于敏：當之無愧的氫彈構(gòu)型最主要發(fā)明者

何祚庥

50年前“如煙”的于敏往事，現(xiàn)在只能做片段的追憶。而再過5年或10年，恐怕就再沒有人能說出于敏是怎樣研究出氫彈理論的全過程了。我的這段追憶，其實也僅限于1964年10月以前發(fā)生的事情。

蘇聯(lián)人認為中國的原子彈是他們給我們的。實際的情況是，他們給我們的只是原子彈的一個教學(xué)模型的框圖。中國人根據(jù)這個教學(xué)模型的框圖，自己摸索、探索，成功地掌握了原子彈爆炸的全部機理。最后獨立研制成功了一顆“內(nèi)爆式”，但由鈾235為核燃料組成的原子彈。

至于氫彈，那完全是中國人自己摸索出來的。有一位俄羅斯科學(xué)家，在和中國學(xué)者談及往事的時候，直截了當?shù)爻姓J了這一事實。至于美國，老是懷疑中國人“偷”了他們的“秘密”。然而，朱镕基總理曾向這些懷疑者有一番談話說，“你們的‘懷疑，至少是犯了兩個錯誤。第一，你們過低地低估了中國科技界創(chuàng)新的能力。第二，你們也過低地低估了你們的強有力的保密制度的能力?！?/p>

需要指出的是，雖然中國的氫彈確是中國人獨立創(chuàng)新、自主研發(fā)的重大成果，但如果沒有美國人、蘇聯(lián)人研發(fā)成功的范例在先，那時的中國人也是絕對不會想到我們應(yīng)獨立自主地研發(fā)氫彈。我和于敏私下曾多次交換過意見，如果沒有美國人或蘇聯(lián)的成功范例在先，那我們也絕對不會敢于“闖”這個重大難關(guān)的。原因是，如果遭到了失敗，如果浪費了大量的錢，怎么向國人交代？

但是我又很愿意向社會公眾較詳細介紹于敏等人如何進行這一重大科學(xué)創(chuàng)新活動的比較細致的經(jīng)歷。從我來看，這畢竟是中國人，“第一次”從“第一原理”出發(fā)，也就是從核物理、原子物理等物理的基本知識和物理學(xué)的基本理論出發(fā)，獨立而完整地建立和開發(fā)了氫彈的理論、技術(shù)，直到建立和實現(xiàn)中國自己的核打擊力量。

于敏是怎樣被請來參加氫彈理論研究的？

為什么中國從原子彈到氫彈比其他國家少用兩年多？

真實的情況是，氫彈的“預(yù)先”研究從1960年12月就決策上馬干了。

1960年，國家科委和國防科委在聶榮臻副總理領(lǐng)導(dǎo)下，起草了“科研工作14條”。為貫徹“14條”，聶榮臻指示說：“科研工作像下棋，下棋要看三步棋。我們的國防研究，是否還應(yīng)部署第二步棋？”根據(jù)聶榮臻這一指示，當時主持核武器研發(fā)的二機部部長劉杰找到錢三強商量，核武器應(yīng)如何部署第二步棋？錢三強當即回答說，“那當然是氫彈的預(yù)先研究”。

雖然中國人在1960年12月就已經(jīng)決策要搞“氫彈理論和實驗的預(yù)先研究”，但中國人之所以能在原子彈爆炸后2年零8個月，亦即在1967年6月17日爆炸第一顆氫彈，一個重要原因是：及早將于敏這樣“大師”級的、當時仍屬年輕的優(yōu)秀研究人員“請”來參加預(yù)先研究的工作。

于敏是張宗燧（著名理論物理學(xué)家，我國統(tǒng)計物理和量子場論研究開拓者之一）先生的研究生。畢業(yè)后，張宗燧先生為于敏寫了封強烈的推薦信。畢業(yè)后即在吳有訓(xùn)任所長、實際是錢三強領(lǐng)導(dǎo)的近代物理研究所里任助理研究員。在年輕人中，于敏一直以業(yè)務(wù)能力特強而著名。因此，在那一時期，于敏便成為“專而不紅”的一面“旗幟”。

1958年8月1日，于敏從原子能所一部調(diào)到二部，加強原子核物理的理論研究，以便和原子核物理的實驗工作相協(xié)調(diào)。在1960年原子能所二部的“紅專大辯論”和“拔白旗”的運動中，于敏成為白專道路的一面旗幟而被“打倒”。（準確地講，于敏只不過不夠“紅”，但那時認為，“粉紅式”是白專道路的變種。）

何澤慧深知于敏的科學(xué)能力。在于敏“被”打倒后，何先生說，那還是請于敏來幫我做裂變理論吧！錢三強和何澤慧都是“三分裂”“四分裂”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者。原子能研究所當然會將核裂變現(xiàn)象作為重點繼續(xù)研究。由于氫彈理論研究，是一個急待開拓的新工作。黃祖洽和我都深感“茲事體大”“責(zé)任重大”。黃和我當然都深知于的才能，我們商量，是不是請于敏也來參加工作。黃祖洽欣然同意。于是黃和我便去找錢三強，建議將于敏調(diào)過來，從事氫彈的預(yù)先研究。錢三強當然立即同意。

但由于這一批判是所黨委定的，最后只好由錢三強去請示劉杰部長。于在被批判后仍然積極工作，表現(xiàn)不錯，所以被允許調(diào)來參加工作。

初出茅廬：于敏立即來了個“火燒博望坡”

于敏最推崇的是諸葛亮講的“淡泊以明志，寧靜而致遠”這句話。這成為他終身的座右銘。在年輕朋友中間，少不得大家嘲笑他“以諸葛亮自居”，最好再加上“周瑜”，改名為“于亮”。但是，這位“諸葛亮”一參加到氫彈的預(yù)先研究中來，立即來了個“火燒博望坡”。

氫彈有三大關(guān)鍵問題：材料、原理和構(gòu)型。而研究氫彈首先就會面臨一個必須回答的問題，氫彈是什么材料做成的？氫彈當然不是由氫氣做成的。但人們通常會猜測氫彈是由氫的同位素——氘和氚做成的。這就是美國人曾經(jīng)試驗過的、那枚重達62噸的所謂T-U型氫彈。這里T是指氚，而U即鈾235，也許其中還包含有鈾238?，F(xiàn)在網(wǎng)上說，還有一個于敏型的氫彈。那么，于敏型氫彈是用什么材料做成的？

材料和爆炸機理有密切關(guān)系。美國的T-U型氫彈，是原子彈外面包著大量液態(tài)的氘和氚，原子彈爆炸后，會點燃氘和氚的混合體發(fā)生熱核反應(yīng)，釋放巨大能量，也就是用原子彈引爆了氫彈。但問題是，這樣的氫彈體積太大了，也太重了，因為液態(tài)氘和氚的氫彈，必須附加一個超低溫冷凍機，所以重達62噸。這顯然不能用來作戰(zhàn)。更重要的是，價格太貴了！因為要大量用氚，而自然界里并沒有氚，必須由人工生產(chǎn)出這種壽命僅為12年的氚！這種大量用氚的氫彈，不要說中國人沒有能力做，準確地講，美國人也不會大量做，因為太貴，做不起。

所以說，真正用于作戰(zhàn)的氫彈，必定另有出路。

既然第一枚氫彈是T-U型?？梢圆孪?，中國設(shè)計的、可用于作戰(zhàn)的氫彈，其中仍必然有氚的貢獻。即使它們不是事先放在氫彈的結(jié)構(gòu)中，也可能在爆炸中大量產(chǎn)生?？傊?，氚會在未來設(shè)計中起重大作用。黃祖洽組長第一個決定，收集氚的實驗數(shù)據(jù)，請兩位年輕同志薩本豪和劉憲輝專門收集氘氘、氘氚的截面。

他們“發(fā)現(xiàn)”，氘氚反應(yīng)最大截面是5個巴（巴這里是核反應(yīng)截面的單位，1巴等于10-24平方厘米），是所有輕核反應(yīng)截面中最大的截面。而氘氘反應(yīng)最大卻只有100毫巴。兩者相差達幾十倍到100倍！

這立即就產(chǎn)生一個疑問——氚在氫彈爆炸中起什么作用？更大的疑問是中國未來的氫彈是否真的不要氚？假如氚是必需品，而我們卻沒有，怎么辦？我們的預(yù)先研究組，是否還應(yīng)建議中國早部署氚的生產(chǎn)？

接著，我又從梅鎮(zhèn)岳先生的《原子核物理》的教科書中查到氚氚反應(yīng)截面的理論值是15巴，是氘氚反應(yīng)的3倍。而梅先生的數(shù)據(jù)，卻來自美國的《現(xiàn)代物理評論》。那是本權(quán)威雜志，應(yīng)當十分可靠。至少，如能在氫彈試制中，適當添加氚的含量，必定有利于起爆，也有利于提高爆炸當量。所以，我猜，很可能氚氚反應(yīng)截面是“未公布”的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。那么，我們的輕核反應(yīng)是否還應(yīng)提前關(guān)注一下氚氚核反應(yīng)截面實驗的測量？這就既要有氚靶，而且要有氚束。粗略估計一下，可能至少要投入幾億元人民幣才能做這個實驗。但是中國當時的科研經(jīng)費極為緊張。而氚，在那一時期，簡直是比大熊貓還要難得，中國連做一個實驗用的氚靶都做不出來。既拿不出錢來制造一臺有氚束的加速器，也不知道如何大量生產(chǎn)氚。

于敏自被“請”來參加工作后，立即用Breit-Wigner公式嚴格證明了，所有輕核反應(yīng)的截面均絕對不可能超過5巴。所謂氚氚反應(yīng)截面高達15巴的問題，一定是假的！

這真是石破天驚第一聲。為什么于敏竟能用理論來否定理論上有可能出現(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)？原子核反應(yīng)的理論遠沒有原子反應(yīng)的理論那樣成熟，于敏的結(jié)論可靠嗎？

我和黃祖洽詳細聆聽了于敏的證明。由于于敏用的是從第一原理出發(fā)但又是“半唯象”的，包含某些經(jīng)驗參數(shù)在內(nèi)的理論，其中有某些參數(shù)的輸入，又來自極為可靠的實驗數(shù)據(jù)。這是理論物理學(xué)者在走向終結(jié)理論過程中，要回答某些現(xiàn)實問題時，時常運用的標準方法之一（我和朱洪元、胡寧、戴元本等人研究層子模型時，也用了類似的方法）。但“戲法人人會變，各有巧妙不同”。在聽完于敏的證明以后，我們兩人一致認為，這一結(jié)論十分可信而巧妙，因而否決了是否需要部署、測量氚氚反應(yīng)截面的實驗建議。

這就避免了一次大浪費。若干年后，我們發(fā)現(xiàn)原來美國人曾進行過氚氚反應(yīng)截面的測量。只是測量后，并未及時發(fā)表。

有可能用原子彈點燃氘化鋰的熱核反應(yīng)嗎？

在否決了昂貴的氚彈的設(shè)想之后，其第二位的選擇，必定是采用氘化鋰。在氘化鋰介質(zhì)中，不僅可以由氘氘反應(yīng)產(chǎn)生氚，而且還能由中子和鋰6的反應(yīng)形成氚。雖然一個廉價的氫彈，必然不會含有人工制造的氚，但完全可以利用氘和鋰6形成的固體，間接地利用氚。

一個最簡單的設(shè)想：人們能否在原子彈外面加上一個氘化鋰組成的球殼，通過氚的中介，用原子彈產(chǎn)生的高溫，直接點燃氘化鋰的熱核反應(yīng)？

于敏運用逆康普頓散射機制，仔細計算了一個滿足玻爾茨曼分布的電子和一個滿足軔致輻射譜的光子相碰撞并逐漸轉(zhuǎn)移能量的過程，最后證明，等離子體中的電子會迅速地將能量傳輸給光子，而處在均衡態(tài)的光子的能量密度，一定歸結(jié)為普朗克能量密度，即aT4！

這就完全粉碎了我們所期望的用原子彈直接點著氘化鋰的等離子體！簡單計算還表明，一個在正常密度的含有氚化鋰的氘化鋰的混合體系形成的高密度等離子體，根本沒有可能會點燃！

于敏這一計算，對我們當時的猜想打擊太大了。為此，朱洪元教授還自告奮勇地仔細檢查了于敏的計算，僅在最后指出，于敏在整個計算中，少了一個因子2。但加上“2”的改正后，絲毫不影響于敏所做結(jié)論。

出路何在？

前面提到，于敏曾用公式嚴格證明氘氚反應(yīng)所具有的最大截面不會超過5巴，但我們又注意到氘氚發(fā)生反應(yīng)后，一共會放出17.6MeV的能量，而停留在等離子體內(nèi)的僅有3.5MeV。其中大部分能量由14.1MeV的中子所帶走。那么，我們能否設(shè)法使中子帶走的14.1MeV能量，又回到等離子體內(nèi)？

我由蘇聯(lián)回國時，從蘇聯(lián)的科技書店里買回一本有中子和原子核反應(yīng)截面的一個簡單的手冊。這一手冊除了收集若干低能中子的對輕核反應(yīng)的截面外，還收集有14.1MeV中子和重核元素發(fā)生核反應(yīng)的截面的簡圖。也就是當中子能量達到了14.1MeV的時候，鈾235及鈾238、钚239、釷232均發(fā)生裂變，并且裂變后平均產(chǎn)生4.5個中子，同時還釋放出約200MeV的裂變能。

我說，是不是還能設(shè)法將這些能量也補充轉(zhuǎn)移放到氘化鋰的介質(zhì)里面？而且，中子打擊鋰6后，鋰6將分裂為氚核和氫核，同時也還將增加約4.9MeV的能量。如果我們能將所有這些新釋放的能量，轉(zhuǎn)移或集中在氘化鋰的等離子體里，也許有可能使氘化鋰中的等離子體里積累的熱量大過損失的熱量，從而持續(xù)維持一個“裂變中子→被鋰6吸收形成氚→由氘氚反應(yīng)釋放出14.1MeV中子→14.1MeV中子轟擊到重核元素，如鈾238→產(chǎn)生4.5個裂變中子”的循環(huán)所形成的鏈式反應(yīng)。而如果這是一個類似于原子彈爆炸的中子不斷增殖的鏈式反應(yīng)過程，也許有可能形成一個大爆炸。

這就是當今受控?zé)岷朔磻?yīng)界，所熱衷于研究和發(fā)展的“聚變、裂變”混合堆。

那么，我們能否把這個鏈式反應(yīng)機制設(shè)法編成計算程序，在計算機上算一下？但是，這一計算工作量極大，需要求解某個有一定結(jié)構(gòu)下的中子輸運方程和輻射流體力學(xué)的聯(lián)立方程。而問題是，所涉及到中子能譜，有低能中子、中能中子，還有一直延伸到14.1MeV能量的高能中子，這至少要將中子能譜分成16群，才有希望得出可信的結(jié)果。在當時，在我們僅有的極有限的計算機條件下，相當難以解決。

這時，于敏立刻就拿出他的深厚功底的理論物理學(xué)家的看家本領(lǐng)了。于敏立即說，先研究一個理想模型。

他建議，不要馬上設(shè)法求解如此復(fù)雜的方程式，而是完全略去介質(zhì)的運動，首先構(gòu)造一個靜態(tài)的無限大的中子增殖模型，專門計算中子的增殖速度，同時也就給出升溫速度。這就可以略去求解輻射流體力學(xué)方程帶來的巨大麻煩，大大節(jié)省了計算工作量。

對于在某一溫度特定T下，某個中子經(jīng)過一次循環(huán)后的中子倍增的特征時間是多少的問題，經(jīng)過求證后發(fā)現(xiàn)，其特征時間比一般原子彈里的中子增殖的特征時間慢很多，但于敏和我卻注意到這一特征時間的倒數(shù)將強烈地依存溫度T4和密度。如果等離子體溫度T更高或者密度變大，中子數(shù)增殖特征時間的倒數(shù)便會很快上升。這一鏈式反應(yīng)過程的特征時間的倒數(shù)就有可能大大超過原子彈，也許這就是氫彈。

這就強烈地啟示著于敏和我，要“點燃”某個氫彈，除了走稀薄等體子體道路，即于敏所說“放光”模型以外;還有另一種可能性，亦即通過某種升溫和壓縮機制，將某個室溫下的“裂變中子+氘化鋰+U238”體系，壓縮升溫成為某個處在高溫T和高密度下的等離子狀態(tài)，這就有可能形成一個包含熱核反應(yīng)在內(nèi)的“鏈式反應(yīng)”式的氫彈的爆炸。

在紙上做出巨型原子彈

為什么我們過去的簡單設(shè)想均不太成功？因為一個可爆炸的帶有中子鏈式反應(yīng)機制的氫彈體系，也必然如同原子彈一樣存在著某種臨界質(zhì)量。容易證明，原子彈的臨界質(zhì)量和密度的平方成反比。而一旦通過炸藥形成向內(nèi)“壓縮”的爆震波，使原子彈內(nèi)包含的核燃料的“質(zhì)量”超過它的臨界質(zhì)量，原子彈就會發(fā)生爆炸。那么，我們設(shè)想中的有中子鏈式反應(yīng)形成的氫彈，其外來的向內(nèi)的“壓縮”波將從何而來？

這時，黃祖洽卻忽發(fā)奇想。他問，我們是否可以用大量的U235，如用1噸重的鈾235做成一個大殼子，但里面卻放上大量的氘化鋰，這一特制的原子彈必然也會產(chǎn)生向心的“壓縮”波。也許這一機制將“點燃”藏在鈾235外殼內(nèi)的氘化鋰，也許這就是所謂的“增強”式的原子彈，或十分“骯臟”的大原子彈？

于敏和我都說“好”！由于我們已經(jīng)懂得上述爆炸機理，也有了運動方程式，也有了描述中子運動的“三群”的分群截面，當然不難給出它們的尺寸大小，寫出差分格式，用計算機計算出這一“設(shè)計”的爆炸當量。而意外的是，這一超大型原子彈，其TNT爆炸當量，竟高達幾千萬噸級！這太意外了，我們居然在紙上已做出個類似于氫彈爆炸當量的大原子彈！

但是，這個模型卻用了約1噸重的鈾235。其鈾235的用量約相當于30枚的原子彈。而一枚原子彈的爆炸當量才約為2萬～3萬噸TNT當量，或這一巨型原子彈的爆炸當量應(yīng)在3萬×30或百萬噸級。但這一由紙帶上打印出來的巨型原子彈爆炸當量，卻幾乎相當于1000枚的原子彈的爆炸！為什么這一紙上巨型原子彈，獲得如此高的爆炸當量？

于敏和我均詳細地檢查了紙帶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一巨型原子彈的中子通量增殖極快，以致這一噸重的鈾235幾乎燒掉了總重量的99.99%！我和于敏都提出這樣的疑問，這一爆炸究竟是原子彈爆炸還是實質(zhì)上是氫彈爆炸？

于敏仔細思考后，所謂原子彈爆炸，其鍵式反應(yīng)的特征，是每次裂變平均放出2.5個中子，而氫彈爆炸，其鍵式反應(yīng)的特征，卻是每次裂變平均放出4.5個中子。雖然這里是用鈾235做外殼，裂變譜中子和14.1MeV的高能中子都會起裂變反應(yīng)，但也有可能這里鈾235實際上僅起著類似14.1MeV中子對鈾238所起的裂變的作用。因此，關(guān)鍵就在于在這一紙上的爆炸中，真正起主導(dǎo)作用是4個半中子還是2個半中子？

于敏從紙帶中摘出了一系列的中子增殖數(shù)據(jù)，測算中子通量的上升速度，特別取出其中的第1群，即14.1MeV中子的數(shù)據(jù)。最后，他對我說，紙帶上穿孔的數(shù)據(jù)，似乎這里起主要作用的是從1噸鈾235放出的4個半中子，并不是由裂變中子誘發(fā)的2個半中子！

所以，這一超“大型”原子彈的爆炸，實際上并不是原子彈爆炸，而更像是有熱核反應(yīng)在內(nèi)的由14.1MeV中子的鏈式反應(yīng)所主導(dǎo)的氫彈的爆炸。黃祖洽建議的這個計算，就像是有一顆由鈾235球売組成的原子彈，爆炸后對內(nèi)產(chǎn)生一個內(nèi)爆波，從外向里壓縮球売里的氘化鋰達到高密度、高溫狀態(tài)，從而引起包括氘氚反應(yīng)和中子系列的鏈式反應(yīng)。從表觀上看，這似乎是某個超大型原子彈的爆炸，而其實是一顆大型氫彈的爆炸。

問題是我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)某種壓縮機制，來實現(xiàn)這一鏈式反應(yīng)所引起的大爆炸？在黃祖洽建議的計算中，用上一噸鈾235的外殼，這當然是無法實現(xiàn)的構(gòu)型。但這一用了上噸級鈾235外殼的構(gòu)思，顯然起著兩方面作用：第一，其第一階段的或早期的原子彈式爆炸為氘化鋰提供了制氚所需要的大量的中子;第二，它提供了一個巨大的向內(nèi)的爆震波，將鈾235空腔內(nèi)的氘化鋰壓縮成溫度極高、密度極高的一個小球。因此，它極大地提高了氘化鋰的熱核反應(yīng)速度，即T4中的值可以隨溫度T4的升高和密度的變大而演變成極大的數(shù)值。但輻射損失，黑體輻射能量密度的aT4中的a值卻仍是一個常數(shù)。所以，只要創(chuàng)造某種類似機制，就有可能點燃一個真實的氫彈。

可以設(shè)法在氘鋰的球體內(nèi)放一個由鈾235或钚239做成的小球，用以提供早期大量制備氚所需裂變中子。但如果將鈾235外殼換成鈾238外殼，就無法獲得像那顆大原子彈產(chǎn)生的向內(nèi)壓縮的巨大的內(nèi)爆波。

那么這一巨大的向內(nèi)壓縮的壓力將從哪里來？在那一時期，我們未能獲得真正解答。不過，我們確曾注意到，原子彈爆炸后首先放出的是強射線，其總量約占總能量的6%。所以，一個2萬噸級的原子彈首先放出約相當于1200噸TNT當量的射線。如果能設(shè)法將這一巨大的射線能量投射到某個鈾238外殼，也許如此巨大當量的“炸藥”可以將氫彈壓縮成為一個超臨界小球，從而誘發(fā)鏈式反應(yīng)式的爆炸。

所以，我們猜測，所謂原子彈“點燃”氫彈的說法，并不是利用原子彈直接“點燃”氫彈中的熱核反應(yīng)，而是提供一個人為的類似于原子彈起爆的內(nèi)向的“向心”壓縮波，使腔內(nèi)氘化鋰溫度升高和密度增大點燃其中的氘氚反應(yīng)，從而導(dǎo)致氫彈的迅速爆炸。其爆炸機理其實是和原子彈爆炸機理相似的由內(nèi)向性“爆轟波”所引發(fā)的中子鏈式反應(yīng)式的爆炸。

不過，當時的于敏更喜歡的是“放光”模型。而如果“放光”模型得以真正實現(xiàn)，那將是一個干凈的氫彈。顯然，一個干凈的氫彈的設(shè)計比起骯臟的氫彈的設(shè)計要更為漂亮。

于敏是不是中國的“氫彈之父”？

在九院曾發(fā)生一場氫彈理論發(fā)明權(quán)的爭論。我曾向鄧稼先詳細介紹過于敏在原子能研究所所做的全部工作。從我來看，于敏是當之無愧的中國氫彈構(gòu)型的最主要發(fā)明者。

回顧那一時期所做各項工作，可以說，在氫彈的預(yù)先研究過程中，幾乎所有難點的解決都出自于敏的貢獻，而我僅是站在一旁的積極的促進者。

于敏曾多次否認他是中國的“氫彈之父”。因為氫彈的研究，包括氫彈的預(yù)先研究，的確是很多人集體研究的結(jié)果。而且，其中還有不少青年工作者，為氫彈的研究，貢獻了他們青春的一生。

那么，于敏的貢獻何在？也許我們可以打一個比喻。一個由11人組成的足球隊，在場上踢球，但起關(guān)鍵作用的人員，卻往往是場外的教練和沖在前面射門的中鋒。于敏正是這支足球隊的教練兼中鋒。至于我，雖然也在前鋒之列，但我屬于邊鋒，到了關(guān)鍵時刻，臨門一腳、應(yīng)聲入網(wǎng)的卻總是于敏院士。至于我，最多只能將足球踢到能由于敏“舉足破門”的最佳位置。

在我來看，將中國的氫彈稱之為于敏構(gòu)型，是完全準確而恰當?shù)摹?/p>

責(zé)編：周琦