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日志

 
 

中国核武器的六次重大突破   

2016-02-01 18:12:23|  分类: 核武器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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根据公开报道,在全面核禁试以前,我国核武器的发展共有六次重大突破。

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于敏——中国氢弹之父》,原载《南方周末》1999年国庆特刊

经过多方申请,9月22日,《南方周末》记者终于采访到于敏。此前在9月7日,《纽约时报》以3个版面的巨幅,刊出中国是凭本事还是靠间谍来突破核武发展的特稿(《间谍vs汗水:有关中国核进展的辩论》),我们的采访便从这篇报道开始。
于敏指着报道中的一句话“不用进行间谍活动,北京可能已经自力更生实现了自己弹头的小型化”对记者说:“这句话说对了,重要的字是‘自力更生’,我国在核武器研制方面一开始定的方针就是‘自力更生、艰苦奋斗’。” 他话锋一转:“但我们不是‘可能’,而是‘已经’实现了小型化。”
他说:“我国的核武器是靠自己的力量持续不断发展的,一共有6次重大突破。”
首先的两次突破举世震惊。1964年10月16日,中国成功地进行了原子弹试验,1966年12月28日又成功地进行了氢弹原理试验。
于敏透露:“氢弹突破以后,我国就开展了中子弹和‘小型化’的研制工作,‘文革’结束后加快了进度,又有4次重大突破,一次是在七八十年代突破了中子弹,另外3次是掌握了高比威力、小型化核武器的设计技术,其中包含很多环节,最后成功是在八九十年代。
他说:“经过这4次重大突破,当前我国核武器的设计水平与国际水平处于同一档次。”
问及成功突破的标志,于敏说:“就是可以做成武器。”他笑了,“武器是硬邦邦的,真能实战、应用啊。”

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中国核武器的第一次和第二次重大突破分别是原子弹和氢弹,后4次重大突破具体是什么呢?笔者根据公开报道推测如下。

第三次重大突破:气态助爆初级

助爆型原子弹(boosted atomic bomb): 在裂变材料芯的中央空腔内注入少量氘氚气体,利用氘氚聚变反应放出的大量中子大大增加裂变,从而提高裂变装料利用率和增大威力的一种内爆法原子弹。这种武器的原理是先用炸药内爆使裂变系统达到超临界,由核点火部件(外中子源系统)放出中子引发链式裂变反应,利用裂变反应放出的能量使内爆压缩后的氘氚气体达到高温高密度,发生聚变反应放出大量高能中子,利用高能中子在裂变材料中的快速增殖大大增加裂变数,从而提高了裂变装料的利用率,增加了裂变威力。这种武器的反应过程经历裂变聚变—裂变三个阶段。由于这种设计可以用低的裂变威力引发聚变反应,因此可减少炸药用量、缩小武器体积,对武器小型化有重要意义。同时它可以通过改变氘氚气体注入量来调节威力。因此,先进热核武器的初级也都用助爆型设计。但助爆也给核武器的设计与维护带来了许多困难。助爆型原子弹或氢弹初级都必须有外中子源系统等。充氘氚气体的薄壳状裂变材料层在内爆过程中会发生界面不稳定、轻重材料混合等复杂的流体力学现象。钢、铀、钚等材料在与氢及其同位素接触时容易发生氢致脆性。应用助爆设计的结果,使得先进的热核武器都离不开用氚。氚是贵重核材料,必须在核反应堆中生产,同时氚又是不稳定同位素,半衰期只有12.3 a,供应的氚几年就要更新。库存核武器中问题出得最多的和禁核试后最担心出问题的都是助爆初级。(《国防科技名词大典  核能》,航空工业出版社,2002年版,第490页)

于敏在核武器小型化突破中,领导突破了气态引爆弹(初级)原理和高比威力次级原理。作为小型化关键的气态引爆弹主要负责人,主持研究并解决了裂变材料的压紧、中子注入及其增殖规律、氘氚点火燃烧规律、轻重介质混合对聚变的影响、高能中子裂变反馈规律等一系列关键问题,提出了加大两个关键环节设计裕量的具体措施。气态引爆弹的研制成功,为我国第二代核武器的研制奠定了可靠基础。作为第二完成人的“气态引爆弹装置的突破”工作,荣获1987年度国家科学技术进步奖特等奖。


第四次重大突破中子弹

突破了原子弹、氢弹以后,我们的地下核试验也做了,我们的核武器的主要类型中还缺了一个,中子弹。美国人在1977年公布有了中子弹。什么叫做中子弹?顾名思义,它是用中子来杀伤敌人的。大家知道,原子弹里面含有裂变物质。氢弹里面有氘化锂聚变材料,但是它也有很多裂变材料,有很大的放射性。爆炸以后,冲击波和蘑菇云会把裂变碎片和未裂变的放射性物质散布到很大的一块面积上,一个大当量氢弹可能影响周围一百多平方公里面积。所以如果一个氢弹扔到一个大城市内,这个城市就毁掉了;即便不发生核爆炸,炸药爆炸也会使那些放射性裂变物质洒到满城,足以使人类没有办法在这里生活。中子弹跟它不一样,中子弹是尽量减少冲击波,就是说所用的裂变的材料尽量减少,所以扳机当量小。而且中子弹总当量也不能大,一大的话,又变成大面积放射性裂变物质污染,又是放射性破坏了。原则上中子弹要把放射性控制在小的范围内,中子的破坏半径比放射性的破坏半径大,两者破坏面积比大概是十比一。通常大家认为中子弹的破坏半径约800米,也就是800米以内强中子流(800米处约8000拉特—中子剂量)作用到敌人后,尽管当时还死不了,但是可能在短时间内就失去知觉或完全瘫痪了,这样攻方战士就可以无抵抗地进入敌人阵地。放射性破坏可能在300米半径以内,所以面积比是大于7倍以上,因为面积是半径的平方关系。
中子弹原理的突破也标志我们核武器技术水平的一大提高。中子弹是一种特殊型的氢弹,不是通常的氢弹小型化,是另外一种类型核武器,它有自己的作用原理。所以这样又碰到一个难关,怎么去突破中子弹原理?当然仍然只能是自力更生,依靠中国人的智慧。那个时候研究所内有一个室投入到中子弹的突破研究。当时有一种看法认为可用通常氢弹的理论研究中子弹。我负责一个组十几人进行原理探索和一维设计,我们仔细分析和研究后认为中子弹有其特殊性,不能因循旧框框,应按新的思维进行研究。
核武器的作用关键是要解决点火和自持燃烧两个问题。这必须研究清楚能源与能耗竞争问题,即外界做功或核能释放不断加热燃料和能量耗散系统冷却(包括系统对外做功和辐射流失)之间的竞争或消长关系。如果能量流失得太厉害,也就是“消”占优势,就不断冷却,点不起火来;如果刚好达到某一个层次,两者平衡的时候,就达到点火点;如果“长”超过“消”,热核燃烧就自持地进行,直到燃耗加深,“消”又超过了“长”,最后系统释放大量核能后,发生崩溃。如果把这两个问题在不同状态下研究得很清楚,就能抓住中子弹“牛鼻子”。中子弹像原子弹、氢弹一样是一个复杂系统,不过这一复杂系统有它自己的特殊性。研究这样复杂系统中“长”与“消”特殊竞争关系,首先需要把影响中子弹系统的各种因素分解开来,并研究清楚它们的物理规律,其中总有几个因素起主要的作用,需要抓住这几个主要矛盾,清楚了解它的作用规律,然后再搞清楚这些因素(或过程)的相互作用关系,进行总体集成,就能抓住中子弹的总体物理规律。我们分解研究了几十个到成百个因素,研究了各种过程互相竞争的关系,终于抓住了几个关键的过程,抓住了主要矛盾。(贺贤土:《参加核武器研制的经历与体会》

  他十分重视基础研究,物理思想活跃,提出了很多不同近似下的物理模型,并推导了多种方程,进行近似解析分析和数值计算。领导他的小组分解研究了中子弹系统大量矛盾竞争关系,组织大家进行复杂的物理因素分解研究。在大量因素中排除了众多次要因素,最后终于发现了相互制约的关键几个因素,抓到了主要矛盾,获得了清晰的物理图像,从而获得了解决这几个矛盾的办法,发现了一条新的点火和自持燃烧途径。1980年,贺贤土在他晋升副研究员的报告中基本上阐明了中子弹有关的物理原理和主要结论;随着研究的深入,他又与全组同志一起完成了大量研究工作。
  然而这还是第一步。接下来,还要进行更为具体精确的总体集成计算和总体设计。他推导出了包含各种物理过程的中子弹反应过程总体方程,给出了物理方案,并组织数学组同志编成总体程序,组织全组进行总体计算和分析。通过百万次计算机上大量数值模拟和计算结果分析,进一步证实他们的探索的新路子是正确的,从而理论设计了中子弹。
  但在当时,少数同志仍不相信贺贤土组研究得出的结论。但他坚信自己大量研究的结果在科学上是靠得住的,并在最后的设计中始终坚持了自己的思想。终于在1984年12月的核试验中证明了贺贤土他们研究出的原理是正确的,他十分高兴。(中科院院士贺贤土的故事

从1977年8月开始,于敏领导核武器理论研究所开始了对中子弹的探索。中子弹,又称增强辐射武器,属于特殊性能氢弹,是一种以中子杀伤效应为主的战术核武器。在没有任何资料的情况下,于敏根据报纸中披露的“中子的杀伤比冲击波的热辐射要厉害得多”以及800 m距离等零星的信息,提炼出两个至关重要的问题,并循着这个思路提出了中子弹设计的两个指标:一个是剂量指标,一个是当量指标。据此,他敲定了中子弹的研究思路,即威力尽量小,以减少冲击波的破坏半径,而单位威力具有高穿透力的中子数必须要尽量大。进一步地,于敏明确提出了中子弹设计指标。经国防科工委批准,于敏所提出的中子弹设计指标被正式下达并启动研究。
1978年秋天,于敏在第一次中子弹技术讨论会上,做了全面系统的总结,明确了中子弹探索的主攻方向和初步设计目标,指出了某些关键技术问题和难点;确定了中子弹设计的基本技术途径;提出了解决某一关键难点的可能途径等等。基于对设计关键点的认识,为确保中子弹试验的成功,于敏提出了“三锤定音计划”。在他的亲自指挥下,中子弹试验于1988年获得圆满成功。这标志着中国成功突破了技术先进的中子弹。于敏先生的学术生涯与杰出贡献》)

于敏在中子弹突破中,作为主要领导人和参加者,提出了中子弹的设计指标,明确了中子弹探索的主攻方向,指出了某些关键技术问题和难点,研究了热核反应中等离子体过程,分析了中子弹的反应规律并归纳为三个阶段,提出了判断聚变点火裕量的主要判据和提高裕量的措施。作为第一完成人的“中子弹装置的突破”工作,荣获1989年度国家科学技术进步奖特等奖。(注:原文误写为1988年)

第五次
重大突破:高比威力次级

“次级”小型化主要解决比威力与重量尺寸的权衡问题。“次级”由裂变材料和聚变材料组合而成。是氢弹的重要放能部分。由于裂变材料(铀或钚)与聚变材料(氘化锂)的密度相差悬殊,同体积的铀或钚比氘化锂约重24倍。聚变燃料的完全燃烧放能约为同样重量裂变燃料的3倍。可见要减小体积就只有多用裂变材料(相应地增大裂变份额的威力);要减轻重量就少用裂变材料(相应地增大了聚变份额的威力)。因此“次级”小型化设计,要根据弹头的尺寸、重量要求加以权衡,尽可能满足提高比威力的要求。(钱绍钧主编,《核武器装备》,原子能出版社,2003年版,第42页)

于敏在核武器小型化突破中,领导突破了气态引爆弹(初级)原理和高比威力次级原理

从1970年春到1984年冬,
彭先觉一直担任氢弹次级理论研究设计组组长。在此期间,该组研究设计了多个重要型号,探索了第二代小型化氢弹的技术途径和一些特殊性能氢弹的概念,并对第一代氢弹进行了认真的总结。1985年初他升任氢弹次级研究室主任,1987年任研究所副总工程师,1991年任研究所副所长,1995年任核武器研究院(中物院)副总工程师。在此期间主要从事的工作是:第二代核武器的研制,核试验规划以及核试验的实施。
在第二代核武器研制方面,提出了一种新的技术,通过巧妙的结构安排和理论设计,在基本不增加费用的情况下,较大幅度地提高了比威力。此项技术得到了广泛应用。提出了正确的设计技术路线,经理论计算和核试验证明,该技术路线使比威力大幅度提高。

1968年,
彭先觉院士开始参与核武器型号的物理设计,从1969年开始担任氢弹次级(也称氢弹主体,是氢弹爆炸威力和杀伤破坏效应的主要来源)设计组组长,并长达16年之久。该组在部、室领导的指导和支持下,在其他兄弟组的帮助下,勇于探索,成功地设计了几个重要型号和试验装置的次级,技术上有重要创新和进步,而许多重要的设计思想是由他提出的。氢弹原理试验成功后,在如何提高次级的比威力,如何大幅度减少贵重核材料用量等方面做出了有重要价值的工作。该组在顺利完成第一代核武器几个型号次级的设计后,迅速转入了对核武器技术进一步发展的思考。然而事情并非一帆风顺,1972年在一次由该组负责设计的科学试验遭受了挫折。试验部分失败的原因是设计中使用了太多的新技术,且对其难度估计不足。但试验提供的许多数据,也说明这些技术是可用的。后来把这些技术分别用在不同的次级设计中,都取得很好的效果。通过探索研究,在1974年底初步形成了氢弹次级小型化和高比威力的技术路线。开始时这条技术路线并未被大家所接受,也未引起领导的高度重视,直到20世纪80年代初才在其他路线无望的情况下被最终确认。后来的试验证明,正是这条技术路线,使我国氢弹次级设计达到了世界先进水平。

第六次重大突破:非球形初级

通过把核引信的钚燃料制成大致与西瓜一般大小的卵形,就能大大缩小引发核爆炸的炸药的体积和数量。
中国最终于1992年9月25日成功地爆炸了一颗小型化核弹。这天爆炸的核弹是小型化的,具有一个特殊卵形的中心部分。这表明,中国已开始掌握制造现代弹头的技术。
美国官员透露,从1992年至1996年,中国利用其新的核引信引爆了各种氢弹,包括一种在某些方面与W-88类似的氢弹。(《间谍vs汗水:有关中国核进展的辩论》)

胡思得长期从事核武器理论研究设计,在物态方程、内爆动力学和核武器物理设计等方面做了开创性研究工作;曾担任多个核武器型号的理论设计负责人,提出了核试验中新的物理诊断项目,创造性地解决了一系列关键技术问题;参与制定科技发展战略和组织研究领导核试验的实施,参与领导核军备控制研究,为中国核武器事业的发展作出了重要贡献。1985-1993年获国家科技进步奖一等奖4项、二等奖1项和部委级科技进步奖一、二等奖多项,1995年获国家科技进步奖特等奖

朱建士参与第二代核武器初级研制,使我国核武器的物理设计接近国际先进水平。

80年代后期,建士担任研究所的副总师,负责一种新构型“初级”的理论设计,此时我先在所里后在院里主管这项研究。那时国际上禁核试的风声愈来愈紧,我们决心要抢在禁核试到来之前拿到这一成果,全院上下都争分夺秒、日以继夜地工作。在这一阶段我们俩人的合作更加紧密。我不仅要求他把好理论设计关,而且还经常请他一起设计和分析实验结果。我们常在一起商议,两人在许多重大问题上的看法都非常一致,一拍即合。这就大大有助于各级领导及时果断地作出判断和决策。在大家的努力下,这个新构型“初级”经受了多次核试验的考核,结果都比较理想。这一阶段,建士几乎参加了每一次爆轰实验和核试验,为这一成果的获得注入了极大的心血。新构型“初级”的研究成功,为我国自卫核威慑能力的有效性增添了新的活力。这一科研成果获得国家科技进步奖特等奖,建士作为主要完成人和他杰出的贡献,理所当然地名列前茅。
半个世纪以来,核武器事业把我和建士紧密地联系在一起,彼此建立了深厚的友谊。我们一起度过了许多艰苦的奋斗历程,也一起共享过成功的喜悦和荣誉。我们俩一起向稼先报到,一起动手刻蜡纸、印讲义,一起去221厂,一起提任副研究员、研究员,一起荣获国家科技进步特等奖,一起当选为中国工程院院士。(《痛失挚友朱建士——胡思得》)
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