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於敏構型為什麽被稱為於敏構型呢?

美國氫彈的T-U構型不敵中國於敏構型

2014年度國家科學技術獎勵大會在北京舉行。中國著名核物理學家、核武器研究和國防高技術發展的傑出領軍人之壹的於敏院士榮獲2014年度國家最高科技獎,也是此次唯壹獲得該獎項的科學家。

於敏是新中國氫彈研究中的關鍵核心人物。他在中國氫彈原理突破中解決了壹系列基礎問題,提出了從原理到構形基本完整的設想,起了關鍵作用。1965年10月,在於敏的親自組織和部署下,氫彈理論得以突破。目前全世界只有兩種氫彈構型,美國的T-U構型和中國的於敏構型。此後長期領導核武器理論研究、設計,解決了大量理論問題。

對中國核武器進壹步發展到國際先進水平作出了重要貢獻。從20世紀70年代起,在倡導、推動若幹高科技項目研究中,發揮了重要作用。

氫彈爆炸

1982年獲國家自然科學獎壹等獎。1985年、1987年和1989年三次獲國家科技進步獎特等獎。1994年獲求是基金傑出科學家獎。

1999年被國家授予“兩彈壹星”功勛獎章。1985年榮獲“五壹勞動獎章”。1987年獲“全國勞動模範”稱號。

由於核武器的保密原因,於敏的壹切長期以來都處於高度保密中。從1976年到1988年,於敏的名字是保密的,直到1988年以後,於敏才獲得出國進行學術交流的機會。

由於工作的關系,於敏首次出國是以某大學教授的身份去美國訪問的。在不到壹個月的時間內,盡管去了許多地方,但他始終像個“啞巴”:要問也不方便問,要說也不方便說,很不好受。

提出氫彈原理方案

在我國研制第壹枚原子彈尚未成功時,有關部門就已做出部署,要求氫彈的理論探索先行壹步。1960年底,錢三強找於敏談話,讓他參加氫彈原理研究,於敏毫不猶豫地答應了。在錢三強的組織下,以於敏等為主的壹群年輕科學工作者,悄悄地開始了氫彈技術的理論探索。從原子彈到氫彈,按照突破原理試驗的時間比較,美國人用了七年零三個月,英國四年零三個月,法國八年零六個月,前蘇聯四年零三個月。

主要壹個原因就在於計算的繁復。而中國的設備更無法可比,國內當時僅有壹臺每秒萬次的電子管計算機,並且95%的時間分配給有關原子彈的計算,只剩下5%的時間留給於敏負責的氫彈設計。

中國的第壹顆氫彈在爆炸成功

窮人有窮辦法,於敏記憶力驚人,他領導下的工作組人手壹把計算尺,廢寢忘食地計算。壹篇又壹篇的論文交到了錢三強的手裏,壹個又壹個未知的領域被攻克。四年中,於敏、黃祖洽等科技人員提出研究成果報告69篇,對氫彈的許多基本現象和規律有了深刻的認識。

1964 年9 月,38歲的於敏帶領壹支小分隊趕往上海華東計算機研究所,抓緊計算了壹批模型。但這種模型重量大、威力比低、聚變比低,不符合要求。於敏總結經驗,帶領科技人員又計算了壹批模型,發現了熱核材料自持燃燒的關鍵,解決了氫彈原理方案的重要課題。於敏高興地說:“我們到底牽住了‘牛鼻子’!”

他當即給北京的鄧稼先打了壹個耐人尋味的電話。為了保密,於敏使用的是只有他們才能聽懂的隱語:暗指氫彈理論研究有了突破。“我們幾個人去打了壹次獵……打上了壹只松鼠。”

鄧稼先聽出是好消息:“妳們美美地吃了壹餐野味?”“不,現在還不能把它煮熟……要留做標本。……但我們有新奇的發現,它身體結構特別,需要做進壹步的解剖研究,可是……我們人手不夠。”

“好,我立即趕到妳那裏去。”年底,於敏開始從事核武器理論研究,在氫彈原理研究中提出了從原理到構形基本完整的設想,解決了熱核武器大量關鍵性的理論問題,並在平均場獨立粒子方面做出了令人矚目的成績。

於敏

1967年6月17日,中國的第壹顆氫彈在爆炸成功。

上世紀80年代初,於敏意識到慣性約束聚變在國防上和能源上的重要意義。為引起大家的註意,他在壹定範圍內作了“激光聚變熱物理研究現狀”的報告,並立即組織指導了我國核理論研究的開展。

1986年初,鄧稼先和於敏對世界核武器科學技術發展趨勢作了深刻分析,向中央提出了加速我國核試驗的建議。事實證明,這項建議對中國核武器發展起了重要作用。

推薦閱讀:氫彈研制進程要過5道門檻

目前,公認掌握氫彈技術的國家只有聯合國安理會的五個常任理事國。第三次核試驗距今不足兩年,朝鮮真的跨越常規,依靠三次不完全成功的核裝置試驗掌握這壹技術嗎?我們不妨先來看看在氫彈研制進程中,通常需要邁過幾道門檻。

 氫彈構型是首要難關

首先是構型理論關。氫彈技術成熟於20世紀60年代的技術,隨著五十年來各種相關材料不斷公開,氫彈原理已經逐漸曝光:目前僅有的兩種氫彈構型是美國的“泰勒-烏拉姆構型”(簡稱“t-u構型”)和中國的“於敏構型”,二者本質上是類似的,即氫彈包括初級和次級,初級依靠裂變能量爆發出的x射線,引發次級的聚變反應(可以通俗地比喻為“點火”)。在這個過程中,“如何達到點火條件”是氫彈構型設計的核心;相應地,初級裂變材料通常為鈾或鈈,次級聚變材料通常采用氘氚或者氘化鋰。

但是,即使初步了解了構型的大概布置,也只是完整構型設計的第壹步——因為這個構型本身是不符合物理直覺的——通俗地說,把次級放在原子彈旁邊,應該是原子彈壹炸,次級就會被“吹”扁,也就難以產生核聚變了。

說到這裏,不得不提到的故事是,當年許多物理大師在這樣的物理直覺上栽了跟頭。比如在前蘇聯,恰恰是由於有很多極為優秀的力學專家,因此反而在氫彈研制初期直覺認為“此路不通”。美國的“氫彈之父”泰勒則稍好壹些——他計算後發現次級變形限度要求太高,需要加個保護套,然而保護套又會強烈吸收能量,導致無法點火,所以他最初也放棄了這壹思路。直到後來烏拉姆又重提此事,泰勒忽然發現自己可能算錯了其中壹個關鍵細節,於是兩人重新計算,才有了後來所謂的“泰勒-烏拉姆構型”。

故事聽起來簡單,而事實上這樣壹個反直覺的設計,既要利用原子彈的裂變能量,又要保證次級的形變,顯然還需要許多方面的其他設計和驗證的完美配合才行——這就涉及另外兩個關口,“多學科協同”與“試驗驗證”。

“學科協同”與“試驗驗證”必不可少

再說第二關,“多學科協同”問題。“核武器”這個名稱的暗示作用,讓許多人誤以為核彈研究主要是核物理研究,其實不然。核武器物理設計的中心問題是輻射流體力學方程組和材料特性方程組(物態方程、化學及核反應方程、輻射自由程問題等問題)的耦合求解問題。在這個核心問題的周圍,涉及等離子體物理、原子分子物理、加速器物理、凝聚態物理、爆炸力學、熱力學、光學(高速攝影及光子學、光譜學、激光物理等)、化學(放射化學、固體化學、核化學等)、計算機科學(巨型計算機、大規模科學計算方法等)等十余個大類上百個小類的學科體系。這些學科編織成壹張互相交叉的學科網絡。幾乎每壹個關鍵問題的解決,都需要多個學科的協同。壹個國家,要建立如此眾多的學科門類,在每壹個學科都有相應的人才,需要相當強大的基礎國力。

學科協同發展的困難在於,由於核武器動作過程是以瞬時、高速、高溫、高密度和高能為主要特征的,而這種極端條件下的研究往往不是上述學科的熱點領域,因此核武器理論設計中所需的知識積累和參數積累很難從公開資料中獲取,需要通過核武器研制部門的專題規劃和專題研究才能解決。

接下來就是第三關“試驗驗證”,也就是必須建立起能夠再現這些極端條件的實驗場地和設備,來驗證關鍵參數。

如前所述,通過壹個反物理知覺的構型實現氫彈,是需要多個方面設計的精妙配合的,而設計問題說到底還是工程問題,需要通過試驗來確定關鍵參數。這也正是美蘇兩國甘願斥巨資進行上千次熱核試驗的原因。美國在此方面技術極為先進,其原以為今後可以靠海量試驗數據加上全球先進的巨型計算機可以模擬核試驗。但從近兩年的情況看,在其核武庫的老化研究以及新型核武器設計方面,計算機模擬能力仍然是有差距的。換句話講,在核武器研制中,核試驗是壹個無法避開的環節。

具體到氫彈,無論哪個國家,都必須走過“核爆炸裝置——武器化原子彈——氫彈”這樣壹條必由之路。氫彈次級點火的前提條件,就是初級必須當量夠大且分量夠輕——而這恰恰是原子彈武器化的基本要求。而且,所有做成氫彈的國家,還必須先做壹次增強型原子彈的試驗,即在原子彈核心放置壹些氘氚混合物,使之在原子彈爆炸的高溫高壓之下發生聚變反應並放出大量中子,從而加快外部包裹裂變材料的裂變反應過程,以大幅提高裂變材料利用效率。這就是“聚變助爆式裂變武器”。這種試驗對於驗證當量計算與調整、聚變時間、點火溫度都是非常必要的,而這些技術恰恰是開展氫彈設計的前提。

足夠的核材料與國力是基礎

研制氫彈的第四關是要有足夠的核材料。俗話說,巧婦難為無米之炊。對於氫彈,初級的裂變材料和次級的聚變材料都是不可或缺的。無論是裂變材料鈈還是聚變材料氚,都依賴於反應堆來生產。外媒根據現有材料分析推測,朝鮮恐怕難以生產足夠的聚變材料。

最後壹關就是工業能力和經濟能力問題。生產核材料(鈾、鈈、重水、氘、氚、鋰等)需要龐大的同位素工廠,需要涉及重工業企業為反應堆生產關鍵部件,而且核試驗本身也需要進行規模巨大的工程建設(地下核試驗的坑道綿延數公裏,深度達地下幾百米),還要有復雜、精密、數量巨大的核測設備。可以說,核武器及其試驗的基礎,是對壹個國家的工業能力的全面檢驗;如果給出壹個形象但不太嚴密的估計,可以說,在各領域技術障礙均已消失的假設之下,對於壹個中小國家,投入全部工業能力運轉壹年,也許可以進行壹次氫彈試驗。

通過以上分析可知,要發展氫彈,需要解決多重技術、工業與經濟困難。對於任何國家的科研人員而言,要在氫彈構型理論和多學科協同設計方面取得突破,是完全有可能的。但是,誰都不可能脫離核武器試驗規律和現實生產能力。正常情況下,壹國不可能另辟蹊徑,不經足夠試驗即可抵達氫彈試驗成功的彼岸,更不能脫離核材料生產和試驗所需工業能力的限制。

運載工具亦是難題

除了氫彈本身的研制之外,任何國家要研制核武器,都還面臨運載工具的問題。核武器要使用,就必須有運載工具,否則就相當於有子彈而無槍。傳統上看,氫彈壹類戰略核武器的運載工具主要有飛機和導彈兩類,目前以後者為主,特別是彈道導彈。但是,要研制使用核戰鬥部的彈道導彈,同樣要解決諸多問題。

首先,要完成核彈小型化的問題。彈道導彈的運載能力有限,如果核彈不能小型化,缺乏可靠性(比如要經受發射震動和大氣層外的考驗),那就無法用於彈道導彈。核彈小型化對於中小國家而言同樣存在障礙,壹些國家能夠突破核武器原理,但難以做出實用化的核武器,與此有密切關系。

 其次,要突破再入段難關。核彈頭再入段是指核彈頭從大氣層外重返大氣層內的過程。在此過程中,核彈頭以十幾倍音速的再入速度快速接近地面,彈體外部要經受大氣摩擦帶來的高溫。彈體外部的復合材料能否承受這種高溫,又對壹國復合材料研發和制造能力提出了很高要求。同時,再入段還涉及打擊精度、對抗反導等更高的要求。

此外,運載工具本身的效能、生存能力也是問題。壹國發展出火箭和初步的彈道導彈並不難,但難在發展高性能的導彈。導彈本身的性能暫且不論,僅就生存性能來說,便於陸地機動、方便長期貯存的固體發動機導彈顯然優於液體發動機導彈。固體導彈本身又有技術高低——要實現同樣的運載能力,有的國家可以做出短小精悍的型號,有的國家卻無法實現導彈的相對小型化。

總之,要發展包括氫彈在內的核武器及其運載工具,對國家的綜合國力、科技水平、社會組織結構都有極高的要求,並不是壹件很簡單的事情。在分析國際新聞時,也可以結合技術層面加以參考。