氢弹与热核聚变

氢弹与热核聚变

氢弹与热核聚变

915年，美国化学家哈金斯提出，氢原子聚变为氦原子的过程中，其质量的0．5%转变为能量。具体机制是，在数百万度高温的条件下，氢原子核——质子具有很高的能量，足以使它们彼此熔合在一起。这样，两个质子结合到一起，发射出一个正电子和一个中微子，变为一个氘核。然后，这个氘核再同一个质子熔合，形成为一个氚核。这个氚核可以再和一个质子熔合而形成氦—4，两个氘核也可以相互结合成一个氦—4。

哈金斯

但是，这种氢原子核聚变生成氦原子核的反应，必须在极高温度的激发下才能发生，也就是必须有足够的热能引起聚变链式反应，所以把这种反应叫做热核反应。

当时，在地球上还没有得到数百万度高温的办法。人们认为，只有一个地方存在着引发这种氢核聚变所必需的高温条件，这就是恒星的中心。

1938年，在美国工作的德国物理学家贝特提出，聚变反应是恒星辐射发光能量的源泉。在恒星中发生的第一种轻核聚变是氢一氦循环，第二种轻核聚变是碳一氮循环，两种循环本质上都是一样的，即质子变为氦核。贝特和克里菲尔德一起计算氢—氦循环和碳—氮循环，理论值与观测值符合。贝特指出，氢原子核聚变反应对温度很敏感，在一颗恒星中究竟是氢—氦循环还是碳—氮循环占主导地位，主要取决于这颗恒星内部的温度。

一般地说，在数百万度温度情况下，氢—氦循环占主要优势，例如太阳和不太亮的恒星中，就是这种循环的核聚变反应发光；在比较亮和比较大的恒星上，内部温度更高，达数千万度乃至数亿度，此时碳—氮循环是主要的。贝特提出的这一恒星发光理论，很好地解释了恒星发光原因，成为科学家普遍接受的一种理论。贝特因此项成果而荣获1967年诺贝尔物理学奖。

当时的科学家都希望获得像太阳发光那样的高温，以便实现轻核聚变而获得大量的能量。

1945年，原子弹爆炸成功，使人们寻找到产生数百万度高温的途径，使核聚变的引发变为可能的了。

具体说来，就是把铀核裂变原子弹作为能量足够大的雷管，通过原子弹爆炸产生的高温引发氢聚变为氦的链式反应。但是人们怀疑这种方式能否用于制造炸弹。首先是氢燃料氘和氚的混合物，必须压缩成高密度的状态，就是把它液化成液体，并保持在接近绝对零度的低温贮存器中。也就是说，氢弹必须是一个巨大的制冷器。还有一个问题，即使能够制造出威力比原子弹还大的氢弹，有什么用呢？已有的铀、钚重核裂变炸弹的破坏力已经够大了。

在美国，从1942年起，就产生了用原子弹引爆氢弹的设想，并打算制造威力更大的氢弹。由于支持研制氢弹和反对研制氢弹的意见长期激烈争论，一直相持不下，直到1950年1月31日，美国总统杜鲁门才最后决定研制氢弹。当时，他采纳了国家安全委员会氢弹特别小组委员会决定研制氢弹的报告。这个报告是长期争论和最后表决的结果，氢弹特别小组委员会在投票表决时，国务卿艾奇逊和国防部长史汀生赞成，美国原子能委员会主席季兼达尔反对，结果是2∶1通过。季兼达尔也因此不再担任原子能委员会主席，由狄恩接替他的职位。

杜鲁门

美国氢弹的研制工作由新上任的原子能委员会主席狄恩和美籍匈牙利科学家泰勒负责，狄恩负责组织管理和物资保障等工作，研制生产的技术工作由泰勒主管。美国为了研制氢弹，在萨湾拉河岸边建立了一个巨大的核反应堆，以生产氢燃料氚和引爆燃料钚，这个计划称为萨湾拉河计划。

1951年5月8日，氢弹原理试验准备工作一切就绪，这次试验的代号为“乔治”，在太平洋的一个岛上进行。65吨重的裂变—聚变装置放在60多米高的钢架上，由笨重的冷却系统机器包着，以便在极端低温条件下保存氘与氚的混合物成密度较大的液体状态。试验结果证明，氢弹的爆炸威力大大超过原子弹（核裂变炸弹）。

氢弹爆炸原理试验成功，大大推进了制造真正氢弹的工作。

1952年10月，美国第一颗氢弹研制成功，并于1952年11月1日进行了世界上第一颗氢弹的爆炸试验，这颗氢弹起名为“麦克”。试验在太平洋马绍尔群岛的一个小珊瑚岛上进行，氢弹还是安放在钢架上。试验成功了，而所有不祥的预言也都应验了：其爆炸威力相当于1000～1500万吨TNT炸药，比美国投在日本广岛那颗原子弹大500倍；爆炸产生的巨大火球直径达6000米；这次爆炸把这个小珊瑚岛一扫而光，而且在海下炸出一个直径1600米，深50米的弹坑。

前苏联也不甘落后，1953年8月12日，成功地进行了热核爆炸，这颗氢弹重量不大，可以用飞机运载，其战略意义是相当大的。前苏联首先用氘化锂等轻核燃料做成干的氢弹（不再需庞大的制冷机械保持氘和氚为液态），这在美苏核武器竞赛中，显然处于优势地位。

1961年10月30日，前苏联在新地岛进行了世界上最大的氢弹试验，其爆炸威力相当于6000万吨TNT炸药。这颗氢弹爆炸后，产生的冲击波绕地球转了3圈，头一圈的时间是6．5小时。

在这次试验之后，前苏联声称已经能够生产1亿吨级的氢弹，用这样一颗氢弹投到哪里，哪里都能够炸出一个直径30公里的弹坑，使方圆60公里之内顿时形成一片火海。胆小的人听了这些话恐怕会吓坏了。

中国自1964年10月16日爆炸第一颗原子弹成功以后，氢弹研制工作也加快了，1967年6月17日，成功地爆炸了第一颗氢弹，巨大的蘑菇云又一次冲消了美苏两国核垄断的幻梦。

难道热核反应放出如此巨大的能量，只能用来制造毁灭性的武器吗？可不可以用于和平目的呢？

蘑菇云

这个问题很简单，但是解决起来并非容易。氢弹爆炸所发生的聚变反应是由原子弹爆炸产生高温引起的，是不受控制的链式反应。要想用在其他场合，就必须使氢原子核的聚变反应受适当的控制，这是使科学家们感到很棘手的问题。

早在50年代初研制氢弹的同时，许多国家的科学家就着手研究受控热核反应。要想使氢发生核聚变，必须使核与电子分开，形成等离子体。但是，由于当时对产生聚变反应的高温等离子体认识的不深入，使受控热核聚变研究遇到很大的阻力，甚至一度认为是不可克服的困难。因此，到50年代末期，受控热核反应研究相对来说比较消沉，主要是寻找基本理论根据和物理实验研究工作。

经过10余年的努力，科学家们在约束时间的研究工作中有了不小的进展。1969年，前苏联使用托卡马克三号（环流器）装置，把密度只有空气百万分之一的氘在几千万度的高温下保持了0．01秒。别看这个时间很短，但对核聚变反应来说，已经是相当长了。

里加市政厅广场

目前，受控热核聚变的研究正沿着磁约束和惯性约束两条途径进行，而且都取得了可喜的成果。1972年，美国科学家尼柯尔斯和华德等，提出激光聚爆的具体方案；1978年，美国普林斯顿大学等离子体物理实验室的大型环流器，用注入高能中性粒子束的方法加热等离子体，大大提高了等离子体的温度，这使很多研究者受到极大的鼓舞，说明受控热核聚变点火温度已不再是可望不可及的了。然而要完全实现聚变核反应释放出能量的实际应用，还有大量的具体工作。

劳动永远是人类生活的基础，是创造人类文化幸福的基础。

——恩格斯