于敏與氫彈（一）氫彈的科學原理_風聞

【袁嵐峯，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，科技與戰略風雲學會會長】

2019年1月16日下午，我正和許多科技工作者在“典贊·2018科普中國”的頒獎典禮現場，突然聽到中國氫彈之父于敏去世了，享年93歲（1926-2019），不禁深感悲痛。

于敏

大家都知道，于敏對中國的氫彈研發發揮了關鍵作用。有許多人説，世界上的氫彈構型只有兩種，一種叫泰勒-烏拉姆構型（Teller-Ulam design），一種叫于敏構型，而且於敏構型比泰勒-烏拉姆構型還要好。這種説法是真的嗎？應該如何理解于敏的貢獻，以及更廣而言之，于敏的歷史意義？

為此，我做了一些相關的調研。要充分理解于敏的工作，就需要首先理解氫彈的原理。而實際上，氫彈原理本身就是一個有趣的話題。瞭解了氫彈有多重要、開發氫彈有多難，你才能明白于敏的重要性在哪裏。因此，讓我們把這個話題分成幾期，第一期來談氫彈的科學原理，第二期來談氫彈的工程實踐，然後來談于敏的工作。

關於氫彈，大多數人都知道，氫彈是人類製造過的最強大的武器。不過，強大到什麼程度呢？很多人可能並沒有充分理解。

讓我們來看一些數據。有一種常用的炸藥叫做三硝基甲苯，簡稱TNT。人們經常用當量（yield）來表示一個武器的威力，意思就是它放出的能量相當於多少質量的TNT爆炸。如果用能量單位焦耳來表示，那麼1噸TNT爆炸釋放的能量約等於41.84億焦耳。

氫彈從未在實戰中使用過，而原子彈使用過兩次，就是二戰末期投擲在日本的兩顆原子彈。1945年8月6日投在廣島的那顆原子彈，代號叫“小男孩”，當量約為1.5萬噸。1945年8月9日投在長崎的那顆原子彈，代號叫“胖子”，當量約為2.1萬噸。

廣島上空的蘑菇雲

1964年10月16日中國爆炸的第一顆原子彈，當量約為2.2萬噸。

人類歷史上試驗過的威力最大的原子彈，是1952年11月16日美國爆炸的“常春藤之王”（Ivy King），它的當量是50萬噸。

那麼，氫彈是什麼樣的當量呢？

1967年6月17日中國爆炸的第一顆氫彈，當量約為330萬噸。

中國第一顆氫彈爆炸

人類歷史上第一次試驗的氫彈，是1952年11月1日美國爆炸的“常春藤麥克”（Ivy Mike），它的當量是1040萬噸。

常春藤麥克的蘑菇雲

美國曾經裝備部隊的威力最大的氫彈，是B-41核炸彈，又稱為Mark-41，在1961年至1976年期間服役。它的當量是2500萬噸。

人類歷史上試驗過的威力最大的氫彈，當然也就是人類歷史上試驗過的威力最大的武器，是蘇聯在1961年10月31日爆炸的RDS-220氫彈，經常被稱為“沙皇炸彈”。它的當量是——5000萬噸！

你可以看出來了，原子彈的當量是在萬噸至十萬噸的級別，而氫彈的當量是在百萬噸至千萬噸的級別。基本上，氫彈的威力比原子彈高出兩個量級！

這絕對不是説原子彈很弱。實際上，跟非核武器，也就是常規武器比一比，你就會理解原子彈的威力了。

近年來，美國宣佈開發了一種前所未有強大的常規炸彈，叫做“炸彈之母”（MOAB）。

炸彈之母

後來，俄羅斯又宣佈開發了一種更加強大的常規炸彈，叫做“炸彈之父”（FOAB）。

炸彈之父

這兩個名字雖然看似搞笑，但不像那個航公對航母的笑話，這兩種武器是真實存在的。許多媒體報道了這兩種炸彈有多麼多麼恐怖，爆炸後產生的衝擊波對武器裝備和建築物的破壞力相當驚人，還會造成缺氧狀態，導致爆炸區域內生物窒息而死，然後説它們可以在一定程度上取代核武器。

那麼，這兩種炸彈的當量是多少呢？

回答是：炸彈之母11噸，炸彈之父44噸。

這是什麼概念？即使是跟2萬噸級的早期原子彈相比，這倆所謂“之父”、“之母”的當量也只有人家的百分之一到千分之一的量級。結果媒體説，你們要取代人家？這不是開玩笑嗎？

現在你可以明白，為什麼把武器分為核武器和常規武器了吧？前者和後者完全不是一個層面的！

所以武器的基本圖景是：常規武器的威力遠遠低於原子彈，而原子彈的威力又遠遠低於氫彈。

看電影和讀歷史的時候，我經常想指出一點：打仗首先比的就是能量。如果一方比另一方掌握更高層次的能量，那麼他就具有壓倒性的優勢。好比同樣作為超級英雄，有些人只能使用自己的體力拳打腳踢，有些人卻能用小型化核聚變反應堆飛天遁地，怪不得前者經常苦哈哈的，而後者就瀟灑多了。

蝙蝠俠

鋼鐵俠

雖然我們經常用到核威懾這個詞，但現在你可以明白，核威懾絕大部分來自氫彈。原子彈的威懾只能詐唬詐唬無核國家，對有氫彈的國家來説基本屬於逗比行為。正如古典小説中常見的句式：“螢火之光，也敢與日月爭輝？”

讓我們來做一個小測驗：世界上哪些國家有氫彈？

回答是：按照獲得氫彈的順序，分別是美國、蘇聯、英國、中國、法國。

哎呀，這麼巧啊，剛好是聯合國安理會五個常任理事國？嗯，這是不是巧合，就看你怎麼理解了。你也可以認為，因為這五個國家有氫彈，所以它們成了五常。五常表示：地球的和平，就靠我們來保衞了！

世界上還有些國家，號稱是有核國家，但一般認為它們只有原子彈，沒有氫彈。這些國家包括：以色列、印度、巴基斯坦、朝鮮，以及曾經的南非。

你覺得這些有核國家對你的威脅有多大呢？

恐怕大不到哪裏去。否則為什麼南非要帶個“曾經”啊？南非曾經建造過六七件核武器，後來在國際原子能機構的監視下拆除了。如果南非有過氫彈，你覺得誰能強迫它拆除？

這裏還有一個有趣的故事，是關於朝鮮的。2017年9月3日，朝鮮宣稱舉行了一次地下氫彈試驗，然後歡慶自己掌握了氫彈技術。但是外界對此充滿懷疑，因為根據我的科大同事、地球與空間科學學院温聯星教授檢測到的數據，這次試驗的當量大約是10.83萬噸加減4.81萬噸。

在前面我們舉的例子中，氫彈的當量都是百萬噸甚至千萬噸的級別，結果這裏搞個十萬噸的就號稱是氫彈？十萬噸的氫彈也不是沒有，五常會造，這是小型化的技術。但是對朝鮮來説，難道第一次試驗，就掌握了氫彈小型化的技術？走還沒學會呢，就直接會飛了？你是願意相信這個，還是願意相信……這次爆炸的根本不是氫彈？

順便説一句，温聯星是著名的地球物理學家，他們實驗室發展了最先進的地震高精度定位方法。因此每次朝鮮核試驗，他們都會探測一番，然後發表若干篇高檔次的學術文章，然後媒體愉快地報道一通。在這個意義上，最喜歡朝鮮核試驗的，除了朝鮮人，大概就是温聯星教授！

温聯星

還有一個有趣的故事，是最近的一條新聞。在尼日利亞的一所學校裏，曾經有一公斤濃度高達90%的高濃縮鈾，用於微型核反應堆的研究。恐怖組織“博科聖地”興起後，國際社會十分擔憂恐怖組織會得到高濃縮鈾，把它做成武器。因此，中、美、俄、英等國聯手，在24小時內進行了一場堪比電影大片的特別行動，把這一公斤高濃縮鈾用俄羅斯的飛機轉移到了中國石家莊（https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml）。

中核集團網站報道，配圖為尼日利亞高濃縮鈾運抵中國

這個故事説明，核大國之間即使在許多事情上吵吵嚷嚷，但在防止核擴散上還是有強烈的共同利益的。到了維護世界和平的關鍵時候，五常並不是吃白飯的。

尼日利亞之所以同意把高濃縮鈾轉移走，一個重要原因是中國能幫他們實現微堆低濃化改造（https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml）。也就是説，在不改變堆芯尺寸的情況下，將高濃鈾組件換成低濃鈾組件。改造後的微堆可以滿足原微堆的所有功能，安全性能更好，燃料使用壽命更長。

2016年，中國原子能科學研究院在經過5年攻關後，成功將微堆中的核燃料富集度從90%降至12.5%，並實現滿功率運行，使中國成為全世界唯一完全掌握微型中子源反應堆技術的國家。

2018年8月，中國在國際原子能機構框架下，與尼日利亞政府簽署了有關微堆低濃化改造工作的協議。10月20日，中核集團順利出口低濃鈾新燃料。11月27日，使用新燃料的尼日利亞微堆達到滿功率運行。

所以你看，要維護世界和平，最重要的是什麼？是你的科技實力！

好，在瞭解了這些基本背景之後，科學問題就出來了：常規武器與原子彈之間、原子彈與氫彈之間，為什麼存在如此巨大的差距？

一言以蔽之：能量的來源不同。常規武器用的是化學能，原子彈用的是裂變能，氫彈用的是聚變能。

化學能來自化學反應，本質是在原子核不變的情況下，原子核外的電子重新排布。

甲烷燃燒反應

裂變能來自核裂變，就是一個原子核分裂成多個原子核。

鈾-235裂變

聚變能來自核聚變，就是多個原子核聚合成一個原子核。

氘氚核聚變

原子核是由質子和中子組成的，兩者統稱核子。核子之間的結合能，遠遠高於電子與原子核的結合能。也就是説，把一個原子核拆成相距遙遠的若干個核子所需的能量，遠遠高於把一個原子拆成相距遙遠的原子核與電子所需的能量。

你如果要問更本質的原因，就是：把電子跟原子核結合在一起的力叫做電磁力，把核子結合在一起的力叫做強相互作用。電磁力是大家在日常生活中非常熟悉的，就是電力和磁力，你用的所有電器都是基於電磁力的。而強相互作用是在日常生活中見不到的，只會出現在兩個核子相距非常近的時候，比如原子核內部，而如果兩個核子距離稍微遠一點，就衰減到幾乎為零了。《三體》中設想了一種所謂強相互作用材料，就是著名的“水滴”，這在目前還只是個幻想。

《三體》水滴

顧名思義，強相互作用比電磁力強得多。這是符合直覺的，越是內核的東西，結合得當然越緊密。所以，核反應涉及的能量標度在本質上就比化學反應高得多。

這樣，我們能夠理解為什麼核能遠遠高於化學能。但在核能內部，為什麼聚變能又遠遠高於裂變能呢？

實際上，單個裂變反應釋放的能量往往大於單個聚變反應釋放的能量。但是別忘了，兩種反應的起點不同。聚變的反應物是輕原子核，例如氫和氦。而裂變的反應物是重原子核，例如鈾和鐳。這些重原子核的質量是輕原子核的上百倍，因此當你計算單位質量反應物放出的能量，也就是能量密度的時候，聚變就比裂變強大得多了。

既然如此，人們為什麼沒有直接開發氫彈，而是先開發出了原子彈呢？

原因在於，聚變比裂變難發生得多。

裂變是從原子核裏跑出一些東西，比如一箇中子。根據量子力學，這個東西在任何時刻都有一定的幾率跑出來，這個幾率只取決於原子核的勢壘。這就意味着，裂變跟温度、壓強、化學反應等外部因素無關。如果一種原子核能裂變，比如説鈾，那麼無論它在什麼温度下，什麼壓強下，無論以鈾單質還是化合物的形式存在，都會以相同的速度裂變。

聚變是把兩個原子核聚在一起，而原子核中的質子是帶正電的。這就意味着，兩個原子核之間存在靜電斥力。如果兩個原子核靠得非常近，它們之間的強相互作用就會超過靜電斥力，發生聚變。但如果沒有很高的初始能量，它們就不可能克服靜電斥力，靠到這麼近。因此，核聚變需要外界條件的幫助，需要非常高的温度和壓強。

高到什麼程度呢？比如説太陽的能量就來自核聚變，太陽中心的温度是1500萬度，壓強是2000億個大氣壓。

太陽

地球上實現不了這麼高的壓強，要發生核聚變，就只好把温度升到更高，比如説上億度。

有什麼辦法能達到這麼苛刻的條件呢？有了原子彈之後，顯而易見的答案就是：用原子彈。所以氫彈都是用原子彈引爆的，先用裂變達到聚變條件，再通過聚變放出更大的能量。因此，氫彈又被稱為聚變武器，或者熱核武器。

瞭解了這些基本原理，就可以解答很多問題，例如我為什麼經常呼籲發展可控核聚變。原因很簡單，這是人類已知科學原理的最強大的能源。飛出太陽系，移民宇宙，一定要靠可控核聚變。

又如近年來，人們在全氮陰離子鹽、金屬氫等高能材料的研究方向取得了許多進展，中國的研究組就發了好幾篇《Science》。媒體也經常説，這些高能材料有望製成超高能量密度的炸藥。於是經常有讀者來問我：這些炸藥能不能代替核武器？

答案很明顯：不能。能量密度再高的化學能材料還是化學能，跟核能不可同日而語。這種問題真是應了一句名言：年輕人，你對力量一無所知！

你們對力量一無所知