“資本主義炸彈”——中子彈(二)

尹瑞濤

中子彈的設計與制造

中子彈的設計制造是在掌握氫彈原理和關鍵技術的基礎上，盡可能地減少裂變材料和盡可能地使聚變產(chǎn)生的高能中子易于穿出彈殼。中子彈和普通氫彈的區(qū)別是：（1）中子彈利用較少的裂變材料就能放出較多的能量，以滿足氘氚聚變反應所需的高溫；（2）普通氫彈用的聚變原料是固態(tài)氘化鋰-6，中子彈用的是氘氚混合氣體。因為氘和氚聚變反應所放出的中子比裂變反應所放出的中子多得多，而鋰可以吸收大部分中子；（3）在普通氫彈中，聚變反應放出的高能中子大多被吸收，用來產(chǎn)生氚和使包殼材料鈾-238裂變，這也是氫彈“臟”的主要原因，而中子彈產(chǎn)生的中子大部分穿出彈體被釋放出來。

相對于普通的氫彈來說，中子彈少了一層鈾-238外殼，因為鈾-238會使中子慢化，降低中子能量，而且鈾-238在快中子作用下發(fā)生裂變反應，增加了沖擊波和光輻射以及裂變產(chǎn)物的放射性沾染，這和中子彈的設計目標是背道而馳的。中子彈的中心是一個超小型原子彈作起爆點火裝置，其小型化程度極高，重量不超過400克，爆炸當量為250～400噸TNT。超小型原子彈的核裝藥采用亞臨界質(zhì)量的钚-239，因為钚-239比鈾-235原料能釋放更多的中子，且同等條件下钚-239的臨界質(zhì)量比鈾-235小2/3，可使中子彈總體達到小型化。原子彈的周圍是中子彈的熱核炸藥氘和氚的混合物，外面是用鈹和鈹合金做的中子反射層和彈殼。只有當氘、氚注入到中子反射層之內(nèi)時，引爆才能有效。鈹作為反射層，可以把瞬間發(fā)生的中子反射回去，使它充分發(fā)揮作用，從而大大提高了中子的利用率。同時，鈹雖不是裂變材料，但它吸收中子較放出中子為少，當一個高能中子打中鈹核后，會產(chǎn)生一個以上的中子，稱為鈹?shù)摹爸凶釉鲋承?，這樣可以彌補中子的不足，使聚變反應更加完善，這無疑是增加了中子產(chǎn)額。這種鈹反射層能使中子彈體積大為縮小，因而可使中子彈做得很小。據(jù)估算，使用高效炸藥獲得球?qū)ΨQ向心壓縮達到10 000千巴的壓強，在有鈹反射層的條件下，可以使臨界質(zhì)量降低到數(shù)十克核燃料就足以引爆相當于千噸級當量的中子彈。中子反射層除了易引爆之外，還可以節(jié)省可分裂物質(zhì)。西方國家有人估計，美國采用這項技術可節(jié)省90%的常用核燃料。據(jù)說，當量為1 000噸TNT的“長矛”中子彈頭只需要5克钚就完全可以引起鏈式反應。此外，中子彈還帶有超小型原子彈點火起爆用的中子源、電子保險控制裝置、彈道控制制導儀以及彈翼等。

中子彈的核燃料是氘、氚，在常溫下呈氣體狀態(tài)，因此要保持氘、氚呈液態(tài)就必須有低溫裝置，美國《紐約時報》曾透露過中子武器的機密部件“儲氚器”，它是中子彈的心臟，其密度很大，而且容易加工。由于氘和氚容易被空氣中的氫置換，也容易和空氣中的氧發(fā)生反應生成氘水（重水）和氚水（超重水），所以儲氚器的材料應在沒有空氣的真空中貯存。由于氚衰變放出β射線，然后變成氦-3氣體，使儲氚器內(nèi)部壓力不斷增大，所以儲氚器要耐高壓、耐β輻射。因為隨著儲存時間增加，氦-3氣體越來越多，內(nèi)部壓力越來越大，所以到一定時間之后，儲氚器要更換維修。

制造中子彈，主要是增加核反應釋放的中子，同時使核反應釋放的中子盡量多地穿出彈殼。在釋放同樣大小的能量時，聚變反應中放出的中子數(shù)要比裂變反應所放出的多幾十倍。這是因為在裂變反應時釋放一個中子所伴隨的能量要比熱核反應的能量大，裂變反應每放出一個中子伴隨的能量釋放為100～200MeV（MeV，兆電子伏特，原子物理中的能量單位，1MeV=1.60×10-13J），而聚變反應每放出一個中子伴隨的能量釋放則為3.2～21.6MeV。因此，增加中子的主要途徑是增加聚變比例并減少裂變比例，選用更合適的材料。金屬鈹對制造中子彈很有用。鈹有6種同位素，從鈹-6到鈹-11，其中只有鈹-9是非放射性的，它占天然鈹?shù)?00%，其它5種同位素均為人工制造。鈹在裂變武器中有兩種用途：一是做成鐳鈹中子源或釙鈹中子源，放在原子彈的彈芯作裂變點火器；二是包在核材料的外面作為中子反射層。因為鈹?shù)臒嶂凶游战孛婧苄?，核反應放出的中子?jīng)過碰撞慢化，穿出核材料碰著鈹時，就被反彈回核材料中，繼續(xù)參加裂變反應，利于燒掉更多的裂變材料而增加威力。鈹在聚變武器中也有兩種用途：一是鈹在受到聚變放出的高能中子轟擊時，自身會釋放出兩個高能中子，這是氫彈爆炸中增大中子注量的簡便方法；二是當鈹和氘作用時，還可以用來造氚。

氘氚聚變反應是氫彈的主要反應機理，氘和氚聚變所放出的中子比裂變所放出的中子多得多。一千克氘氚完全燃燒所釋放的中子數(shù)，大約是一千克裂變材料完全裂變所釋放中子數(shù)的30倍，氚氘聚變釋放的能量有80%是14.1兆電子伏特的高穿透性中子，20%的能量由氦核帶走，這是制造中子彈的理論基礎。裂變產(chǎn)生的中子的能量比較小，穿透空氣不能太遠，而聚變產(chǎn)生的中子不僅能在空氣中通過很大的距離，而且還能穿透墻壁和坦克的鋼板。endprint

中子彈以氘氚混合物為燃料，制造一枚1 000噸TNT當量的中子彈需要消耗5克氘。關于原料氚，理論上只需7.224克氚，但因為考慮到氚的利用率，一枚中子彈的用氚量要遠大于這個數(shù)，僅制造環(huán)節(jié)就需要12.5克氚。氚在自然界中的存量極少，豐度極低，地球上天然氚的總量僅有約3.6千克，主要以氧化物的形式存在于水環(huán)境中，且不可能進行提取、回收與利用。中子彈所用的氚都是通過人工制造的，主要是在反應堆中使鋰-6吸收中子變成氚和氦。生產(chǎn)中要先將含鋰-6的靶材氫化鋰、碳酸鋰或鋰鎂合金等做成適合在反應堆中輻照的元件，經(jīng)中子輻照后，有的鋰-6變成了氚和氦。然后將含有氚的鋰-6元件熔解，去除氦、氮、氧等雜質(zhì)，再提取氚。該生產(chǎn)工藝要在反應堆中燒掉鈾-235或钚-239，一個生產(chǎn)聚變材料的核反應堆，平均要消耗掉5個鈾-235原子才能產(chǎn)生一個氚原子，也就是要消耗掉392千克鈾-235才能生產(chǎn)一千克的氚。所以氚的售價非常昂貴，即使在產(chǎn)量已經(jīng)非常大的今天，1克氚也要30 000美元左右，比高濃度的鈾-235或钚-239貴幾十倍。另一方面，氚的半衰期僅有12.33年，它以每年5.47%的比率發(fā)生β衰變，且衰變產(chǎn)物氦-3能夠吸收中子，進而降低中子彈的中子產(chǎn)量、減小威力，因此需要及時補充氚，這使得中子彈的制造和維護十分昂貴。一枚1 000噸TNT當量的中子彈比一枚10 000噸TNT當量的原子彈花費要高得多。根據(jù)美國能源與環(huán)境研究機構(gòu)所提供的報告顯示，從1955年到1996年，美國共生產(chǎn)了225千克的氚，但由于氚的衰變，到1996年，僅僅剩下了75千克。

中子彈的爆炸過程

中子彈的爆炸過程是這樣的：首先由高能化學炸藥爆炸給中心钚球以巨大壓力，使钚的密度劇烈增加。這時受壓縮的钚球達到超臨界而引發(fā)钚-239的裂變反應，钚-239的裂變反應產(chǎn)生了強γ射線和X射線及超高壓，強射線以光速傳播，它比原子彈爆炸的裂變碎片膨脹快100倍。當下部的高密度聚苯乙烯吸收了強γ射線和X射線后，便很快變成高能等離子體，使儲氚器里的含氘氚混合物承受高溫高壓，引起氘和氚混合氣體的聚變反應，產(chǎn)生大量高能中子，進一步促進钚-239的裂變，從而放射出更多的中子，這一過程稱為“中子反饋”。由于裂變反應不斷增強，從而引發(fā)了大量聚變材料氘氚的聚變反應，其中聚變反應比裂變反應放出的中子多得多，而且聚變反應放出的能量大部分為高能中子所攜帶，成為核輻射殺傷的因素。高能量的中子在空氣中有較強的穿透力，能有效地殺傷人員和對付裝甲集群目標，而對建筑物、運輸工具和武器裝備的破壞作用則很小。

至于中子彈的最佳引爆高度，尚無定論。美國五角大樓給出的建議是30米；也有科學家認為在900米高度引爆效果最好，在保證中子輻射殺傷效果的同時能最大限度地減小沖擊波對地面物體的破壞；法國方面則認為1 000米是最佳高度，超過1 000米，中子彈爆炸就僅剩下天空中的一個火球，而不會對地面人員造成殺傷，低于1 000米，沖擊波的效應就比較明顯了。

中子彈殺傷機理

質(zhì)子和中子組成了原子核，中子質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量大約相等，其中質(zhì)子帶正電，中子不帶電，因此中子與原子核或電子之間沒有靜電作用。中子從原子核里發(fā)射出來后不受外界電場的作用，穿透力極強。

中子彈爆炸產(chǎn)生的中子射線看不見，摸不著，是一種不帶電的高速粒子流，它以每秒幾千至幾萬千米的速度從爆心向四周傳播。高速中子流具有極強的穿透力，能深入穿透物質(zhì)。它可以穿透幾百米甚至幾千米厚的空氣層，可以穿透人體及相當厚度的物質(zhì)層。同時，中子也是唯一一種能使其它物質(zhì)具有放射性電離輻射的物質(zhì)，中子使其它物質(zhì)具有放射性的過程被稱為“中子激發(fā)”。

中子的重要特征是不帶電，不存在庫侖勢壘的阻擋，這就使得幾乎任何能量的中子同任何核素都能發(fā)生核反應。高能中子流具有極強的穿透力，對人體危害很大。中子流能夠輕易穿透坦克和裝甲車的裝甲，進入人體組織后與人體細胞里的氫、碳、氧、鉀、鈉、鈣和磷等元素起核反應，從而使這些元素的原子發(fā)生變化，致使細胞的生化結(jié)構(gòu)和正常的代謝活動遭到破壞，造成細胞損傷，從而引起組織損害。細胞受到輻射損傷可能導致如下結(jié)果：細胞早期死亡；阻止或延遲細胞分裂；細胞永久性變形，一直可持續(xù)到子代細胞。人體內(nèi)細胞的這些變化會表現(xiàn)出臨床癥狀，如放射病、白內(nèi)障或在以后較長時期內(nèi)出現(xiàn)癌癥。endprint

中子輻射誘發(fā)生物大分子（如蛋白質(zhì)和酶系統(tǒng)、DNA）損傷的后果是細胞結(jié)構(gòu)（包括細胞膜，線粒體，溶酶體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核膜等）的破壞，而影響細胞正常功能，甚至出現(xiàn)細胞壞死。人體內(nèi)的生物大分子存在于細胞中的大量水分子中，當中子流作用于水分子時，水分子亦會被電離或激發(fā)，生成有害的自由基（H，OH），這些自由基則與硫氫基（SH-）和其它細胞重要組成部分起反應，繼而使在水分子環(huán)境中的生物大分子受到損傷，破壞細胞正常的化學物理狀態(tài)而引起生理上的變化。具有酶活性的蛋白質(zhì)分子受到照射而喪失活性，會影響機體內(nèi)多種生化反應的正常進行，使物質(zhì)代謝和信號傳導受阻。輻射所致的脂質(zhì)分子過氧化可使細胞膜系結(jié)構(gòu)受損，導致細胞膜、核膜、線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和溶酶體膜的通透性發(fā)生改變，使物質(zhì)代謝過程中產(chǎn)生的毒物進入細胞產(chǎn)生細胞毒作用。核膜結(jié)構(gòu)改變后，輻射引發(fā)的大分子自由基和細胞正常代謝產(chǎn)生的有害物質(zhì)大量進入細胞核內(nèi)，攻擊DNA和蛋白質(zhì)分子，形成染色體畸變，影響核基因組復制轉(zhuǎn)錄。線粒體膜受損后，細胞氧化磷酸化不能正常進行，致使細胞正常功能受阻，輻射損傷不能修復。在臨床癥狀上來說，中子輻射會造成造血器官衰竭，消化系統(tǒng)、中樞神經(jīng)損傷，腸胃和雄性性腺嚴重損傷。

中子與物質(zhì)原子核直接發(fā)生作用，中子與原子外層電子相互作用時，中子所損失的能量，比起中子和原子核的作用來說可以忽略不計。中子與物質(zhì)作用后能引起物質(zhì)的電離，這是中子對人員和物質(zhì)造成殺傷破壞的根本原因。中子通過電離和激發(fā)把其能量傳給組織、器官，引起人體的損傷，損傷的程度隨中子的能量以及通量密度大小而異。人體組織中的輕元素——氫、碳、氮和氧的重量大約占96%，在肌肉組織中它們所占比例可達到99%。高能中子與人體組織中這些輕元素的原子核發(fā)生彈性碰撞時，把大部分能量授予組織，因此，高能中子對人體比低能中子有更大的危害作用。高能中子在體內(nèi)與氫原子核碰撞，擊出質(zhì)子而產(chǎn)生電離。慢中子則是與人體內(nèi)的氫和氮的原子核起核反應，產(chǎn)生γ射線和質(zhì)子，通過這些射線再在體內(nèi)產(chǎn)生電離。

中子進入組織后，通常直接與生物元素原子核發(fā)生碰撞。由于機體內(nèi)氫元素最多，中子與氫核碰撞的機率最大?？熘凶优c氫核相碰撞，損失部分能量，帶著較低能量改變運動方向繼續(xù)行進。氫核獲得能量即從原子中沖出變成一個帶正電荷的質(zhì)子，即“反沖質(zhì)子”，而它的殼層電子也被丟失。高速的反沖質(zhì)子在組織中的射程短，但其電離密度卻較大，在其運動途中可引起物質(zhì)電離和激發(fā)，能對各種生物活性分子造成不可修復的損傷?？熘凶油ㄟ^此種過程可損失50%的能量。例如，當快中子與人體中的水分氫核相碰時，其部分能量交給質(zhì)子，使質(zhì)子在人體內(nèi)行程20～30厘米，產(chǎn)生上百萬個離子，因此危害是很嚴重的。在中子輻射的作用下，人體內(nèi)的生物大分子，如核酸、蛋白質(zhì)等會被電離或激發(fā)。這些生物大分子的性質(zhì)會因此而改變，細胞的功能及代謝亦遭到破壞。實驗證明，輻射可令DNA斷裂或阻礙分子復制。

對于慢中子，其主要作用過程是輻射俘獲。這種中子和組織相互作用時，可能產(chǎn)生反沖質(zhì)子或其它反沖核以及放出γ射線，所以中子轉(zhuǎn)移給人體組織的能量過程是比較復雜的。但是一般認為中子引起人體損傷的有效性是γ射線的2.5～10倍，所以中子對人體的危害比γ射線的危害要大。

此外，中子能使本來沒有放射性的某些金屬物質(zhì)，如鈉、鉀、鋁、錳、鐵等產(chǎn)生放射性，這種放射性叫感生放射性。中子彈產(chǎn)生的大量中子作用于土壤、兵器、含鹽食品中的上述金屬原子核時，會被這些原子核俘獲而產(chǎn)生強烈的感生放射性，放出β射線和γ射線，對人體造成傷害。

1945年8月21日晚上九點半，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家達格利恩在做臨界試驗時，不小心把一塊4.4千克碳化鎢掉到一個6.2千克的钚鎵合金半球上，碳化鎢充當了中子反射層，使系統(tǒng)達到了臨界條件。達格利恩受到了大量輻射，據(jù)計算，他受到5.1西弗的中子輻射照射，這相當于1×1 016次裂變的當量。雖得到及時醫(yī)治，但他仍于25天后不幸離世，年僅24歲。這也是世界上首例導致了死亡的臨界事故。

然而，僅僅9個月后，這個钚球又奪去了達格利恩的同事斯洛廷的生命。兩起臨界事故的發(fā)生，使得它獲得了“惡魔核心”的稱號。

中子彈——坦克克星

普通的原子彈對坦克的殺傷能力較弱，并且容易造成放射性沾染，在使用后很長一段時間內(nèi)，自己的軍隊也很難去占領這些地區(qū)。坦克堅固的鋼鐵結(jié)構(gòu)、厚厚的裝甲能夠承受沖擊波和光輻射的毀傷；坦克良好的密封性能使其能夠防止核爆炸時放射性顆粒進入車體內(nèi)部，從而可以保護乘員免遭放射性沾染物的傷害。1 000噸TNT當量的戰(zhàn)術原子彈，對20世紀50～60年代的中型坦克的殺傷破壞半徑僅為200米；廣島級別的原子彈（約1.5萬噸TNT當量）對中型坦克的破壞半徑約為500米，即坦克只要部署在1里開外，就可以保持一定的戰(zhàn)斗力；即使是10萬噸TNT當量的原子彈，對坦克的破壞半徑也只有900米。1953年10月15日，英國在澳大利亞伍默拉進行了“圖騰1號”原子彈爆炸試驗，爆炸當量為9 100噸TNT，為檢驗坦克對核爆炸的承受能力，試驗前英軍將一輛“百夫長”坦克放置在離爆心僅460米處。試驗后，該坦克被核爆炸產(chǎn)生的沖擊波推出了1.5米，但發(fā)動機仍處于完好狀態(tài)，并且在結(jié)束試驗后依靠自身動力駛離了試驗區(qū)。

中子彈是最理想的反坦克武器，由于它的作用距離較遠，并且主要依靠中子輻射殺傷坦克乘員，并能破壞坦克內(nèi)的通信、瞄準和火控系統(tǒng)，因此被稱為“集群坦克的克星”。快中子有很強的貫穿輻射本領，例如100毫米厚的鋼板可以將γ射線減少99%，但對中子只能減少30%左右。一般認為，防護裝甲厚為200毫米的坦克，在遭受中子彈攻擊時，車內(nèi)中子劑量約為車外的一半。同時，裝甲鋼鐵在俘獲中子后會放出很強的次生γ射線，進一步造成γ射線危害，坦克本體也變成了強的“輻射源”，從而增強了對坦克乘員的殺傷力。在中子彈的殺傷效果下，坦克裝甲部隊將迅速癱瘓，最終喪失戰(zhàn)斗力。

拉德是放射線強度單位。當人員受到500至2 000拉德的輻射劑量時，胃腸反應是主要的。受到2 000拉德以上的輻射劑量時，反應癥狀主要是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的。當量為1 000噸TNT的中子彈在90米低空爆炸后，在800米半徑內(nèi)，能產(chǎn)生5 000～8 000拉德的中子輻射劑量，離爆心1 200米處的輻射劑量為600～700拉德。當量為1 000噸TNT的中子彈若在200米高度爆炸，在離爆炸中心900米范圍內(nèi)的坦克乘員會立即暫時昏迷或失去戰(zhàn)斗力。如果按戰(zhàn)場上每平方千米有40輛坦克計算，一枚中子彈可使成百輛坦克中的乘員立即喪失戰(zhàn)斗能力，而坦克卻不會受到損害。由于中子彈放射性沉降小，可以在爆炸一小時后占領這些地區(qū)，坦克可以作為戰(zhàn)利品，因此中子彈被稱為“集群坦克的克星”。

冷戰(zhàn)期間，華約的坦克部隊在數(shù)量上相比北約占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，為了減小中子彈造成的損失，他們將被迫把坦克集群的密度降低，坦克分散化布置，那么這些坦克也就很容易用反坦克導彈對付了。而當時北約有幾十萬枚反坦克導彈，如M47“龍”式反坦克導彈、BGM-71“陶”式反坦克導彈。在第四次中東戰(zhàn)爭中，反坦克導彈已經(jīng)被證明是一種對付坦克很有效的武器。因此，中子彈與反坦克導彈配合使用，能獲得更好的打擊效果。

中子彈打擊機場、軍艦

打擊對方機場設施，是爭奪制空權必不可少的步驟。中子彈雖然破壞機場設施的能力不如普通核彈，但它可以大量殺傷對方機場人員，如飛行員和地勤人員等。而這種專業(yè)人員的損失將直接造成空中力量的癱瘓。此外，當攻擊方使用反跑道戰(zhàn)斗部對機場進行攻擊后，防御方往往會對機場進行搶修。此時攻擊方如果使用中子彈進行第二次攻擊，亦能大量殺傷防御方工程人員，使防御方機場無限期癱瘓下去。

集結(jié)于錨地的敵方軍艦也是中子彈打擊的良好目標。這里暫且不討論中子彈可能產(chǎn)生的沖擊波和核電磁脈沖對軍艦的影響，僅討論中子彈產(chǎn)生的早期核輻射問題。由于現(xiàn)代軍艦更加重視的是防御對方飛機、導彈和魚雷的襲擊，對于早期核輻射的防護能力是相對有限的。尤其是人員集中的軍艦上層建筑，大多采用輕質(zhì)合金，抗早期核輻射能力低下。以“拉斐特”級護衛(wèi)艦為例，其防護最為嚴密的要屬露天甲板至水線間部分，此處設計有雙層殼板（艦體使用E355FP高強度鋼），在兩舷各構(gòu)成一個1米寬的通道，在一些要害部位，如作戰(zhàn)室、彈藥庫等處，還設有10毫米厚度的防彈鋼裝甲。即使將其殼體對中子的削弱能力視為90%，假設進攻方使用1千噸當量中子彈在800米外爆炸，艦內(nèi)人員也會受到900拉德左右劑量的中子輻射。艦員屬于專業(yè)人員，一旦被消滅，無法由普通后備人員替補。此外，軍港的人員居住和工作地相對比較集中，一旦將其人員殺傷，則無疑會使港口運作陷入癱瘓。

中子彈——生態(tài)殺手

另外，中子彈對生態(tài)系統(tǒng)也有著很大影響。1978年，瑞典斯德哥爾摩和平研究所的高級研究員、森林生態(tài)學家威斯汀發(fā)表論文《中子彈與環(huán)境》，研究了中子彈對各種有機物和生態(tài)系統(tǒng)的影響。論文指出：一枚1 000噸TNT當量的中子彈在地面上200米高度爆炸，能夠立即殺死爆炸中心下方25英畝（半徑180米，面積10萬平方米）范圍內(nèi)的無防護生物；能夠殺死100英畝（半徑360米）范圍內(nèi)的細菌、真菌等微生物和藻類；對于昆蟲的殺傷范圍達250英畝；能夠使1 200英畝范圍內(nèi)的50%的動物最終死亡。中子彈空爆時，以其正下方地面為圓心，對植物的破壞半徑，一般植物為550米，草原和熱帶林木為680米，溫帶闊葉林為760米，針葉林為1 000米。endprint