看到一篇读核科学家De Geer写的书的读书笔记，觉得很有意思。 主要是分析各国热核武器开发的一些细节，推断各国就热核武器开发所进行 的“抄袭” 分两部分，第一部分就是讲各国氢弹的发展的一些公开资料和辐射尘的分析。 因为冷战期间瑞典建设了一个高水平的核物理实验室，并大肆收集各国的 核试验辐射尘，所以de Geer掌握了不少详实的数据。 但在C中瑞典在收集到中国那次热核试验后计算认为误差较大，实际是因为 中国的那次核试验试验的是三相弹，初级与次级之间还可能存在一个屏蔽层， De Geer计算出的PU不可能全来自扳机。 但这不影响本部分的结论：即收集辐射尘可以推算出热核武器的T-U构型，美国 率先进行热核试验加速了热核武器在全球的扩散。所以各国之后都不再进行 大气核试验，因为一旦被收集到辐射尘，核试验的很多参数会一览无遗。 下文作者是：JK-SETI@9ifly ------------------------------------- 本文结构： A美国氢弹大跃进，专家说成功属于偶然（历史内容） B氢弹秘密的全球扩散：分析辐射尘的作用（问答形式） C以中国1976年11月17日热核试验为例：中子突防的新资料？ ------------------------------------- A： 1946年4月：爱德华·泰勒在洛斯阿拉莫斯实验室主持会议，回顾二战期间关于热核 武器的理论研究工作成果。形成了超级炸弹的经典构形。 1948年：捷克斯洛伐克被赤化。 1948年：第一次柏林危机。 1949年8月29日：苏联成功试爆第一颗原子弹。 1949年10月：新中国成立。 1949年10月：美国原子能委员会下属的总顾问委员会召开会议，会议报告中委员们 一致反对建造超级炸弹。 1950年1月：克劳斯·福克斯(Klaus Fuchs)在伦敦承认曾向苏联透露核武器情报。 1950年1月：杜鲁门总统下令继续开发“超级炸弹”。 1950年3月：杜鲁门总统下令全速研制“超级炸弹”。 1950年3月至年底，超级炸弹的经典构形被证实无法使用。 经典“超级炸弹”的构形就是用一颗大当量原子弹点燃液态氘（装在一个圆柱形 容器里），然后以热能的形式把能量传递给剩下的氘。 但是原子弹制造的高温无法点燃氘-氘聚变，所以加入了氚。斯坦尼斯垃夫·乌拉姆 在1950年计算得出氚用量必须要十分大，极大地降低了超级炸弹的经济性。（能制造 1千克氚的反应堆可以用等量的中子生产70千克的Pu）即使点燃过程能够实现，由于 氘核聚变的反应截面太小，能量无法有效传递至冷区以产生链式聚变反应；产生的能量 将小于逃逸的能量(据De Geer描述，即使是瑞典的科学家也很快就发现，不压缩热核材料 的情况下，由于轫致辐射而散失的能量太大)。 1951年3月： 泰勒和乌拉姆写成《On Heterocatalytic Detonations I》，提出“流体力学透镜和辐射镜” 的概念；泰勒-乌拉姆构形诞生：初级爆轰产生的冲击波和辐射能都可以用来压缩次级 中的热核燃料，提高了能量的效率，不再需要大量的氚。（乌拉姆先想出用裂变弹产生 的冲击波来压缩，后来他去找泰勒讨论这个方案，后者想出可以用辐射来压缩） 1951年5月8日：美国进行了世界上第一次热核聚变核试验，代号George。 因为科学家对用大当量原子弹点燃极少量氘-氚混合物的可行性没有任何疑问（“如同用 炼铁高炉去点燃一根火柴”），George试验的宣传色彩比其实用性强很多。当时共考虑了 3种辐射传能机制，George试验最后选中的那种——很幸运地——对发展泰勒-乌拉姆构形 起了很大的作用。 George是一次热核物理学试验，使用的是一个纯实验性的装置设计方案，并不适合于 武器应用。试验装置叫“圆筒（Cylinder）”，由一个浓缩铀核心组件组成；该核心组件 将会用一个特殊的圆柱型内爆系统来进行内爆压缩。“圆筒”可能是第一个使用外部点火 装置来引发裂变链式反应的试验装置，它也可能是基于物理学家George Gamow的一个设计 方案来开发的。 “圆筒”是一个宽8英尺（2.4米）、厚2英尺（0.6米）的碟状装置，中心穿有一孔。 内爆将把这个孔压缩成一个管道，管道则把热辐射引导至一个装有液态氘-氚混合物的 氧化铍小室里。那百分之几的氚可以降低点火温度。热辐射不仅将小室内的热核燃料加热 至聚变温度，还在氧化铍外壁上产生压力，向内挤压氘-氚混合物，加速了燃烧的过程。 热辐射将在冲击波前锋之前到达氧化铍小室，使聚变反应可以在裂变火球膨胀吞噬整个 装置前发生。与裂变反应相比，聚变反应产生的当量小得可以忽视。 通过测量聚变等离子火球发出的热X射线，可以对聚变反应的燃烧过程进行观测。 这就需要把来自裂变弹的热X射线和伽马射线给屏蔽掉，仪器还要离爆炸足够远，以便在 聚变反应进行时测量并传授数据。这部分试验装置是由Hugh Bradner与Hebert York设计的。 通过记录安放在铁塔基部的一组K边过滤器发出的荧光，可以对聚变反应进行测量。小室 里射出的X射线将通过真空的管道到达记录仪器，这些真空管道重235吨，被置于直径4英尺 （1.2米）的铅管中，不受过量X射线和伽马射线的影响。整套诊断仪器设备重283吨。 其他的诊断仪器使用了有遮挡的成像板来探测高能聚变中子，方法是观察“质子条纹” ，这些条纹是中子碰撞把质子弹出后在成像板上产生的。 试验装置的热核反应部分大部分是泰勒设计的，但是它基于的是1946年Johann Von Neumann 和福克斯开发的一个装置，该装置当时是打算用为经典“超级炸弹”的点火部件的。经典 超级炸弹是所提出的第一个氢弹构形，已经被证明没有实际用途。 幸运地是，George核试验为辐射内爆压缩提供了有益的数据，辐射内爆压缩是两个月 前刚刚研究出的泰勒-乌拉姆构形的一个关键部分。 （来源：http://nuclearweaponarchive.org/Usa/Tests/Grnhouse.html） George核装置是一颗圆柱型内爆的U-235裂变装置，可能是基于物理学家George Gamow 的一个设计方案来开发的。一个叫“圆筒（Cylinder）”的试验装置加装在George装置上， 目的是进行热核反应点火方面的试验。圆柱型内爆设计使得聚变实验部件可以直接得到弹芯 （浓缩铀核心）的加热，而不受高爆炸药层遮挡作用的影响，还避免了膨胀中的爆炸气体的 干扰。裂变核心外部的氘- 氚混合物将受到热辐射流的加热，产生可被探测的聚变中子。这 是人类第一次用原子弹来点燃热核反应。 （来源：http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq8.html） 1951年9月：泰勒同洛斯阿拉莫斯实验室中的其他人就全当量热核试验的日期产生了争执， 前者的意见是1952年5-7月，后者是1952年11月。 1952年5月：汉斯·贝特写成《关于热核武器研究史的备忘录》：乌拉姆想出“要压缩 热核材料”、George试验所选用的传能机制、泰勒对George试验数据的外推是一系列恰 好发生的“意外”，泰勒-乌拉姆构形的发现属于“事故”；难以想象苏联氢弹计划也是 走同样的发展路线。 1952年11月1日：美国进行了世界上第一次热核装置试验（“Mike”）。 -------------------------------------- B： 氢弹的设计思想是什么？ 泰勒-乌拉姆构形，目前已知的要点如下： （1），热核材料在被点燃前先会被压缩。 （2），初级（裂变）能量是通过热X射线传导至次级（聚变）的。 （3），初级与次级是分离开的两个结构。 “抄袭”是什么意思？ 奥本海默等人在美国氢弹试验前就知道，放射性尘埃将会泄露“泰勒-乌拉姆构形的秘密”， 所以他们反对过早进行氢弹试验。1953年美国就通过分析放射性尘埃，确认苏联同年八月 进行的核试验不是“真正的”氢弹。 通过检验Mike爆炸放射性尘埃中的同位素比例，苏联可以发现次级的热核反应发生在高度 压缩的条件下：要点（1）。 具体来说，极高的中子通量将导致超铀元素（原子序数大于92）的出现：包裹热核材料的 铀238会出现多重中子捕获，实际上?（Z=99）和镄（Z=100）就是在Mike的放射性尘埃中 被首先发现的。1955年发现?和镄就是公开的，1959年就有文献指出Mike试验中液态氘被 极大地压缩了，而1962年又有公开文献计算得出Mike热核反应里的中子通量至少有2摩尔 每平方厘米。De Geer稍加计算便得出Mike装置次级的压缩因子起码要到13，甚至有可能 大至100以上。 但是萨哈罗夫在回忆录中称苏联方面是独立开发出氢弹构型的，虽然苏联确实收集到了 Mike的放射性尘埃，但是“一个化学家因个人问题感情受挫，无意间将样本倒掉了”。 因为美国有跟英国分享苏联核试验放射性尘埃的惯例，英国有机会获得苏联1955年十一月 22日核试验的放射性尘埃样本，结果也得出了泰勒-乌拉姆构形的秘密。 法国因为是在地表收集放射性尘埃，可能没能有效地获得样本、进行分析；1963部分禁试 条约生效后，苏美英停止大气层核试验，断了法国人的路子。De Geer认为可能是中国1967 年六月17日的氢弹试验最后通过尘埃帮了法国人一把。 放射性尘埃分析还可以揭示什么？ 可以提示泰勒-乌拉姆构形中的要点（3）：如果我们假设（如在经典构形中所构想）， 初级与次级是紧密结合在一起的，这就会使初级中的裂变材料必定受到高通量的中子 辐照（同包裹热核材料的铀238一样的下场），Pu239几乎会被完全消耗掉。但是，如果 我们能在热核试验的辐射尘中发现大量残留的Pu239，则初级必然是与次级分离开的 （甚至还可能有某种屏蔽）。 所以，在热核试验的辐射尘中测定Pu-239比例很重要。但困难有二：包裹热核材料的 铀238受辐照后会最终衰变成Pu239，干扰测量（于是要尽快得到样本）； Pu239与 Pu240的阿尔法能谱太近似，干扰测量（于是要配合使用质谱仪），还有就是样本量很小。 ----------------------------------------- C “1976年 11月17日 中国进行了与洲际导弹配合用的有突防中子能力的弹头核装置 全当量试验。”国外报道其当量有四百万吨。八天后，瑞典的采样飞机开始搜集到 辐射尘埃，九天后在14000米高空收集到极强的样本。美国环境测量实验室（EML， Airstream计划）的飞机也在1977年四月美国西海岸上空开始收集到同一次核试验的 尘埃。结合这些分析数据和计算，De Geer发现： 1，中国这次热核试验中铀238受辐照的中子通量为美国Mike试验的62%。 2，中国这次热核试验中初级的Pu239在爆炸后的剩余量是7.7（正负2.6）千克。 3，（通过分析铀237/Pu238比率：）如果假定中国使用“经典构形”（初级、次级 紧密结合），未爆炸装置中的铀238/Pu239质量比将超过1000，如果假设Pu扳机有 几千克，则贫铀惰层将有几吨重；再次推翻了“经典构形”的假设，要求初级、 次级分离开来。 所以他的结论是：泰勒-乌拉姆构形中的（1）很早就被人知晓，关键是各国能通过 放射性尘埃分析，发现大量残留Pu-239和极少量的Pu238分析，进而揭示了 泰勒-乌拉姆构形中的（3），最后导致氢弹秘密的全球扩散。 De Geer也指出，一般认为扳机中Pu239的用量为3-5千克，爆炸后Pu残余量达到7.7 （正负2.6）千克实在太大。他的解释为一则中国核武设计不走寻常路，二则“7.7 （正负2.6）”误差太大，实际上残余量可能没那么大。 --

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