氢弹之路——氢弹武器设计构型的早期发展

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1、对聚变的认识1927年， 格丁根两名年轻的物理学 家弗里茨 豪特曼斯和杰弗里 阿特金森 开始考虑太阳中的热核反应， 提出了氢 原子发生聚变产生太阳能的理论。到30年代人们已经清楚地知道:重氢和超 重氢发生聚变时， 没有临界质量的限制， 会产生无限大的爆炸， 能做成比原子弹威力大得多的武器。但是实现聚变反应所需要的条件， 要比实现重核裂变反应 所需要的条件苛刻得多。氘、 氚原子核 结合在一起实现聚变， 通常难以实现， 因为氘、 氚原子核都带正电， 它们之间的电作用力是排斥性的， 阻碍两个原子核的 进一步靠近和发生反应， 只有冲破这种 阻力才能实现聚变。冲破这种阻力的方法就是让一个原子核以极高的速

2、度冲向另一个原子核， 或者让两者高速对撞， 靠近到强大的核 力发生作用的距离以内。怎样才能使原子核具有很高的速度呢？我们知道:当物质的温度很高时， 其分子的热运动速度也很快， 在相当于太阳和恒星的内部 温度 （几千万度） 下， 氘核就能战胜原子 核的静电斥力， 与另一个原子核发生聚 变反应。由于聚变反应只有在非常高的 温度下才能进行， 所以又称为热核反应， 利用热核反应产生爆炸的氢弹也称为热 核武器。但是几千万度的高温是无法用普通的加热方法获得的， 因此尽管轻核聚变反应发现得比裂变反应早， 却长期 没有造出氢弹来。 直到1942年， 科学家们才逐渐认识到， 研制这种 “聚变炸弹” 首先取决于裂

3、变弹的成功， 用原子弹爆炸的高温和压 力可以使重氢和超重氢产生聚变， 并以 此产生维持聚变反应所需要的高温， 所以氢弹要用原子弹来引爆。二战中， 科学家虽然集中力量研究重元素以开发原 子弹， 但是对轻元素的研究也没有放松。氢弹设计思路早在1941年9月， 在美国刚开始研制原子弹的时候， 物理学家费米就向泰勒提出是否能利用原子弹爆炸点燃氘中 热核反应的问题。美国开始探索氢弹是 循着两条思路进行的。一条是如何用较 大量裂变材料点燃少量热核材料， 另一 条是如何用较少的裂变材料点燃大量热 核材料。最早考虑作热核材料的是液 氘， 因为氘核的斥力小， 而液氘初始密度较大。为了验证第一条思路， 美国在19

4、51 年5月进行了两次核试验。第一次试验 中将数克的氘氚小囊放在一个20多万吨当量的柱形内爆铀235裂变装置外面，氘氚小囊由裂变爆炸的热辐射流点火，通过测量氘氚反应放出的中子推算聚变 反应情况。这是第一次用裂变能引发热核聚变反应。虽然此次发生的聚变威力 很小， 与热核武器的原理突破并不是一回事， 但其为氢弹设计提供了数据。第 二次试验为助爆型裂变试验， 试验中将在铀235裂变材料芯中放置氘氚混合物，使裂变威力翻了一番。两次试验证明了这一思路的可行性。 世界首枚氢弹美国 “迈克” 氢弹于1952年11月进行试验的场面， 爆炸威力为1 040万吨TNT当量而另一用少量裂变材料点燃大量聚变材料的思路

5、的发展， 要比第一条曲折得多。为验证这一思路， 美国科学家泰勒提出了 “经典超级” 和 “闹钟” 两个设计方案。其中，“经典超级” 开始时就叫 “超级” ， 基本思想是用原子弹爆炸放出的中子来点燃液氘。他们设想在初级原子弹与液氘圆柱之间放一段氘氚混合物， 先点燃氘氚热核反应， 再用其放出的能量来点燃液氘圆柱。他们认为一旦氘氚与氘氘的热核聚变反应被裂变能量点燃，其余聚变燃料就能依靠这部分聚变燃料放出的能量继续燃烧下去， 即形成自持传播燃烧。这就像点燃一根火柴， 一旦火柴头点着， 火柴杆就会一直自己燃烧下去。对于 “经典超级” 的可行性研究，由于没有好的计算工具， 进展十分缓 慢。但1950年初通

6、过手工计算发现 “经 典超级” 需要用的氚比泰勒设想的多得 多， 而且还很难实现持续反应。因为对 这个模型的计算表明， 反应过程中损耗 能量的速度要比产生能量的速度快得 多， 流体动力学的飞散比热核反应的建 立和维持更快， 会导致 “灭火” 。要维持 比原设想的氘、 氚燃烧温度低得多的氘、 氚反应， 就需要格外多的氚， 而氚是需要 专门生产的， 十分昂贵， 很不现实。1950 年底在冯诺曼新发明的电子数值积分器 和计算机上的计算确认了这一结论， 因 为能量的损失要比产生的快。 “闹钟” 的构形是1946年由泰勒提 出的。这种构形是用炸药压缩由裂变材 料、 热核燃料 （氘、 氚， 或它们的化合物

7、） 和天然铀惰层交替的球层。炸药压缩使 中央裂变材料芯从次临界态达到超临界态， 释放出的裂变能量使聚变燃料产生 显著的热核反应， 热核反应放出的快中 子又引起天然铀惰层的裂变， 大大增加了能量释放。1947年9月， 泰勒又提出在 “闹钟” 中用氘化锂6作为热核燃料的想法， 其会在装置爆炸时与中子作用产生出氚， 大大提高热核燃料的效率。但由于受计算条件的限制， 泰勒在1947年 提出这一设想后没做核试验。可以看出， 氢弹在这一阶段还没突破概念设计， 也就是没完成构型设计。这一切直到泰勒遇到了数学家乌拉姆。泰勒-乌拉姆构型数学家乌拉姆就是前面提到1950 年初通过手工计算发现泰勒的 “经典超 级”

8、 方案行不通的人。乌拉姆在完成 “经 典超级” 的计算后， 开始思考如何提高原 子弹的效率。当时铀235与钚的供应仍稀少而昂贵， 他想， 枪法原子弹中没有压 缩， 装料多， 利用效率低， 内爆法将裂变 材料压缩了一下， 就能减少使用量， 提高 效率， 但炸药的能量毕竟有限， 所以内爆 所能达到的压缩度也是有限的， 而如果 使用裂变核爆炸代替内爆炸药， 不就可 以更大程度地压缩氘氚了吗？1950年 12月， 乌拉姆想出了一个使内爆压缩度 成量级提高的办法， 他称之为 “流体力学 透镜” ， 他想到的是用裂变爆炸的冲击波 作为压缩内爆系统的动力。就是利用后 来称为 “初级” 的原子弹释放的能量来压

9、缩另一个后被称为 “次级” 的完全不同的 氘氚弹。1951年1月底乌拉姆认识到有 可能达到的高压缩将克服实现大规模聚变反应的障碍。最初乌拉姆设想用爆炸的初级弹芯释放出来的中子流或流体力 学冲击波来实现压缩， 但参与并十分了解前面提到的美国助爆核试验设计的泰 勒， 提出用初级的热辐射流更有希望实 现这种压缩。泰勒从乌拉姆的两级构形 想到了用辐射能压缩的平行设计方案。 1951年3月， 乌拉姆与泰勒共同提 出了用裂变初级的辐射能压缩热核次级 的设计方案。对于洛斯 阿拉莫斯的同 事们来说， 这个方案几乎与1939年发现 裂变一样， 使物理学家们大吃一惊。泰 勒和乌拉姆发现的新方法， 使原来对研究氢弹

10、持反对或怀疑态度的人有了根本转变， 使他们确信研制可以成功。以后， 泰勒又相继提出 “在热核燃料里加入易 裂变材料部件并使用氘化锂6作为热核燃料” 的设想。用易裂变材料部件将压 左图为罗纳德里根与泰勒握手， 中图为数学家 乌拉姆， 右图为这两位 “T-U” 构型创立者的漫画 泰勒提出的 “经典超级” 氢弹方案 （左） 和 “闹钟” 氢弹方案 （右）氘层原子弹铀层高能炸药氘氚混 合物液氘圆柱辐射罩初级原子弹 泰勒的 “闹钟” 方案和苏联的 “千层饼” 构型 相似， 后者复杂一些， 图中为苏联RDS-6S 裂变增强弹试验， 其采用的就是此构型知 识 园 地氢弹之路 氢弹武器设计构型的早期发展文/王

11、继新Ordnance Knowledge兵器知识 2015年5期Ordnance Knowledge兵器知识 2015年5期6263对聚变的认识1927年， 格丁根两名年轻的物理学 家弗里茨 豪特曼斯和杰弗里 阿特金森 开始考虑太阳中的热核反应， 提出了氢 原子发生聚变产生太阳能的理论。到30年代人们已经清楚地知道:重氢和超 重氢发生聚变时， 没有临界质量的限制， 会产生无限大的爆炸， 能做成比原子弹威力大得多的武器。但是实现聚变反应所需要的条件， 要比实现重核裂变反应 所需要的条件苛刻得多。氘、 氚原子核 结合在一起实现聚变， 通常难以实现， 因为氘、 氚原子核都带正电， 它们之间的电作用力

12、是排斥性的， 阻碍两个原子核的 进一步靠近和发生反应， 只有冲破这种 阻力才能实现聚变。冲破这种阻力的方法就是让一个原子核以极高的速度冲向另一个原子核， 或者让两者高速对撞， 靠近到强大的核 力发生作用的距离以内。怎样才能使原子核具有很高的速度呢？我们知道:当物质的温度很高时， 其分子的热运动速度也很快， 在相当于太阳和恒星的内部 温度 （几千万度） 下， 氘核就能战胜原子 核的静电斥力， 与另一个原子核发生聚 变反应。由于聚变反应只有在非常高的 温度下才能进行， 所以又称为热核反应， 利用热核反应产生爆炸的氢弹也称为热 核武器。但是几千万度的高温是无法用普通的加热方法获得的， 因此尽管轻核聚

13、变反应发现得比裂变反应早， 却长期 没有造出氢弹来。 直到1942年， 科学家们才逐渐认识到， 研制这种 “聚变炸弹” 首先取决于裂变弹的成功， 用原子弹爆炸的高温和压 力可以使重氢和超重氢产生聚变， 并以 此产生维持聚变反应所需要的高温， 所以氢弹要用原子弹来引爆。二战中， 科学家虽然集中力量研究重元素以开发原 子弹， 但是对轻元素的研究也没有放松。氢弹设计思路早在1941年9月， 在美国刚开始研制原子弹的时候， 物理学家费米就向泰勒提出是否能利用原子弹爆炸点燃氘中 热核反应的问题。美国开始探索氢弹是 循着两条思路进行的。一条是如何用较 大量裂变材料点燃少量热核材料， 另一 条是如何用较少的

14、裂变材料点燃大量热 核材料。最早考虑作热核材料的是液 氘， 因为氘核的斥力小， 而液氘初始密度较大。为了验证第一条思路， 美国在1951 年5月进行了两次核试验。第一次试验 中将数克的氘氚小囊放在一个20多万吨当量的柱形内爆铀235裂变装置外面，氘氚小囊由裂变爆炸的热辐射流点火，通过测量氘氚反应放出的中子推算聚变 反应情况。这是第一次用裂变能引发热核聚变反应。虽然此次发生的聚变威力 很小， 与热核武器的原理突破并不是一回事， 但其为氢弹设计提供了数据。第 二次试验为助爆型裂变试验， 试验中将在铀235裂变材料芯中放置氘氚混合物，使裂变威力翻了一番。两次试验证明了这一思路的可行性。 世界首枚氢弹

15、美国 “迈克” 氢弹于1952年11月进行试验的场面， 爆炸威力为1 040万吨TNT当量而另一用少量裂变材料点燃大量聚变材料的思路的发展， 要比第一条曲折得多。为验证这一思路， 美国科学家泰勒提出了 “经典超级” 和 “闹钟” 两个设计方案。其中，“经典超级” 开始时就叫 “超级” ， 基本思想是用原子弹爆炸放出的中子来点燃液氘。他们设想在初级原子弹与液氘圆柱之间放一段氘氚混合物， 先点燃氘氚热核反应， 再用其放出的能量来点燃液氘圆柱。他们认为一旦氘氚与氘氘的热核聚变反应被裂变能量点燃，其余聚变燃料就能依靠这部分聚变燃料放出的能量继续燃烧下去， 即形成自持传播燃烧。这就像点燃一根火柴， 一旦

16、火柴头点着， 火柴杆就会一直自己燃烧下去。对于 “经典超级” 的可行性研究，由于没有好的计算工具， 进展十分缓 慢。但1950年初通过手工计算发现 “经 典超级” 需要用的氚比泰勒设想的多得 多， 而且还很难实现持续反应。因为对 这个模型的计算表明， 反应过程中损耗 能量的速度要比产生能量的速度快得 多， 流体动力学的飞散比热核反应的建 立和维持更快， 会导致 “灭火” 。要维持 比原设想的氘、 氚燃烧温度低得多的氘、 氚反应， 就需要格外多的氚， 而氚是需要 专门生产的， 十分昂贵， 很不现实。1950 年底在冯诺曼新发明的电子数值积分器 和计算机上的计算确认了这一结论， 因 为能量的损失要比产生的快。 “闹钟” 的构形是1946年由泰勒提 出的。这种构形是用炸药压缩由裂变材 料、 热核燃料 （氘、 氚， 或它们的化合物） 和天然铀惰层交替的球层。炸药压缩使 中央裂变材料芯从次临界态达到超临界态， 释放出的裂变能量使聚变燃料产生 显著的热核反应， 热核反应放出的快中 子又引起天然铀惰层的裂变， 大大增加了能量释放。1947年9月， 泰勒又提出