王凱　矯金龍　陳海

關(guān)鍵詞 原子彈;氫彈;核武器模擬;核反應(yīng)堆

1 工程物理

工程物理一詞來(lái)源于蘇聯(lián)，蘇聯(lián)啟動(dòng)核能項(xiàng)目時(shí)，因?yàn)楸Ｃ艿脑?，將包括核武器在?nèi)的所有核能研究的項(xiàng)目統(tǒng)稱(chēng)為工程物理，成為一個(gè)有保密性質(zhì)的專(zhuān)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(lái)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(guò)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(guò)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(chēng)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(lèi)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(shuō)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(lèi)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(lái)，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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(mén)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(kāi)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(wèn)題。本節(jié)將圍繞這兩點(diǎn)，展開(kāi)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(guò)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(guò)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(chēng)為結(jié)合能B（A ，Z）

B A，Z =Zm_p+ A -Z m_n-m（A，Z） （1）

其中，mp 和mn 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(guò)程，都伴隨結(jié)合能的釋放，分別被稱(chēng)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雍耍司圩兎磻?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。

核反應(yīng)作為一個(gè)量子散射過(guò)程，當(dāng)一個(gè)初態(tài)兩體形成一個(gè)中間束縛態(tài)的過(guò)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(chēng)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O （10MeV）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(guò)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(kù)倫排斥，因而庫(kù)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(kāi)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O （5MeV）左右的α粒子可以透過(guò)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(guò)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(kù)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(kù)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(guò)1個(gè)，就會(huì)形成一個(gè)增殖的正反饋過(guò)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(chēng)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(kāi)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①在柏林開(kāi)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②中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③。

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(guò)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(guò)程被稱(chēng)為中子慢化過(guò)程，而石墨被稱(chēng)為減速劑或慢化劑。另一方面，慢化的彈性碰撞過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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)①。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(méi)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(lái)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(guò)普通的化學(xué)反應(yīng)是無(wú)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(guò)程中最大的工業(yè)項(xiàng)目。同位素分離主要依賴(lài)于氣體擴(kuò)散法和離心機(jī)法兩類(lèi)，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(lái)了同位素電離能的細(xì)微變化，使得可以通過(guò)激光對(duì)其中一類(lèi)核素先電離，再通過(guò)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(lái)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(guò)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(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同時(shí)開(kāi)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(shù)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(kāi)展提純鈾235的工作。蘇聯(lián)運(yùn)來(lái)了工廠部件后，就撤走了全部專(zhuān)家，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家王承書(shū)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(mǎn)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(wàn)分之一，因此，中子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過(guò)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(guò)幾代后絕大多數(shù)中子離開(kāi)材料，核反應(yīng)便停止了，我們稱(chēng)這種狀態(tài)為次臨界。對(duì)于武器來(lái)說(shuō)，希望中子盡可能多的被用來(lái)參與裂變反應(yīng)，有幾個(gè)重要的方法可以用來(lái)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(guò)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(chēng)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)O （1MeV），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(guò)程中，大量的能量被釋放出來(lái)，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(chēng)為過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)長(zhǎng)，存在過(guò)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(guò)早點(diǎn)火問(wèn)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(wèn)題更加嚴(yán)重。因此，槍式結(jié)構(gòu)的原子彈一般無(wú)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(guò)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(guò)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?xún)?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(lái)縣官?gòu)d水庫(kù)附近的工兵靶場(chǎng)（被稱(chēng)為“十七號(hào)工地”）開(kāi)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(wèn)題給原子彈當(dāng)量帶來(lái)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(guò)程導(dǎo)致的過(guò)早點(diǎn)火問(wèn)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(guò)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(wàn)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(jué)得裂變武器原理似乎是順理成章的，會(huì)議議題就沒(méi)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(kù)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(kù)倫排斥勢(shì)能?？紤]量子散射問(wèn)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）?？梢钥吹剑词挂怨腆w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(méi)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(lái)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(kāi)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(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)控制充氘氚材料的量來(lái)控制。

3.2 聚變裂變混合裝置（二）——?dú)鋸?/p>

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(kāi)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(kāi)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(méi)有臨界質(zhì)量的問(wèn)題。事實(shí)上，高能中子轟擊材料發(fā)生裂變類(lèi)似于一個(gè)散裂過(guò)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(guò)10MeV，遠(yuǎn)超過(guò)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(méi)有臨界質(zhì)量的問(wèn)題，所以裝料的提高沒(méi)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)”?！俺跫?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(wèn)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(chēng)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(guò)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(wú)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(guò)光電效應(yīng)將電子從原子的束縛態(tài)中電離出來(lái)，這些電離電子隨后通過(guò)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(guò)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(wèn)題就成為其中關(guān)鍵。自持燃燒過(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)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(guò)程，在后面的慣性約束聚變的核武器模擬過(guò)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(guò)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①。

至此，我們理解了氫彈的基本設(shè)計(jì)思想。根據(jù)公開(kāi)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(méi)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(lái)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(guò)反復(fù)計(jì)算提出利用輻射內(nèi)爆來(lái)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(guò)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(wèn)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。科學(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(méi)有意識(shí)到關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(guò)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(guò)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(kù)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)的非彈性散射過(guò)程，雖然初末態(tài)與彈性散射過(guò)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(guò)程，部分中子動(dòng)能接近25MeV[7]。以上這些信息都需要通過(guò)中子飛行時(shí)間譜的數(shù)據(jù)分析來(lái)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(méi)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(chē)輛等破壞較小，而高能中子穿透性高，可以殺傷建筑物和車(chē)輛中的人員。由于中子彈的“初級(jí)”當(dāng)量很小，也沒(méi)有“次級(jí)”中的裂變材料二次點(diǎn)火，因此這類(lèi)小當(dāng)量核武器無(wú)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?！俺跫?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(guò)程提出了挑戰(zhàn)，因此需要對(duì)輻射壓縮過(guò)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(lèi)武器也被稱(chēng)為輻射增強(qiáng)彈。

各國(guó)也開(kāi)發(fā)過(guò)以X射線為主要?dú)侄蔚暮宋淦鳎╔ 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(lèi)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(kāi)展真實(shí)的核武器爆炸實(shí)驗(yàn)。為了繼續(xù)維持核武庫(kù)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(guò)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(guò)燒蝕壓縮過(guò)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(guò)人類(lèi)有史以來(lái)進(jìn)行的全部算術(shù)操作的總和。由于開(kāi)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(guò)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(shū)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(wèn)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(kāi)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(zhuān)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(guò)程，否定了蘇聯(lián)專(zhuān)家教學(xué)中的數(shù)據(jù)，史稱(chēng)“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(guò)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(guò)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(wèn)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(kāi)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(wàn)安培量級(jí)的電流通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)靜態(tài)黑腔壁上的開(kāi)孔進(jìn)入靜態(tài)黑腔，在黑腔內(nèi)壁經(jīng)過(guò)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(kāi)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(lèi)似于前面提到的燒蝕壓縮過(guò)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(guò)程的不穩(wěn)定性而無(wú)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(kāi)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(kāi)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500TW，目前可以輸出2.05MJ的激光能量①。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(guò)入射激光能量②。我國(guó)位于四川省綿陽(yáng)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?！吧窆猗蟆奔す庋b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(yáng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(chēng)核反應(yīng)堆①。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(lái)自于生產(chǎn)堆。其中钚239來(lái)自于鈾238吸收中子后，經(jīng)過(guò)兩次β衰變，而氚來(lái)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(guò)釷232在反應(yīng)堆中生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆生產(chǎn)后，均需要通過(guò)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(guò)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②。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(lèi)。

中子與原子核反應(yīng)時(shí)不存在庫(kù)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σel 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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化模型中的有效中子數(shù)k 來(lái)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

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(guò)程的δH₂O ?76%，但是重水，碰撞是25次，δD₂O?99.8%，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(guò)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①，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(lèi)，反應(yīng)堆可以分為水冷、氣冷或者液態(tài)金屬冷卻等類(lèi)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(chēng)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(chēng)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O （10MPa）。雖然有較大的壓強(qiáng)，燃料與水傳熱過(guò)程不可避免的有氣化水的影響，這里的傳熱問(wèn)題本身就涉及了氣相和液相的水，被稱(chēng)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?？熘凶臃磻?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(lái)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(lèi)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(lái)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(lái)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?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(guò)程中，很容易離開(kāi)晶格，這種晶格位移帶來(lái)了更大的勢(shì)能。當(dāng)碳原子回到原來(lái)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(chēng)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(lái)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?，?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(guò)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(guò)程中，因?yàn)橛泻芨叩闹凶油?，?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(guò)程。這個(gè)積累過(guò)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(lái)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(guò)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(lèi)歷史上最大的核事故。

6 結(jié)語(yǔ)

1945年7月16日在美國(guó)新墨西哥州的沙漠中開(kāi)展了世界上第一次核試驗(yàn)Trinity試驗(yàn)，開(kāi)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(lèi)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(guò)化學(xué)炸彈百萬(wàn)倍，兩顆原子彈瞬間造成了兩個(gè)城市的毀滅和數(shù)十萬(wàn)人傷亡，但也促使日本軍國(guó)主義無(wú)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(lèi)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(kāi)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(lái)又陸續(xù)啟動(dòng)了核工業(yè)“五廠三礦”建設(shè)（五廠：衡陽(yáng)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(zhuān)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(zhuān)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(wàn)噸TNT當(dāng)量。1967年6月7日成功通過(guò)空投方式試驗(yàn)了一顆三百萬(wàn)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(zhuān)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(huà)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(qián)三強(qiáng)、程開(kāi)甲、彭桓武。