昨天聽(tīng)了原子彈的一點(diǎn)兒基礎，今天接著(zhù)聽(tīng)Muller老師講幾種核彈的“簡(jiǎn)單”設計，這也是我們的最后一堂“核課”了。

 

   1945年，杜魯門(mén)總統動(dòng)用了廣島核彈。他稱(chēng)它為原子彈。這個(gè)名稱(chēng)至今還在使用。名字恰當嗎？有人說(shuō)不，他們認為普通TNT就用的是原子結合和分解的能量，所以“原子”應該留給普通炸藥。

    很多人都把nuclear讀成“nukular”，包括艾森豪威爾總統、泰勒（Edward Teller）、卡特總統（曾在核潛艇上服役）以及最近的小布什總統。很多學(xué)者認為發(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(yǔ)形式。泰勒是氫彈發(fā)明者之一，常被人稱(chēng)為“氫彈之父”，他大概有資格用自己喜歡的方式叫它。不過(guò)，如果你想學(xué)泰勒卻又沒(méi)有他那么大的名聲，像他那樣說(shuō)話(huà)是會(huì )遭人嘲笑的。   

 

 

    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，因而鏈式反應不會(huì )擴張。接著(zhù)，當核彈到達敵人目標上空時(shí)，要把那些碎片集中起來(lái)，這個(gè)困難的過(guò)程叫組裝。必須很快完成組裝，因為碎片靠近時(shí)，部分中子開(kāi)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(kāi)了。中子只要錯過(guò)幾代，核彈的爆炸力就會(huì )大為減小。

  毀滅廣島的核彈是用鈾235造的，采用簡(jiǎn)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(guò)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(cháng)，重量不過(guò)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。裂變鏈式反應釋放的能量大約為13千噸TNT當量。廣島毀滅當天，杜魯門(mén)總統錯誤地宣布為2萬(wàn)噸。原來(lái)，總統錯把阿拉莫哥多爆炸試驗的數字當成了廣島的數字。

 

    雖然鈾235和钚239的核彈都用鏈式反應，但二者在技術(shù)細節上有很大不同。钚是多數核反應堆（包括發(fā)電的反應堆）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(lái)。分離完成后，我們就說(shuō)核反應堆的乏燃料經(jīng)過(guò)了再加工。這是報紙常見(jiàn)的一個(gè)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(jìn)行再加工——即提取他們的核反應堆產(chǎn)生的钚。

    再加工比鈾分離簡(jiǎn)單得多，而核反應堆又那么普遍，看來(lái)钚彈似乎是巴基斯坦和朝鮮等小國的核彈選擇。可钚彈不好設計。因為反應堆同時(shí)產(chǎn)生的一種放射性雜質(zhì)，钚很容易提前引爆（即過(guò)早地發(fā)生爆炸）。也許就是因為這個(gè)，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(gè)中子。這使它具有高度放射性。钚240會(huì )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(shí)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(huì )觸發(fā)部分鏈式反應，這些局部的鏈式反應將過(guò)早引爆核彈，在多數能量釋放前終止鏈式反應。

    這個(gè)問(wèn)題是在二戰期間發(fā)現的，曼哈頓計劃的科學(xué)家們曾一度認為钚彈是不可能的。但后來(lái)找到了一個(gè)非凡的解決辦法：內爆。就是說(shuō)，將钚鋪展成空心球殼，外面用炸藥包圍。钚周?chē)谋ò杨邢騼葔?，將它們擠壓成非常緊密的一團。經(jīng)過(guò)強烈擠壓的钚，原子靠得很近，因而中子沒(méi)有空間溢出。如果壓縮恰到好處，這種狀態(tài)會(huì )很快達到，钚也就來(lái)不及提前引爆了。

    實(shí)現內爆是極端困難的。內爆必須非常精確，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(shí)而且均勻地引爆。那需要高度技巧，因為爆炸往往在個(gè)別點(diǎn)發(fā)生，而不是在整個(gè)殼層表面擴展。人們發(fā)展了一種專(zhuān)門(mén)技術(shù)將點(diǎn)爆炸轉化為內爆，它被稱(chēng)為爆炸透鏡。烈性炸藥在某一點(diǎn)引爆，然后聚焦起來(lái)，均勻覆蓋整個(gè)钚殼表面。

    要讓這一切都正常運轉，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(qián)。因為這些原因，一群恐怖分子是不大可能造出钚彈來(lái)的。它也許需要動(dòng)用一個(gè)國家（如巴基斯坦或朝鮮）的全部資源。即使如此，結果也可能失敗。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(cháng)崎的設計是20千噸級。多數專(zhuān)家懷疑朝鮮試驗的低能量正是那種失敗的結果，可能是在鏈式反應達到需要的水平之前，核彈就被提前炸開(kāi)了。

    現在我們歸納幾個(gè)重要事實(shí)：33磅鈾235就足夠造一個(gè)核彈。如果鏈式反應通過(guò)倍增方式進(jìn)行，那么所有原子只需要經(jīng)過(guò)81代就分裂完了。钚彈只需要13磅，還裝不滿(mǎn)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是3而不是2。廣島原子彈是槍式設計的鈾彈。長(cháng)崎原子彈和新墨西哥州試驗的核彈一樣，是內爆式钚彈。未來(lái)總統需要知道這些事實(shí)，因為它們對評估核擴散前景非常重要。

 

 

     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(wàn)噸TNT當量的能量，比廣島原子彈高4000倍。美國核彈庫里多數是氫彈。氫彈可以做得很小，一顆海神式洲際彈道導彈的彈頭就能裝下14顆氫彈。導彈頭的錐形設計，是為了使它們能在從太空重回大氣后仍能準確瞄準目標。美國的三叉戟導彈帶有8個(gè)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計的次級過(guò)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(yáng)深部的為陽(yáng)光供給能量的過(guò)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(guò)程趕在氫被初級的裂變炸開(kāi)之前迅速發(fā)生。我們來(lái)看這有多難。在裂變的钚彈中，你只擔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(lái)，科學(xué)家認為這種設計也許不可能實(shí)現。后來(lái)發(fā)明了一個(gè)技巧——即所謂的“氫彈機密”。機密是這樣的（最近才解密；當然，細節還是機密）：裂變的钚彈發(fā)出足夠的X射線(xiàn)，從鈾壁反射回來(lái)，可以用來(lái)壓縮和點(diǎn)燃氫。X射線(xiàn)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爆完全均勻，氫彈的困難則在于設計。

    因為氫彈靠聚變——即把兩個(gè)氫核結合在一起——所以有時(shí)也叫聚變彈。因為它依賴(lài)于高溫，所以也叫熱核彈。于是，H彈、氫彈、聚變彈和熱核彈，都是同一樣東西的不同名稱(chēng)。

    第二個(gè)機密已經(jīng)公開(kāi)了更長(cháng)時(shí)間：氫彈可以不用氫的放射性形態(tài)的氚，而改用穩定（無(wú)放射性）的金屬鋰，叫鋰6。它與氘（重氫，也沒(méi)有放射性）結合生成固體化合物氘化鋰（LiD）。這種材料穩定而致密，是很好的燃料。當钚彈初級引爆時(shí)，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(gè)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(lái)。

    我前面說(shuō)過(guò)聚變釋放中子。在一般的氫彈中，通過(guò)以貧化鈾（即鈾238，它們也會(huì )發(fā)射X射線(xiàn)）包圍次級裝置，利用這些中子用來(lái)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(shuō)來(lái)，氫彈的一半能量來(lái)自這種裂變。鈾238的這種裂變也極大增加了裂變碎片的數量，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(lái)造裂變彈呢？答案是它裂變時(shí)不能生成足夠的中子來(lái)維持鏈式反應的進(jìn)行。但它的裂變確實(shí)釋放了能量和碎片。

 

 

    百萬(wàn)噸級核武器的危害主要來(lái)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(huì )吸引大量有害物質(zhì)。這些本身沒(méi)有放射性的東西，會(huì )隨著(zhù)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(huì )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(gè)小時(shí)，它們就衰變了?？墒?，如果地面的各種臟物混合進(jìn)來(lái)，混合微塵的重量增大了，就會(huì )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，準備了足夠的食物和水，人們可以在那兒躲藏一個(gè)月左右，一直等著(zhù)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(huì )爭搶掩蔽所，不讓后來(lái)的人進(jìn)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(jìn)入。如果說(shuō)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(lái)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(jìn)入食物。1950年代，在很多人為核試驗的長(cháng)期效應憂(yōu)慮時(shí)，鍶90是家喻戶(hù)曉的名詞。Sr-90落在草地上，被牛吃進(jìn)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。

 

    氫彈的一個(gè)變種在卡特總統時(shí)期出了名，就是中子彈。氫彈聚變會(huì )產(chǎn)生大量高能中子，它們會(huì )引發(fā)嚴重的輻射病，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(gè)友好國家，那么中子彈可以看成驅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(mén)是，有一個(gè)很微弱的初級過(guò)程，以盡量減少裂變碎片；還有一個(gè)小規模的次級過(guò)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(kāi)時(shí)，很多人感到了恐慌。具有諷刺意味的是，問(wèn)題在于中子彈不如普通氫彈那么可怕。你大概以為這樣會(huì )令人更接受中子彈，但恰恰相反。中子彈不破壞建筑意味著(zhù)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。