[科普中国]-于敏逝世，让我们重温历史揭秘氢弹威力背后的秘密

2019年1月16日，我国国防科技事业改革发展的重要推动者、国家最高科学家得主、中国科学院学部委员、改革先锋于敏在京去世，享年93岁。至此，中国23位“两弹一星功勋奖章”获得者中，仅余3位在世。美苏相争，中国后来居上虽然原子弹已经是威力极为强大的大规模杀伤性武器，但受到核裂变的性质所限，无论如何增大铀235和钚239的用量，原子弹的威力最多只能达到广岛、长崎原子弹爆炸当量的10倍左右。而若将聚变反应的能量引入到核武器中，则可以将爆炸威力轻易地提高到广岛核爆的数百倍。最初，美国作为原子弹技术的先驱者，对世界各国都形成了压倒性的核威慑优势。然而，其后不久，苏联就实现了原子弹的成功试爆。为了保持对苏联以及世界其它国家的技术优势，在杜鲁门总统的授意下，美国于1952年成功试爆了利用原子弹作为起爆装置，直接引发液态氘发生热核反应的氢弹原型。与氢类似，氘在常温常压下呈现气态，为将其转化为液态需要零下200度以下的低温，因此该试爆装置体型极为庞大，整体重量达到65吨，距离实用化尚有一定距离。然而，最先实现氢弹小型化突破的却是苏联人。1953年，苏联将氘与锂化合，制成氘化锂固体，极大简化了爆炸装置的结构，并实现了氢弹的试爆。虽然一直有说法认为苏联当时并没有成功实现真正的热核反应，但这一技术路线却被证明是可行的。此后，美国也通过氘化锂燃料实现了真正具有实用意义的氢弹试爆。1955年到1956年间，美苏两国竞相展开氢弹小型化、武器化研究，可由轰炸机搭载的氢弹也得以登场，实用化的百万吨级当量核武器开始登上历史舞台。1967年6月17日，中华人民共和国成功试爆了330万吨级氢弹，并于1976年11月17日再次完成400万吨级氢弹试爆，成功跨入氢弹俱乐部。中国从1964年10月16日完成第一颗原子弹试爆后，仅用不到三年时间就完成了氢弹的成功研制，这其中固然有后发优势的因素，但作为中国首枚氢弹研制团队负责人的天才科学家于敏同样功不可没。氢弹研制：难度大，结构复杂一颗T-U构型的典型氢弹往往呈现钝头圆柱体的弹体形态，头部呈现半球形，一般在该半球体的中心部安置一颗用于引发聚变反应的小型原子弹。柱体部分的核心是包含了聚变反应燃料的圆柱形套筒结构。弹体外壳的作用是起爆时反射放射线，主要由铀合金。柱体套筒外层由铀235或铀238制成，中间层为氘化锂燃料，中心部分是钚239内核。弹体外壳和套筒间一般填充一层聚苯乙烯树脂（见下图和示意图A）。在起爆的最初阶段，作为点火扳机的小型原子弹率先被引爆（示意图B）。该裂变反应带来的大量强力X射线和伽马射线以及中子束流将会直接或经由弹壳头部的球面部分反射，射向存放聚变燃料的套筒结构。在X射线照射下，填充在氘化锂燃料周围的聚苯乙烯迅速被等离子体化，由此形成的高温高压将对聚变燃料形成瞬间的猛烈压缩（示意图C）。与此同时，作为套筒外壳的铀238或者铀235将通过反射放射线，对聚变燃料施加从外向内的压缩作用。而位于套筒中心的钚239芯柱会在伽马射线和中子束流的强烈照射下发生裂变反应，从内向外压缩夹层中的核聚变燃料。在瞬间内从各方向被压缩至超高温、超高密度的氘化锂聚变燃料很快就会发生聚变反应（示意图D）。起爆完成后，聚变反应中产生的大量高速中子迅速抵达铀套筒外壳，继而引发该外壳的进一步裂变反应，将爆炸威力推至极限（示意图E）。以一颗30万吨级氢弹为例，作为扳机的小型原子弹约贡献4万吨当量，氘化锂燃料提供的热核反应约贡献13万吨当量，而来自套筒铀外壳的裂变反应又将额外贡献13万吨当量。可见，目前的氢弹虽然并非完全依赖热核反应的“纯净”氢弹，但利用特殊的构造设计，可以实现普通原子弹无法实现的裂变反应量级。核聚变威力越大，铀外壳裂变就越猛烈，整个爆炸反应的当量也就越高。虽然理论上1吨聚变燃料最多可以产生600万吨当量的爆炸能量，人类目前尚不清楚氢弹的威力极限在哪里。人类已知的最大氢弹——苏联研制的“沙皇炸弹”，已经将爆炸当量提高到了5000万吨级别。相对于其威力而言，“沙皇炸弹”的体积可谓相当苗条了，它长度8米，直径2米，重量27吨，可以由专门修改后的图95轰炸机搭载。虽然当时苏联试爆沙皇炸弹的目的是为了震慑美国，自然威力越大越好，但考虑到严峻的环境风险，苏联方面还是将设计当量从1亿吨削减了一半。即使如此，这枚核弹在1961年10月30日试爆时，产生的冲击波依然震撼了整个地球，其爆炸威力达到了广岛、长崎原子弹爆炸时的3800倍和2300倍。“于敏构型”，天才般的智慧从核武器令人胆寒的威力中，我们不难看出，于敏这样的“两弹一星”元勋们对于中国的国防安全和独立自主做出了多么重大的贡献。如果在当时的困难条件下，没有咬紧牙关抓住历史机遇发展出我国自己的核武器和核威慑力量，之后集中力量进行经济建设也可能无从谈起。从我国公开渠道的报道资料中，我们可以得知于敏的主要贡献在于他提出了与主流的“T-U氢弹构型”存在较大差异的“于敏构型”，而这两者也是世界上唯一成功实现试爆的两种氢弹结构。一直以来，都有看法认为实际上这两种构型就是同一种构成方式，属于殊途同归。随着于敏的逝世，所谓“于敏构型”是否存在的争论，又开始浮现于网络。由于氢弹相关技术属于涉及国家安全的核心机密，普通人自然无法知晓其中奥秘。甚至世界其它国家官方渠道给出的关于氢弹技术的相关资料也存在很大的误导性和粗糙性。“于敏构型”的真实结构，其实也从未得到我国官方的披露，是否可以将其列为独立构型，实际上更应该是一个学术议题，而非舆论议题。总而言之，毫无疑问的是，在当时极为艰苦的条件下，于敏用天才般的智慧，愚痴般的忘我，从数量极少且可信度并不甚高的参考资料中得到启发，独立完成结构设计，最终帮助我国成功实现了氢弹试爆，构筑起了真正的大国盾牌。如今，大师已经远去，然而半个世纪前他在戈壁荒漠中为我们筑起的铜墙铁壁，却仍然在泽荫着每一个中国人。作者| 张昊 大阪大学审稿人| 李财富 中山大学材料学院 副教授文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”