【能源史話05】核彈：“現(xiàn)在我成為死亡，世界之毀滅者”

前面一集我們提到，“弗里施-佩爾斯備忘錄”雖然有計算錯誤，但這份備忘錄讓英國、美國、加拿大的科學(xué)家認(rèn)為，原子彈是有價值的，但真要造一顆能夠投入實(shí)戰(zhàn)的原子彈，絕對是一項大工程。

雖然不至于傾全國之力，但美國制造核彈的曼哈頓計劃，總共花費(fèi)了20億美元（大概相當(dāng)于2020年的230億美元）[1]。但這么大的工程，最早的啟動資金，只有6000塊。

核彈爆炸（圖片來源Wikipedia）

給你6000塊，去造原子彈吧

整個曼哈頓計劃的啟動，和我們前一集提到過的科學(xué)家利奧·西拉德息息相關(guān)。

這個西拉德可以說是一位天才科學(xué)家，不僅提出了原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的概念。他的博士論文受到了愛因斯坦的贊譽(yù)，后來也跟愛因斯坦一起合作開發(fā)了愛因斯坦-西拉德冰箱（這種制冷器沒有在商業(yè)冰箱上推廣開來，但是后來在核反應(yīng)堆中發(fā)揮過作用）。

羅斯?？偨y(tǒng)對愛因斯坦-西拉德信的回信（圖片來源：Wikipedia）

1939年，在得知核裂變被證實(shí)之后不久，西拉德就給當(dāng)時的美國總統(tǒng)羅斯福寫了一封信，敦促他要趕在德國造出核武器之前趕緊研發(fā)出核武器。

在西拉德看來，發(fā)現(xiàn)核裂變的科學(xué)家是德國人，他們很可能已經(jīng)贏在起跑線上了，而如果納粹德國擁有了核武器，對整個世界來說將是一場災(zāi)難。

西拉德?lián)淖约赫f這些話分量不夠，專程找了愛因斯坦，讓他在信的結(jié)尾簽名，這封信被稱作“愛因斯坦-西拉德信”，有了愛因斯坦的加持，信被成功地送到了羅斯?？偨y(tǒng)手中。并且羅斯福真的考慮了這件事情，請陸軍、海軍的專家來分析制造核武器這事。

但當(dāng)時，軍方并不看好核武器的前景，于是大筆一揮，撥款6000美元，作為核武器研究經(jīng)費(fèi)[2]。

6000美元當(dāng)然造不了原子彈了，甚至連買原材料的錢都不夠。但這事，可以算得上是整個曼哈頓計劃的前身了。

曼哈頓工程區(qū)臂章（圖片來源：Wikipedia）

但1941年，情況變了。日本偷襲珍珠港事件，讓二戰(zhàn)的戰(zhàn)火燒到了美國自己頭上，美國坐不住了。

1942年1月19日，羅斯福正式批準(zhǔn)原子彈項目[2]。9月17日，美國軍方的威廉·施泰爾少將和格拉夫斯上校正式接管曼哈頓計劃。9月26日，曼哈頓計劃獲得了美國戰(zhàn)爭生產(chǎn)委員會的最高戰(zhàn)時優(yōu)先級權(quán)限[3]。

第一個核反應(yīng)堆誕生

現(xiàn)在，核武器一定要造，但我們在前一集提到過，當(dāng)時人們對鈾的性質(zhì)并不十分了解，“弗里施-佩爾斯備忘錄”預(yù)測鈾的臨界質(zhì)量也并不準(zhǔn)確。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是不是可行？到底需要多少鈾才能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)？鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能不能維持下去？這些，都需要做實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。

但人們不會一上來就傾盡全力制造一枚核彈做實(shí)驗(yàn)，首先，需要制造一個小型核反應(yīng)堆。完成這項任務(wù)的，就是費(fèi)米和西拉德，他們建造了人類歷史上第一個能夠自維持的核反應(yīng)堆——芝加哥一號堆。

這個核反應(yīng)堆就建在芝加哥大學(xué)校園的足球場看臺下，當(dāng)時很多人都認(rèn)為，在人口稠密的大學(xué)里建核反應(yīng)堆太危險了，萬一失控怎么辦？

芝加哥一號堆（圖片來源：Wikipedia）

但當(dāng)時負(fù)責(zé)項目的費(fèi)米非常自信，認(rèn)為這個核反應(yīng)堆就是“一堆粗糙的黑磚和木頭”[4]，不會有任何危險。相比于現(xiàn)代核反應(yīng)堆全面的輻射防護(hù)、精密的冷卻系統(tǒng)和內(nèi)部控制系統(tǒng)，芝加哥一號堆，確實(shí)像是“一堆粗糙的黑磚和木頭”。

且不說反應(yīng)堆外面幾乎就沒有什么輻射吸收裝置，就連最重要的安全裝置也非常原始。

用來終止反應(yīng)的是一根特別加重的石磨棒，它被一個能檢測中子活性水平的裝置吊在核反應(yīng)堆上方，一旦中子活性水平超過了閾值，這根石磨棒就會釋放出來，掉進(jìn)反應(yīng)堆里。

但如果這個安全裝置失效了，費(fèi)米他們還有另一道防線——手持斧頭的副指揮官。一旦情況不妙，他會一斧頭砍斷鐵鏈，讓石磨棒掉進(jìn)去。

如果這還不起作用，還有安全小隊捧著3桶硫酸鎘，一旦反應(yīng)失控，就把硫酸鎘潑進(jìn)去[5]。在這樣“萬無一失”的安全保障下，1942年12月2日，實(shí)驗(yàn)正式開始。

第一次反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得并不順利，在抽出最后一根控制棒的過程中，中子活性水平超過了閾值，安全控制棒啟動了（不過這就意味著他們不需要動用斧頭或者是硫酸鎘了），核反應(yīng)終止。

第二次核試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得很順利，這一次，最后一根控制棒取出，反應(yīng)堆達(dá)到了自我維持狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，核反應(yīng)堆運(yùn)行了28分鐘。之后警報響起，中子超過了安全閾值，實(shí)驗(yàn)終止。

雖然只有短短28分鐘，但這是人類歷史上第一個可自我維持的核反應(yīng)堆。人類從此進(jìn)入了原子能時代。

十天后，人們又進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，這次芝加哥一號堆的反應(yīng)功率達(dá)到了200瓦，可以驅(qū)動一枚當(dāng)時的電燈泡了。但核能作為一種能源造福人類之前，他還有另一項任務(wù)要完成。

曼哈頓計劃中的漢福德反應(yīng)堆（圖片來源：Wikipedia）

濃縮鈾

芝加哥一號堆的成功證明核反應(yīng)堆是可行的。接下來，人們需要攻克濃縮鈾（讓鈾-235的濃度升高）的任務(wù)了。

濃縮鈾也不是一件容易的事情。為了濃縮出武器級的鈾-235，曼哈頓計劃新建了好幾座工廠，聯(lián)合采用電磁分離法、氣體擴(kuò)散法、熱擴(kuò)散法，硬是把鈾-235的純度提高到了89%，這個濃度，已經(jīng)可以用來做核武器了[2]。

小男孩原子彈（圖片來源：Wikipedia）

需要說明一下，這批89%純度的鈾全部用在了小男孩原子彈里。胖子原子彈和“小工具”原子彈是“钚”彈（钚更容易引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，臨界質(zhì)量更?。?。

在這個過程中，有一件有趣的事情。在這幾種濃縮方法里，電磁分離法是需要用到回旋加速器的，最開始在制造回旋加速器的時候需要用到5000噸銅。

當(dāng)時正處于二戰(zhàn)時期，銅作為戰(zhàn)略物資非常緊缺，即便曼哈頓工程擁有“最高優(yōu)先級”，5000噸銅也是絕對沒有的。

但回旋加速器必須造，于是，回旋加速器項目的負(fù)責(zé)人就去找財政部副部長要白銀，白銀可以替代銅作為回旋加速器的材料。

于是，美國的連財政部副部長聽到了一個前所未有的請求“我們需要6000噸白銀”。在當(dāng)時，白銀可是以盎司來記的，6000噸白銀絕對是“前所未有”的要求，但“最高優(yōu)先級”還是發(fā)揮了作用。

后來，在整個曼哈頓計劃里，一共用掉了上萬噸白銀。不過這些白銀都是暫時借用的，在曼哈頓計劃結(jié)束后，白銀又被收回。

至此，核反應(yīng)堆已經(jīng)驗(yàn)證成功，原材料已經(jīng)準(zhǔn)備妥當(dāng)。接下來，原子彈就該出場了。

胖子原子彈（圖片來源：Wikipedia）

世界的毀滅者

絕大部分人都聽說過“小男孩”和“胖子”原子彈，它們是最早投入實(shí)戰(zhàn)，也是唯二投入實(shí)戰(zhàn)的兩枚核彈。但在此之前，還有一枚用來做實(shí)驗(yàn)的“小工具”原子彈。

“小工具”是一枚钚彈，核心是一顆6.19公斤的钚-鎵合金鍍銀半球[6]。在引爆它之前，科學(xué)家還賭了一把它的爆炸當(dāng)量（爆炸威力相當(dāng)于多重的TNT炸藥），最高的可下注選項是18公斤TNT當(dāng)量，押18公斤TNT當(dāng)量的科學(xué)家是因?yàn)檫t到了，不得不選。

結(jié)果，小工具爆炸，產(chǎn)生的蘑菇云沖上了12000米的高空。經(jīng)過推算，當(dāng)時的爆炸威力是2萬噸TNT當(dāng)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了科學(xué)家們打賭的當(dāng)量。

“小工具”原子彈爆炸場景（圖片來源：Wikipedia）

奧本海默后來回憶道，當(dāng)時爆炸的場景讓他想到了《博伽梵歌》中的一段經(jīng)文：“如果一千個太陽的光芒一下子沖上天空，那將是強(qiáng)大的光輝......”[7]

但他后來回憶起的一句經(jīng)文，更符合這次試驗(yàn)的結(jié)果“現(xiàn)在我成為死亡，世界之毀滅者”。

而根據(jù)這次試驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們也確定了“小男孩”原子彈和“胖子”原子彈的最佳爆炸高度，確保它們能造成最大限度的殺傷。

1945年8月，“小男孩”和“胖子”兩顆原子彈發(fā)揮了巨大的威力，證明了它們的軍事價值，僅僅兩枚核彈，當(dāng)場就造成了十萬多人的死亡，后續(xù)受到核輻射死亡的人數(shù)更是不計其數(shù)。

全世界都看到了核武器的可怕威力，但人們并沒有收手，威力更大的原子彈、氫彈輪番登上試驗(yàn)場，但幸好，這樣的武器再也沒有投入過使用，否則，它將成為名副其實(shí)的世界毀滅者。

當(dāng)然，科學(xué)家們不甘于讓核能僅僅作為世界毀滅者存在，他們希望能夠馴服核能這股強(qiáng)大的力量來造福人類，而這一條路，并沒有那么平坦。

參考文獻(xiàn)：

[1] Johnston, Louis; Williamson, Samuel H. (2022). "What Was the U.S. GDP Then?". MeasuringWorth.

[2] Hewlett, Richard G.; Anderson, Oscar E. (1962). The New World, 1939–1946 (PDF). University Park: Pennsylvania State University Press. ISBN 0-520-07186-7.

[3] Jones, Vincent. Manhattan: The Army and the Atomic Bomb. Washington, D.C.: United States Army Center of Military History. 1985.

[4] Fermi, Enrico (December 1982). "Fermi's Own Story". The First Reactor (PDF). Oak Ridge, Tennessee: United States Atomic Energy Commission, Division of Technical Information. pp. 22–26

[5] 吉諾·塞格雷，恩里科·費(fèi)米傳，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2019，P190

[6] Hawkins, David; Truslow, Edith C.; Smith, Ralph Carlisle (1961). Manhattan District history, Project Y, the Los Alamos story. Los Angeles: Tomash Publishers.p256-p257

[7] Jungk, Robert (1958). Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists. New York: Harcourt Brace. p201

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