穩(wěn)定性;界面兩側(cè)存在切向速度時(shí)的 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性;沖擊波與界面作用導(dǎo)致的 Richtmyer-Meskov 不穩(wěn)定性。這些不穩(wěn)定性的發(fā)展會(huì)嚴(yán)重影響氘氚燃料的壓縮和自持燃燒過程,在后面的慣性約束聚變的核武器模擬過程中,將繼續(xù)討論。

另一方面,雖然氫彈中的聚變反應(yīng)是氘氚反應(yīng),但氚的半衰期只有約 12 年且生產(chǎn)成本高。為降低裝備的存儲(chǔ)和生產(chǎn)成本,氫彈中并不直接使用氚而是由鋰 6 吸收一個(gè)中子產(chǎn)生的,鋰 6 與中子發(fā)生(n,α )反應(yīng),

共振區(qū)間在約 200keV 左右。因此,氫彈中采用的聚變材料為氘化鋰,需要先通過初級(jí)裂變反應(yīng)產(chǎn)生中子,再利用上述反應(yīng)產(chǎn)生氘氚熱核燃料（可控釋放核聚變能的核聚變反應(yīng)堆,如磁約束核聚變的托克馬克、仿星器等裝置, 仍然處在試驗(yàn)堆階段, 面臨大量等離子體物理基礎(chǔ)科學(xué)問題需要攻關(guān)。）。

至此,我們理解了氫彈的基本設(shè)計(jì)思想。根據(jù)公開解密資料,圖 3 是美國(guó) W88 彈頭結(jié)構(gòu)示意圖^[5]。

這是一個(gè)典型的聚變裂變混合裝置,上半部分的初級(jí)是一個(gè)中心有氘氚混合材料的聚變?cè)鰪?qiáng)型原子彈,下半部分是聚變裝置的次級(jí)。其中,次級(jí)以氘化鋰為熱核燃料。氘化鋰內(nèi)部中心有一小塊鈾 235,當(dāng)其發(fā)生裂變反應(yīng)后,可以幫助聚變材料升溫,達(dá)到聚變點(diǎn)火溫度,同時(shí)裂變產(chǎn)生的中子又可以幫助氘化鋰產(chǎn)氚。裝置的最外層是鈾 238 的包殼,這個(gè)包殼一方面作為約束初級(jí)引爆時(shí)產(chǎn)生的 X 射線的黑腔,另一方面又作為氘氚聚變產(chǎn)生的快中子激發(fā)裂變的燃料。由于鈾 238 包殼沒有臨界質(zhì)量的限制,因此鈾 238 是大當(dāng)量氫彈的主要能量來源?！俺跫?jí)”“次級(jí)”和包殼之間填充有高分子材料,用于產(chǎn)生等離子體并傳輸 X 射線。

泰勒最早提出利用聚變能制造核武器的想法,之后烏拉姆通過反復(fù)計(jì)算提出利用輻射內(nèi)爆來壓縮氘氚材料產(chǎn)生聚變反應(yīng)的方案,形成了所謂泰勒烏拉姆構(gòu)型。氫彈原理和構(gòu)型曾經(jīng)是高度保密的,不過蘇英中法四國(guó)科學(xué)家也分別獨(dú)立研究掌握了氫彈設(shè)計(jì)。特別值得提及的是我國(guó)和法國(guó)在氫彈研制領(lǐng)域的競(jìng)賽,這是一場(chǎng)典型的大科學(xué)工程研究思路的比較。表 2 中分別給出了我國(guó)與法國(guó)的核武器研制時(shí)間表。

我國(guó)在于敏先生領(lǐng)導(dǎo)下率先掌握了氫彈的基本科學(xué)原理,抓住了關(guān)鍵科學(xué)問題,實(shí)現(xiàn)了理論設(shè)計(jì)突破;之后在王淦昌先生領(lǐng)導(dǎo)下,于 1966 年 12 月 29 日成功實(shí)現(xiàn)氫彈原理實(shí)驗(yàn),由唐孝威院士小組確認(rèn)了聚變快中子的產(chǎn)生?？茖W(xué)原理上取得突破后,工程上的結(jié)果便是水到渠成。而法國(guó)人一直試圖優(yōu)化如何在裂變材料中摻聚變材料,以工程設(shè)計(jì)思路寄希望于結(jié)構(gòu)優(yōu)化,沒有意識(shí)到關(guān)鍵科學(xué)問題是突破臨界質(zhì)量,這讓一個(gè)老牌帝國(guó)主義國(guó)家在這場(chǎng)競(jìng)賽中敗給了一窮二白的中國(guó)。而中國(guó)人在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中制勝的原因則如于敏先生所總結(jié)的,科學(xué)研究要做到“知其然知其所以然”^[6]。

要做到這一點(diǎn),需要理論物理和實(shí)驗(yàn)物理的密切配合,精確理解整個(gè)過程的物理。也正是由于理論與實(shí)驗(yàn)的密切協(xié)作,我國(guó)僅通過 45 次核試驗(yàn)便掌握了核武器設(shè)計(jì)相關(guān)的諸多物理,為維護(hù)國(guó)家核武庫的穩(wěn)定及發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。例如核試驗(yàn)中測(cè)得的 γ 射線波形等數(shù)據(jù),可以通過分析 γ 光子由哪種機(jī)理產(chǎn)生,分別反映裂變和聚變的過程,區(qū)分它們的變化規(guī)律,研究裂變聚變混合裝置的反應(yīng)情況。再例如,核試驗(yàn)的中子譜測(cè)量對(duì)于中子輸運(yùn)過程的研究提供更多信息,對(duì)武器當(dāng)量的計(jì)算至關(guān)重要。在原子彈中,存在部分中子被原子核吸收后又釋放出來的非彈性散射過程,雖然初末態(tài)與彈性散射過程一樣,但中間態(tài)不同導(dǎo)致了末態(tài)中子能譜的不同。而氫彈中,“次級(jí)”壓縮氘氚燃料聚變產(chǎn)生高能中子能譜是預(yù)言鈾 238 裂變放能的基礎(chǔ)。因?yàn)殡叭剂厦芏葮O高導(dǎo)致聚變產(chǎn)生的中子密度極高,中子與中子的彈性散射不可忽略,從而變成了一個(gè)典型的非線性中子輸運(yùn)過程,部分中子動(dòng)能接近 25MeV^[7]。以上這些信息都需要通過中子飛行時(shí)間譜的數(shù)據(jù)分析來驗(yàn)證^[8]。

3.3 聚變裂變混合裝置（三）——特殊用途核武器

氫彈的核心思想是利用聚變產(chǎn)生的快中子轟擊沒有臨界質(zhì)量限制的鈾 238 等材料釋放核裂變能,從而達(dá)到提高當(dāng)量的目的。但是戰(zhàn)略核武器的大當(dāng)量也讓這種武器不會(huì)被輕易投入戰(zhàn)場(chǎng),因此,小當(dāng)量戰(zhàn)術(shù)核武器有更大可能性被用于實(shí)戰(zhàn)。中子彈便是一種直接利用聚變中子進(jìn)行殺傷的戰(zhàn)術(shù)核武器。其核心思路是以千噸級(jí)的小型化裂變武器作為初級(jí),激發(fā)氘氚聚變,產(chǎn)生大量高能中子。由于整體放能不高,因此沖擊波的殺傷效果較小,主要是以瞬時(shí)的高通量高能中子為主要?dú)侄?。較弱的沖擊波對(duì)建筑物、裝甲車輛等破壞較小,而高能中子穿透性高,可以殺傷建筑物和車輛中的人員。由于中子彈的“初級(jí)”當(dāng)量很小,也沒有“次級(jí)”中的裂變材料二次點(diǎn)火,因此這類小當(dāng)量核武器無法使用氘化鋰作為熱核材料,通常大量采用氘氚混合液體或者氘氚冰直接作為聚變材料,所以需要低溫保存。“初級(jí)”裂變裝置的小當(dāng)量對(duì)X射線燒蝕壓縮聚變“次級(jí)”的過程提出了挑戰(zhàn),因此需要對(duì)輻射壓縮過程從設(shè)計(jì)上進(jìn)行增強(qiáng),通常是采用鎢等金屬作為包殼使得受激后釋放更多輻射,這類武器也被稱為輻射增強(qiáng)彈。

各國(guó)也開發(fā)過以 X 射線為主要?dú)侄蔚暮宋淦?X 射線增強(qiáng)彈),主要用于太空反導(dǎo)。核武器產(chǎn)生的軟 X 射線輻照導(dǎo)彈彈頭后,在彈頭材料表面沉積能量,使表面出現(xiàn)氣化或等離子體化,進(jìn)而產(chǎn)生燒蝕激波在材料中傳播,對(duì)彈頭進(jìn)行物理破壞。這類武器的設(shè)計(jì)核心仍然是需要有較高的聚變份額,且要額外添加容易產(chǎn)生 X 射線的材料。

4 核武器模擬

1996 年我國(guó)簽署了《全面禁止核試驗(yàn)條約》,之后不再開展真實(shí)的核武器爆炸實(shí)驗(yàn)。為了繼續(xù)維持核武庫的安全性和可靠性,需要發(fā)展一系列核武器模擬手段。核武器模擬是指,在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)核爆炸過程進(jìn)行物理分解研究。根據(jù)前面的討論,裂變“初級(jí)”裝置主要提供高亮度X射線,通過燒蝕壓縮過程,為“次級(jí)”熱核裝置創(chuàng)造聚變反應(yīng)所需的高溫高壓條件,因此武器模擬試驗(yàn)的一個(gè)重要途徑就是產(chǎn)生高亮度 X 射線源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅可以加深對(duì)武器物理的理解,還可以為數(shù)值模擬程序提供高精度物理參數(shù),校驗(yàn)?zāi)M程序準(zhǔn)確性。實(shí)際上,核武器模擬包含軟件和硬件兩部分,即數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M。下面分別介紹核爆炸數(shù)值模擬所涉及的計(jì)算物理內(nèi)容,和用于核爆實(shí)驗(yàn)?zāi)M的 Z 箍縮裝置及激光慣性約束聚變裝置。

4.1 計(jì)算物理

需要特別指出的是,當(dāng)應(yīng)用于具體的構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí),中子物理、爆轟物理、金屬物理、彈體彈道等各個(gè)領(lǐng)域中都需要進(jìn)行大量的計(jì)算,其中所涉及的諸如中子輸運(yùn)方程、輻射輸運(yùn)方程、流體力學(xué)方程和物態(tài)方程等均為極復(fù)雜的非線性方程組。即使在一定的近似下,傳統(tǒng)的分析方法求解也是不可能的。按照 von Neumann 當(dāng)時(shí)的估計(jì),其計(jì)算量已經(jīng)超過人類有史以來進(jìn)行的全部算術(shù)操作的總和。由于開發(fā)核武器和破譯密碼的需要,計(jì)算機(jī)誕生之初就被應(yīng)用于軍事用途,并且在一大批物理學(xué)家的推動(dòng)和改進(jìn)下,電子計(jì)算機(jī)的性能也取得了飛速的發(fā)展, 例如 von Neumann 參與設(shè)計(jì)了著名的存儲(chǔ)程序邏輯架構(gòu),Metropolis 領(lǐng)導(dǎo)建造的 MANIAC 通過連續(xù) 60 天的計(jì)算驗(yàn)證了氫彈工程建造的可行性,并發(fā)展了著名的蒙特卡羅方法,如今已經(jīng)是許多學(xué)科方向的基本數(shù)值模擬方法。

隨著戰(zhàn)后美國(guó)政府對(duì)曼哈頓計(jì)劃的逐步解密,“計(jì)算物理”一詞首次正式出現(xiàn)在 1963 年出版的《計(jì)算物理方法》叢書中^[9]。從最初的軍事應(yīng)用,計(jì)算物理以席卷之勢(shì)應(yīng)用到統(tǒng)計(jì)物理、流體力學(xué)、高能物理、核物理、天體物理、等離子體物理、大氣物理等各個(gè)領(lǐng)域,催生了以離散數(shù)值計(jì)算為主要手段研究物理問題的新學(xué)科,與理論物理、實(shí)驗(yàn)物理相輔相成共同發(fā)展,成為現(xiàn)代物理學(xué)的三大分支之一。

我國(guó)的核武器研制計(jì)劃同樣離不開計(jì)算物理的貢獻(xiàn)。在當(dāng)時(shí)一窮二白的工業(yè)基礎(chǔ)以及蘇聯(lián)毀約的背景下,理論計(jì)算成為獨(dú)立自主研制核武器的突破口。盡管當(dāng)時(shí)我國(guó)已經(jīng)研制了第一臺(tái) 104 機(jī)型的電子計(jì)算機(jī),但它的算力非常低,而且操作極其繁瑣,因此還需要大量使用手搖的模擬計(jì)算機(jī)。1960 年,為驗(yàn)證蘇聯(lián)專家提供的原子彈教學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù),科研人員用特征線法求解流體力學(xué)方程,用 4 臺(tái)手搖計(jì)算機(jī)連續(xù)算了 9 次,模擬從啟爆到碰靶的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的全過程,否定了蘇聯(lián)專家教學(xué)中的數(shù)據(jù),史稱“九次計(jì)算”。它是我國(guó)第一顆原子彈理論突破的標(biāo)志性歷史事件,為理解原子彈反應(yīng)過程、掌握武器內(nèi)爆規(guī)律奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),堅(jiān)定了獨(dú)立自主研制原子彈的信心。1961 年,周毓麟采用了 von Neumann 的“人為黏性法”,在流體力學(xué)方程組中增加人為黏性項(xiàng),將沖擊波的間斷面變成有限寬度的連續(xù)區(qū),從而實(shí)現(xiàn)上機(jī)編程運(yùn)算,在短時(shí)間內(nèi)就可以計(jì)算出模型結(jié)果,與“九次計(jì)算”中手搖計(jì)算機(jī)得到的結(jié)果一致。1961 年,秦元?jiǎng)子米约禾岢龅摹叭藶榇闻R界法”,求解非定常中子輸運(yùn)方程,完成了核材料被壓縮到超高臨界后能量釋放過程的總體計(jì)算。

1982 年,《原子彈氫彈設(shè)計(jì)原理中的物理力學(xué)數(shù)學(xué)理論問題》榮獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng),由于對(duì)署名作者的人數(shù)限制,只署名了 9 位科研集體的代表,其中分管領(lǐng)導(dǎo)理論研究的彭桓武先生位列第一,其余八位中,鄧稼先、周光召、于敏、黃祖洽是物理學(xué)家,周毓麟、秦元?jiǎng)?、江澤培、何桂蓮是?shù)學(xué)家,他們都是我國(guó)現(xiàn)代計(jì)算物理學(xué)科的奠基人和開拓者。

4.2 Z 箍縮裝置

Z 箍縮是一種產(chǎn)生強(qiáng) X 射線源的重要方法。Z 箍縮利用瞬時(shí)的百萬安培量級(jí)的電流通過柱形導(dǎo)體產(chǎn)生巨大的角向磁場(chǎng),使等離子體內(nèi)爆加速到每秒數(shù)百千米的速度,經(jīng)過碰撞,將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為等離子體內(nèi)能,變成高溫高密度的等離子體并輻射軟 X 射線。美國(guó)桑迪亞(Sandia)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Z 裝置(Z-Machine)電流達(dá)到 20MA,利用絲陣 Z 箍縮產(chǎn)生的峰值 X 射線輻射功率超過 300TW,輻射總能量輸出達(dá)到 2MJ^[10]。目前 Z 箍縮動(dòng)態(tài)黑腔的輻射溫度已經(jīng)超過 200eV^[11]。我國(guó)在 Z 箍縮方面的研究處于世界前列,中國(guó)工程物理研究院的“聚龍一號(hào)”裝置,電流達(dá)到 10MA,利用鎢絲陣靶產(chǎn)生的 X 射線總能量超過 0.5MJ,輻射溫度接近 100eV^[12]。

鎢絲陣動(dòng)態(tài)黑腔主要結(jié)構(gòu)包括上下電極板、重金屬絲陣和內(nèi)部的低密度泡沫及中心的聚變靶丸。絲陣動(dòng)態(tài)黑腔的 X 射線產(chǎn)生過程為:初始儲(chǔ)能的 Marx 發(fā)生器放電后,在高原子序數(shù)的金屬絲陣中形成數(shù)十兆安的電流,金屬絲在大電流加熱下形成等離子體,并在電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)作用下,加速內(nèi)爆;高速的內(nèi)爆等離子體與泡沫碰撞,形成高溫沖擊波,發(fā)出強(qiáng) X 射線輻射;這些 X 射線會(huì)被絲陣等離子體俘獲,最終形成動(dòng)態(tài)黑腔。靜態(tài)黑腔是一個(gè)高 Z 材料的空腔,內(nèi)部放置有聚變靶丸。動(dòng)態(tài)黑腔產(chǎn)生的高溫 X 射線輻射通過靜態(tài)黑腔壁上的開孔進(jìn)入靜態(tài)黑腔,在黑腔內(nèi)壁經(jīng)過多次反射后,形成溫度均勻的輻射場(chǎng)。

4.3 激光慣性約束聚變裝置

激光被發(fā)明后,美蘇中三國(guó)均有科學(xué)家敏銳意識(shí)到利用激光可以產(chǎn)生氘氚聚變的想法,鑒于當(dāng)時(shí)處于高度保密狀態(tài),都是獨(dú)立提出的。王淦昌先生于 1964 年 10 月 4 日在一份內(nèi)部報(bào)告《利用大能量大功率光激射器產(chǎn)生中子的建議》提出了這一想法,開創(chuàng)了世界激光核物理領(lǐng)域,是今天激光慣性約束聚變的雛形^[13]。王先生長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)我國(guó)激光慣性約束聚變研究。今天的慣性約束聚變可以分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種模式^[14]。直接驅(qū)動(dòng)是利用高功率激光直接打靶,當(dāng)激光照射到聚變?nèi)剂锨?材料表面迅速電離形成等離子體層,激光在等離子體中傳輸,不斷沉積能量,并在等離子體臨界密度附近截止,之后電子攜帶激光沉積的能量進(jìn)入燃料球內(nèi)部,產(chǎn)生類似于前面提到的燒蝕壓縮過程,最終使燃料狀態(tài)達(dá)到聚變反應(yīng)條件。直接驅(qū)動(dòng)方式對(duì)激光的輻照均勻性要求非常高,否則很容易導(dǎo)致氘氚燃料因?yàn)闊g過程的不穩(wěn)定性而無法實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)紵?0 世紀(jì) 70 年代后期提出的間接驅(qū)動(dòng)方式,放寬了對(duì)激光束輻照均勻性的要求,并且降低了對(duì)流體不穩(wěn)定性的敏感度,因此成為目前主要的慣性約束聚變方案。

間接驅(qū)動(dòng)方式是將激光轉(zhuǎn)換為 X 射線,然后用 X 射線輻照燒蝕聚變?nèi)剂锨?。燃料球放置在一個(gè)高 Z 材料(比如金)的黑腔中,多束激光從黑腔上的開孔入射到黑腔內(nèi)壁,燒蝕并激發(fā) X 射線,在黑腔中形成一個(gè)相對(duì)均勻的 X 射線黑體輻射場(chǎng),燃料球在 X 射線的燒蝕下發(fā)生內(nèi)爆壓縮,最終達(dá)到熱核聚變條件。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(N1F)主要開展間接驅(qū)動(dòng)聚變方式的實(shí)驗(yàn)研究,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所謂聚變點(diǎn)火,即被壓縮的聚變?nèi)剂喜恍枰M(jìn)一步的外部加熱就可以保持熱核聚變反應(yīng)。NIF 有 192 路 351nm 波長(zhǎng)的高功率激光束,峰值功率達(dá)到 500 TW,目前可以輸出 2.05MJ 的激光能量（https://www./news/national-ignition-facility-achievesfusion-ignition）。近年 NIF 取得了一些進(jìn)展和突破,2021 年 8 月 8 日 NIF 實(shí)現(xiàn)了 1.35MJ 的聚變放能^[17],并認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)發(fā)次已經(jīng)實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火^[18]；2022 年 12 月 5 日，NIF 首次實(shí)現(xiàn)聚變能“凈增益”，即聚變放能超過入射激光能量（https://www./news/national-ignition-facility-achievesfusion-ignition）。我國(guó)位于四川省綿陽市的中國(guó)工程物理研究院建成的“神光Ⅲ”激光裝置,是繼美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)、法國(guó)兆焦耳激光裝置(LMJ)之后的世界第三大高功率激光裝置,目前的輸出能力僅次于 NIF。“神光Ⅲ”激光裝置有 48 路 351nm 波長(zhǎng)的高功率激光束,峰值功率達(dá)到 60TW,激光輸出能量達(dá)到 180kJ^[16]。目前正在四川綿陽建設(shè)的“神光Ⅳ”激光裝置,其性能與 NIF 相當(dāng)。

慣性約束聚變點(diǎn)火的最大挑戰(zhàn)在于燃料內(nèi)爆過程中的流體力學(xué)不穩(wěn)定性^[19]。聚變?nèi)剂锨蛴啥鄬硬牧蠘?gòu)成,最外層是低 Z 材料(比如塑料或鈹)的燒蝕層,然后是薄的氘氚冰球殼,球殼內(nèi)部充有氘氚氣體。在內(nèi)爆過程的早期階段(即加速階段),X射線輻照燒蝕層,燒蝕產(chǎn)生高壓低密度的等離子體,在燒蝕壓的驅(qū)動(dòng)下,低密度的燒蝕等離子體推動(dòng)較高密度的燃料層向內(nèi)加速運(yùn)動(dòng),形成密度梯度與壓力梯度相反的條件,進(jìn)而產(chǎn)生 Rayleigh-Taylor(RT)流體界面不穩(wěn)定性。RT 不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)會(huì)破壞球殼內(nèi)爆的飛行形狀,顯著降低燃料的壓縮效果。在內(nèi)爆過程的晚期階段(即減速階段),燃料球中的低密度氘氚氣體會(huì)頂住向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的稠密氘氚球殼,使之減速,再次出現(xiàn)密度梯度與壓力梯度相反的情況,RT 不穩(wěn)定性將會(huì)再次增長(zhǎng)。減速階段的 RT 不穩(wěn)定性不僅會(huì)降低燃料壓縮效果,還會(huì)出現(xiàn)燒蝕層物質(zhì)與氘氚燃料的混合,進(jìn)一步增加點(diǎn)火難度。內(nèi)爆過程中不僅存在 RT 不穩(wěn)定性,當(dāng)流體界面兩側(cè)存在切向速度時(shí)還會(huì)出現(xiàn) Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性;當(dāng)沖擊波與物質(zhì)界面作用時(shí),還有可出現(xiàn) Richtmyer-Meskov 不穩(wěn)定性。這些不穩(wěn)定性均會(huì)影響氘氚燃料的內(nèi)爆壓縮和自持燃燒過程。

5 核反應(yīng)堆簡(jiǎn)介

最后我們簡(jiǎn)單介紹一個(gè)可控的核能釋放方式核裂變反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆是和平利用核能的最重要方式,是一種低排放能源,其在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于核原料生產(chǎn)和提供動(dòng)力兩個(gè)方向。裂變材料钚 239 和聚變用的氚均來自于生產(chǎn)堆。其中钚 239 來自于鈾 238 吸收中子后,經(jīng)過兩次 β 衰變,而氚來自于鋰 6 與中子核反應(yīng)后產(chǎn)生。如果要生產(chǎn)鈾 233，也是通過釷 232 在反應(yīng)堆中生產(chǎn)。經(jīng)過反應(yīng)堆生產(chǎn)后,均需要通過化學(xué)的方法進(jìn)行后處理，將這些特殊用途的核素進(jìn)行提純。

作為推進(jìn)動(dòng)力源,核反應(yīng)堆以其能量密度高的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于長(zhǎng)期穩(wěn)定供能的領(lǐng)域,對(duì)燃料補(bǔ)給要求大幅降低,主要分為直接發(fā)熱和通過熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電兩種,而應(yīng)用場(chǎng)景包括了(1)船用核動(dòng)力:需要長(zhǎng)期隱蔽作戰(zhàn)的核動(dòng)力潛艇和驅(qū)動(dòng)大型艦船如航空母艦、破冰船等,世界五個(gè)核大國(guó)均有自研的核動(dòng)力潛艇作為戰(zhàn)略核打擊的重要組成;(2)空間電源:用于深空探測(cè)或者衛(wèi)星等航天領(lǐng)域,蘇聯(lián)的 BES-5 和 TOPAZ 型核反應(yīng)堆以數(shù)百千克重量輸出千瓦電功率,共發(fā)射了約 30 次,美國(guó) NASA 與 Los Alamos 共同研發(fā)的 Kilopower 熱管微堆也為深空探測(cè)提供了千瓦級(jí)電源候選,以替代傳統(tǒng)以 α 衰變熱發(fā)電的低功率同位素電池;(3)核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī):冷戰(zhàn)時(shí)期,美國(guó)和蘇聯(lián)均發(fā)展了直接在大氣層內(nèi)工作的核動(dòng)力高速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī),可以推動(dòng)巡航導(dǎo)彈等飛行器以 3 馬赫長(zhǎng)期巡航。

化學(xué)熱機(jī)的功率上限由化學(xué)反應(yīng)條件,如進(jìn)氣量、燃料性質(zhì)等決定。核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)核心是中子增殖。裂變每次反應(yīng)釋放的有效中子數(shù)約在 2~3 個(gè),這個(gè)指數(shù)效應(yīng)導(dǎo)致了裂變武器在很短時(shí)間釋放巨大的能量。然而,如果每一級(jí)反應(yīng)增殖接近 1 就意味著反應(yīng)釋放的能量相對(duì)穩(wěn)定,可以維持一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的釋放,這便是核反應(yīng)堆的基本物理。從這個(gè)意義上講,核反應(yīng)堆與化學(xué)熱機(jī)的核心區(qū)別是核反應(yīng)堆的功率上限是“核武器”。反應(yīng)堆達(dá)到臨界后的功率取決于裂變釋放的反應(yīng)熱如何及時(shí)傳出并利用,防止融堆。

前面已經(jīng)提到高純度裂變材料的成本非常高,因此從經(jīng)濟(jì)性角度,低成本的低豐度材料利用顯現(xiàn)巨大優(yōu)勢(shì)。在圖 2 中已經(jīng)看到裂變反應(yīng)中,低能區(qū)的中子被鈾 235 吸收后處在鈾 236 的激發(fā)態(tài)上,發(fā)生了 Briet-Wigner 共振散射使得裂變反應(yīng)截面比 MeV 裂變中子直接導(dǎo)致的裂變反應(yīng)要高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。而裂變反應(yīng)截面的大幅提高,使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中對(duì)鈾 235 的豐度要求大幅下降,對(duì)于石墨和重水等慢化反應(yīng)堆而言,鈾 235 豐度 0.7%的天然鈾即可以達(dá)到自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通常發(fā)電用的輕水反應(yīng)堆的豐度在 3%~5%。在核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中也分為利用慢化后中子的熱中子堆和直接裂變中子的快中子反應(yīng)堆兩類。

中子與原子核反應(yīng)時(shí)不存在庫倫屏蔽,只要中子運(yùn)動(dòng)到核力的作用范圍,就一定會(huì)發(fā)生核反應(yīng)。而中子核反應(yīng)主要以彈性散射 σ_el 和吸收反應(yīng) σ (n,γ )為主。研究中子在反應(yīng)堆堆芯部分的輸運(yùn)是預(yù)言核反應(yīng)堆運(yùn)行的基礎(chǔ)。而反應(yīng)堆的組件材料、裂變反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)堆燃料的消耗等都會(huì)影響到中子輸運(yùn),要保證鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的持續(xù)。我們通過一個(gè)簡(jiǎn)化模型中的有效中子數(shù) k 來估算反應(yīng)堆的性質(zhì)。以鈾 235 和鈾 238 的混合燃料并有慢化劑的熱中子堆為例,其中 f  定義為鈾 235 燃料豐度

其中,慢化劑的中子存活率 δ 描述了中子在慢化到熱中子過程中在不同的慢化劑中沒有被吸收的概率

如要從一個(gè)裂變中子 2MeV 到熱中子0.025eV,和輕水碰撞 18 次,所以這個(gè)過程的,但是重水,碰撞是 25次,,這個(gè)明顯的差別使得如果要用輕水做慢化劑,則要求 f 要大于重水做慢化劑的情況。事實(shí)上,重水(和石墨)作為慢化劑的反應(yīng)堆可以利用 f≈0.7%的天然鈾達(dá)到自持反應(yīng),但是對(duì)輕水而言,至少要 f >2.5%的濃縮鈾才可以。對(duì)熱中子堆而言,中子平均自由程在毫米量級(jí),而堆的尺度在米量級(jí),因此可以通過擴(kuò)散近似求解輸運(yùn)方程。而一些特殊用途的微型反應(yīng)堆,為了提高能量密度,大幅提高燃料豐度（VOSSSS. TOPAZIISystem Description, UnitedStates,1994, https://www./servlets/purl/10120556.）,直接利用裂變快中子,也有為了進(jìn)一步提高截面，利用特殊固體慢化劑(如氫化鋯、氫化釔等),然而因?yàn)榉磻?yīng)堆尺度與中子平均自由程相當(dāng),會(huì)有對(duì)幾何尺度非常敏感而豐富的物理效應(yīng)。

反應(yīng)堆需要及時(shí)將熱量傳出利用,因此熱工研究在反應(yīng)堆工程中扮演重要角色。按照傳熱的介質(zhì)分類,反應(yīng)堆可以分為水冷、氣冷或者液態(tài)金屬冷卻等類型。一方面,核反應(yīng)截面通常是定義在原子核質(zhì)心系,而溫度反映了原子核在晶格上的熱振動(dòng),因此實(shí)際核反應(yīng)必須考慮原子核的運(yùn)動(dòng),這種效應(yīng)被稱為核反應(yīng)的“多普勒效應(yīng)”。同時(shí),燃料在核反應(yīng)后發(fā)生升溫膨脹,使得原子核密度變小,中子平均自由程變大。因此,研究傳熱的熱工與研究中子輸運(yùn)的反應(yīng)堆物理之間需要協(xié)同研究,也被稱為多物理耦合。以商用壓水型熱中子堆為例,其中輕水同時(shí)作為慢化劑和冷卻劑,約 300℃壓強(qiáng)為 。雖然有較大的壓強(qiáng),燃料與水傳熱過程不可避免的有氣化水的影響,這里的傳熱問題本身就涉及了氣相和液相的水,被稱為兩相流(多相流)傳熱。另一方面,原子核的熱振動(dòng)溫度與熱中子能譜相當(dāng),而核反應(yīng)又恰好處在 Briet-Wigner 的共振散射區(qū)間，對(duì)中子能譜非常敏感。快中子反應(yīng)堆中,相對(duì)而言,反應(yīng)截面對(duì)溫度并非特別敏感,但是材料膨脹等仍然有較大影響。近年來為了提高換熱效率也有一部分新技術(shù)被提出,例如溫度壓力的提高達(dá)到了氣液混合相的超臨界狀態(tài)的水或者二氧化碳等,既保持了液相高密度高換熱效率,又有氣相的低粘滯系數(shù)高擴(kuò)散系數(shù)的特性;再例如利用液態(tài)金屬相變吸熱,汽化后傳熱再液化循環(huán)的熱管技術(shù),均可以以更緊湊的結(jié)構(gòu)達(dá)到更高的換熱效率。

另外,在核反應(yīng)堆的工程實(shí)踐中,也面臨大量的抗輻照需求,例如各類材料在高亮度中子的轟擊下,原子核被打離晶格,會(huì)對(duì)材料帶來嚴(yán)重的形變。在 γ 射線或者帶電粒子打在半導(dǎo)體器件中,會(huì)帶來電子元件的損傷。

因此,核反應(yīng)堆工程是中子物理、熱工、材料、核電子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域密切配合的一個(gè)大科學(xué)工程交叉學(xué)科。

反應(yīng)堆核事故

核反應(yīng)堆作為一種低排放的綠色能源,但因?yàn)楹耸鹿实闹卮笥绊?在公眾輿論中一直有一定爭(zhēng)議。我們簡(jiǎn)單回顧一下幾起典型的反應(yīng)堆事故,有一部分是非核的事故，有一部分卻是實(shí)實(shí)在在的核反應(yīng)事故,當(dāng)然在物理原理被充分理解的情況下已經(jīng)可以從設(shè)計(jì)上避免。因?yàn)榈卣鸷[發(fā)生的日本福島核電站事故是本世紀(jì)最嚴(yán)重的核電站事故,其核心的原因是因?yàn)橥话l(fā)海嘯導(dǎo)致電站冷卻循環(huán)系統(tǒng)停止工作,引起反應(yīng)堆散熱故障，堆芯溫度升高,而燃料包殼采用的鋯合金材料與水蒸氣在高溫下發(fā)生的鋯水反應(yīng),釋放了大量氫氣導(dǎo)致反應(yīng)堆爆炸。美國(guó)三里島核電站也因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)故障導(dǎo)致熔堆事故。雖然造成了放射性物質(zhì)污染,但并非是核反應(yīng)失控導(dǎo)致的事故。

英國(guó) Windscale 反應(yīng)堆是一個(gè)石墨慢化二氧化碳?xì)饫涞能娪蒙a(chǎn)堆,在停堆后發(fā)生自燃火災(zāi)。自燃意味著有氧氣和高溫環(huán)境。作為一個(gè)石墨慢化,并且用二氧化碳冷卻的系統(tǒng),在高溫下,會(huì)發(fā)生還原反應(yīng),產(chǎn)生了一氧化碳和氧氣。另一方面,石墨在反應(yīng)堆中要與大量中子發(fā)生彈性碰撞,而石墨的化學(xué)鍵遠(yuǎn)小于中子動(dòng)能,因此在碰撞過程中,很容易離開晶格,這種晶格位移帶來了更大的勢(shì)能。當(dāng)碳原子回到原來位置時(shí),釋放的能量轉(zhuǎn)化為熱,導(dǎo)致石墨升溫,這種現(xiàn)象被稱為 Wigner 能。停堆后的石墨慢化劑升溫加上存在的氧氣等綜合因素，最終導(dǎo)致了該反應(yīng)堆在停堆后發(fā)生了自燃事故。這是世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆事故,后來的氣冷堆在設(shè)計(jì)時(shí),以化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的氦氣等替代二氧化碳才真正避免這些風(fēng)險(xiǎn)。

世界上影響最深遠(yuǎn)的核事故是蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故。切爾諾貝利核電站采用的是石墨慢化沸水冷卻反應(yīng)堆,與現(xiàn)行民用核電站廣泛使用的壓水型反應(yīng)堆不同。壓水堆中,水同時(shí)扮演冷卻劑和慢化劑角色,一旦發(fā)生冷卻劑水的流失,核反應(yīng)因?yàn)槁瘎┤笔?會(huì)降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然存在熔堆的風(fēng)險(xiǎn),但是從核反應(yīng)的角度是可以控制的。然而,切爾諾貝利的石墨沸水堆并不具備這種性質(zhì)。

切爾諾貝利事故的起因是一種反應(yīng)性控制條件的計(jì)算失誤。核裂變產(chǎn)物中,碲 135 約占 6.1%,而碲 135 的半衰期只有 19 秒,會(huì)通過 β 衰變變成碘 135,碘 135 半衰期約 6.6 小時(shí)會(huì)變成氙 135 這種對(duì)中子吸收截面非常高的核素。在反應(yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,因?yàn)橛泻芨叩闹凶油?會(huì)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。然而當(dāng)反應(yīng)堆降低功率時(shí),積累的碲 135 因?yàn)橹凶油康臏p少導(dǎo)致消耗變少,加上氙 135 的衰變比碘 135 衰變成氙 135 要慢,所以會(huì)有一個(gè)氙 135 增加的過程。這個(gè)積累過程會(huì)導(dǎo)致中子吸收加大,進(jìn)一步降低反應(yīng)性。切爾諾貝利核電站正是因?yàn)樵谧鼋档头磻?yīng)堆功率的測(cè)試試驗(yàn),在氙 135 的峰值到來時(shí),反應(yīng)堆功率極速下降,試驗(yàn)人員錯(cuò)誤理解了情況,緊急提升控制棒。然而該堆的控制棒下半部分是石墨,所以在提升控制棒的過程中,核反應(yīng)產(chǎn)生的快中子被顯著減速,提高了熱中子密度,使得反應(yīng)率迅速變大。另一方面,水在反應(yīng)堆中作為冷卻劑,對(duì)核反應(yīng)而言既有中子慢化劑效果(該堆以石墨慢化為主),又有比較大的中子吸收截面,該堆中的水隨著溫度升高而流失,對(duì)反應(yīng)性也是正反饋。正是在控制棒底部石墨和高溫失水雙重作用下,使得核反應(yīng)率大幅增加,最終導(dǎo)致失控,釀成了人類歷史上最大的核事故。

6 結(jié)語

1945 年 7 月 16 日在美國(guó)新墨西哥州的沙漠中開展了世界上第一次核試驗(yàn) Trinity 試驗(yàn),開啟了核武器時(shí)代。1945 年 8 月 6 日和 8 月 9 日,美國(guó)又分別在日本廣島和長(zhǎng)崎投放了兩顆原子彈,這兩個(gè)裝置是人類歷史迄今為止僅有的用于實(shí)戰(zhàn)的核武器。能量密度超過化學(xué)炸彈百萬倍,兩顆原子彈瞬間造成了兩個(gè)城市的毀滅和數(shù)十萬人傷亡,但也促使日本軍國(guó)主義無條件投降,提前結(jié)束了第二次世界大戰(zhàn)。蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)也在隨后幾年掌握了核武器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。核武器對(duì)人類造成巨大威脅的同時(shí),其巨大的破壞性也變成了一種威懾,某種程度上避免了核大國(guó)之間的熱戰(zhàn)。核武器對(duì)第二次世界大戰(zhàn)后的政治格局造成了深遠(yuǎn)的影響。

不同于美蘇英法等老牌帝國(guó)主義國(guó)家,我國(guó)自 1840 年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)后至新中國(guó)成立間的百年一直處于半殖民地半封建社會(huì),國(guó)家蒙辱、人民蒙難、文明蒙塵,中華民族遭受了前所未有的劫難。新中國(guó)成立后,我國(guó)屢次受到帝國(guó)主義國(guó)家的核訛詐,為了保護(hù)國(guó)家安全,民族獨(dú)立,黨中央于 1955 年決定發(fā)展原子能事業(yè)并開始了鈾礦勘探工作。1958 年成立二機(jī)部九所,啟動(dòng)核武器研制工作。在蘇聯(lián)幫助下,于 401 所建設(shè)成了我國(guó)第一座重水核反應(yīng)堆和第一座回旋加速器。后來又陸續(xù)啟動(dòng)了核工業(yè)“五廠三礦”建設(shè)(五廠:衡陽鈾水冶廠、包頭核燃料元件廠、蘭州鈾濃縮廠、酒泉原子能聯(lián)合企業(yè)、西北核武器基地二二一廠;三礦:郴縣、衡山、上饒鈾礦)。1959 年 6 月蘇聯(lián)撤走全部援華專家后,我國(guó)的核武器研制事業(yè)走上完全獨(dú)立自主的道路,我國(guó)一大批從事粒子物理核物理等基礎(chǔ)科研的科學(xué)家都毅然放棄了原有專業(yè)轉(zhuǎn)入了核武器研究。1964 年 10 月 16 日,在新疆羅布泊核試驗(yàn)場(chǎng),我國(guó)成功試爆了第一顆原子彈,約兩萬噸 TNT 當(dāng)量。1967 年 6 月 7 日成功通過空投方式試驗(yàn)了一顆三百萬噸 TNT 當(dāng)量的氫彈,領(lǐng)先法國(guó)實(shí)現(xiàn)了氫彈試驗(yàn)成功。1999 年 9 月 18 日,在建國(guó)五十周年國(guó)慶前夕,“九一八”事變 68 周年紀(jì)念日當(dāng)天,中國(guó)共產(chǎn)黨中央委員會(huì)、中央軍事委員會(huì)在北京舉行了表彰為研制“兩彈一星”作出突出貢獻(xiàn)的科技專家大會(huì),總結(jié)了“兩彈一星”精神,表彰了 23 位“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者。23 位兩彈元?jiǎng)字兄苯訁⒓宇I(lǐng)導(dǎo)核武器事業(yè)的共 10 人,按照姓氏筆畫排序分別是,于敏、王淦昌、鄧稼先、朱光亞、陳能寬、周光召、郭永懷、錢三強(qiáng)、程開甲、彭桓武。

參考文獻(xiàn)