淺談工程物理

王凱　矯金龍　陳海

關鍵詞 原子彈;氫彈;核武器模擬;核反應堆

1 工程物理

工程物理一詞來源于蘇聯，蘇聯啟動核能項目時，因為保密的原因，將包括核武器在內的所有核能研究的項目統(tǒng)稱為工程物理，成為一個有保密性質的專有名詞。工程物理包含了工程與物理兩個看似矛盾的體系，如何將兩個體系結合起來是值得討論的。首先，工程是指以某組設想的目標為依據，應用有關的科學知識和技術手段，通過有組織的活動將某個現有實體轉化為具有預期使用價值的人造產品的過程。因此，工程的根本驅動力必須圍繞著特定目標。其中，制造一種產品的系統(tǒng)知識稱為技術。而一方面，物理是最典型的基礎自然科學，是研究物質最一般的運動規(guī)律和物質基本結構的學科。物理學通常是以探索未知世界，拓展人類認識深度這些非功利目標為基本驅動力的。近代工業(yè)革命的歷史說明雖然科學的發(fā)展是非功利的，但正是科學的發(fā)展才使工程技術進步成為可能。另一方面，技術提升對實驗科學的發(fā)展是至關重要的，由新技術衍生出的新儀器對新的科學發(fā)現至關重要。也存在以科學研究為目標而組織的大科學工程，粒子加速器、宇宙線探測器、天文望遠鏡等為人類在基礎科學的認識拓展做了重要貢獻。因此，科學與工程技術之間是一個互相影響到共同發(fā)展的關系。

工程物理屬于工程科學，是圍繞工程目標需求的科學研究。面對工程需求，如果只涉及已經存在的成熟科學和技術，可以將其直接組織起來，服務工程目標，那就是一個純工程研究。然而，當工程目標需求超出已有的基礎科學知識積累時，則需要圍繞工程需求開展基礎科學研究。早期的核武器研發(fā)正是一個典型的工程科學的例子，首先，存在一些涉及的基礎科學問題需要理解，其次，因為涉及國家安全，相關的基礎科學研究也成為了高度保密的信息，各國必須獨立發(fā)展。因此從“二戰(zhàn)”的曼哈頓計劃開始，便有大批從事基礎科學研究的科學家參與這一工程，發(fā)展出工程物理這一方向。

工程物理的主線是設計一種瞬間釋放大量核結合能的高能量密度武器。核結合能的釋放是一個微觀核物理過程，而要得到宏觀效應則要研究中子或等離子體的輸運問題（非平衡態(tài)統(tǒng)計物理），具體而言可以分為輻射、粒子與物質相互作用（核物理、原子物理）、中子輸運、輻射輸運、物態(tài)方程和流體力學等物理問題。涉及學科覆蓋了核物理、原子物理、等離子體物理、計算物理等眾多方向，是一門典型的交叉學科。本文的目的便是沿著核武器研制這一主線，介紹其所涉及的公開物理原理。

2 鏈式反應與原子彈

工程物理的研究目標是設計一種瞬間釋放大量核結合能的高能量密度武器。圍繞這個目標，首先，需要找到能夠釋放結合能的核反應;其次，需要解決宏觀釋放能量的問題。本節(jié)將圍繞這兩點，展開討論原子彈的設計原理。

2.1 核結合能的釋放： 裂變與聚變

原子核是一個由質子、中子等核子通過短程強耦合的核力組成的束縛態(tài)，是一個強關聯量子多體系統(tǒng)。當Z 個自由質子和（A -Z）個自由中子通過核力相互作用組成的束縛態(tài)原子核時會釋放出能量，被稱為結合能B（A ，Z）

B A，Z =Zm_p+ A -Z m_n-m（A，Z） （1）

其中，mp 和mn 分別是自由質子和中子的質量，而m （A ，Z）是組成原子核后的質量。因此，對于一個給定核子數的系統(tǒng)，結合能的大小直接影響了原子核的穩(wěn)定性，結合能越大核越穩(wěn)定，反之則越不穩(wěn)定。為了更好比較不同核子數系統(tǒng)，對于有A 個核子組成的原子核可以定義比結合能ε=B（A ，Z）/A ，即結合能與核子數之比。實驗測量比結合能的結果如圖1所示[1]。

從結合能幾乎與核子數成正比變化的性質，可以推導出核力是短程力，事實上核力的作用范圍大約是10～15m。在圖1中，雖然比結合能與核子數變化不大，但仍然可以看到原子序數處于中間鐵元素附近的核素比結合能最大，即最穩(wěn)定，而從兩端的核素向中間的核反應過程，都伴隨結合能的釋放，分別被稱為核裂變反應和核聚變反應。其中，核裂變指較重的原子核產生兩個重量相當的原子核，而核聚變反應指兩個較輕的原子核聚合成一個結合能更高的原子核。

核反應作為一個量子散射過程，當一個初態(tài)兩體形成一個中間束縛態(tài)的過程時，散射截面有顯著增強即Briet-Wigner共振散射區(qū)間。圖2中[2]在低能中子區(qū)的行為則對應共振散射區(qū)間，每一個共振峰均對應著鈾236和钚240的激發(fā)態(tài)。對于鈾238，吸收一個低能中子得到鈾239，但并不在易裂變的能級，因此只是發(fā)生吸收反應（n，γ）。作為一個束縛態(tài)總會因為高能粒子轟擊而被打散，稱為散裂反應。對于鈾238而言，需要中子能量達到較高的O （10MeV）以上時，才會發(fā)生散裂性質的裂變反應。

核聚變是指兩個較輕的原子核靠近到核力的作用范圍，發(fā)生核反應聚合成一個更重的原子核和其他產物的過程。因為原子核帶正電，要發(fā)生核聚變，就必須克服原子核之間的庫倫排斥，因而庫倫勢壘越小的反應越容易發(fā)生，其中最容易發(fā)生的核聚變反應是氫的同位素氘氚，該聚變產生一個α粒子和一個中子，總共釋放17.6MeV 的能量。鑒于中子的質量約是α粒子的1/4，所以中子帶走了80%的能量，大約14.1MeV。

1896年貝克勒爾偶然發(fā)現了鈾的天然放射性，開啟了原子核物理的新世紀。隨后，居里夫婦發(fā)現鐳、釙等更多放射性核素后，提供了穩(wěn)定的α粒子源。這些動能為O （5MeV）左右的α粒子可以透過原子核外的電子直達原子核，在盧瑟福散射、人工核反應等發(fā)現中均起到了決定性作用。在盧瑟福散射過程中，α粒子帶正電荷+2e，而核力是短程力，只在10～15m 范圍發(fā)生作用。如果要α粒子運動到金核的核力作用范圍，需要克服巨大的庫倫排斥勢能，約26MeV，所以盧瑟福散射只是α粒子在金核靜電場中的庫倫散射，不涉及任何核反應。

直到1932年查德維克發(fā)現中子。中子不帶電，會直接運動到核力作用范圍，因此，中子參加的反應一定是核反應，所以中子的發(fā)現在核物理中有著非常重要的意義。1933年希拉德首次意識到如果能利用中子轟擊核素產生新的中子，且每次釋放的中子超過1個，就會形成一個增殖的正反饋過程，產生中子的逐級指數增加產生了雪崩效應，從而產生大量的中子繼而轟擊原子核產生海量的核反應，這被稱為鏈式反應。當然，當時不知道什么樣的反應和核素可以用于鏈式反應。

1934年費米開始研究利用中子轟擊鈾原子核，發(fā)現了镎、钚等新的核素。之后，化學家哈恩和核物理學家邁特納①在柏林開始重復費米的實驗，哈恩主要負責新核素的化學分離。1938年12月19日哈恩給邁特納的信②中介紹了在中子與鈾的反應中產生了鋇，邁特納和她的侄子費力奇第一次解釋了核裂變反應的物理機理。1939年2月哈恩研究組首次預言裂變反應中同時會產生中子③。

最早的鏈式反應發(fā)生在石墨核反應堆中。費米研究組在利用中子轟擊鈾產生裂變的過程中，偶然發(fā)現了在有石墨的核燃料中的反應率大大提高，這成為第一座核反應堆的設計基礎。1942年12月2日，費米在芝加哥主持的世界第一個石墨慢化的核反應堆第一次實現了自持鏈式反應。圖2是核裂變反應的截面，低能中子對應的共振散射區(qū)域的裂變反應截面遠比裂變中子對應的截面高兩個數量級。當中子與較輕的原子核（如石墨中的碳原子核）發(fā)生彈性碰撞，會逐步失去動能，這個過程被稱為中子慢化過程，而石墨被稱為減速劑或慢化劑。另一方面，慢化的彈性碰撞過程也延長了反應時間，因此核反應堆是一個相對緩慢的釋放核能的裝置，不符合武器設計中對裝置緊湊性和瞬時釋放大量能量的要求。

2.2 原子彈的設計原則

純裂變裝置即原子彈，利用核裂變反應來釋放核結合能。事實上，每次裂變反應釋放的約200MeV 的結合能，只有10～11J，從宏觀上來看是微不足道的能量。因此，必須有大量的微觀反應才能呈現出可觀的宏觀效果。然而每次裂變反應都需要中子激發(fā)，意味著必須有足夠大量的中子。幸運的是，每次裂變反應同時會釋放2～3個中子，且裂變中子動能約1MeV，遠遠超過需要激發(fā)可裂變材料（鈾233，鈾235和钚239）所需的中子動能，使得反應可以逐級進行下去變成鏈式反應①。鈾235等裂變材料的生產，核心在于同位素分離。同位素指質子數相同，而中子數不同的核素。元素的化學性質由核外電子決定，同位素的化學性質幾乎是一樣的。鑒于鈾235比鈾238更容易衰變，天然鈾礦中鈾235豐度只有約0.7%，這也是費米進行了多年實驗只是發(fā)現了新產生的核素卻并沒有發(fā)現裂變反應的原因。原子核質量上約1.2%的差別反映到電子約化質量，以及核自旋帶來的自旋軌道耦合上的細微差別，只在超精細結構的程度有差別，所以通過普通的化學反應是無法把同位素分離的。同位素分離是核武器生產環(huán)節(jié)一個重要瓶頸，是核武器制造過程中最大的工業(yè)項目。同位素分離主要依賴于氣體擴散法和離心機法兩類，都是針對同位素原子核質量的細微差別而設計。原子光譜超精細結構上的差別帶來了同位素電離能的細微變化，使得可以通過激光對其中一類核素先電離，再通過電場分離同位素，但是這種激光分離同位素的生產成本也是非常高的。钚239主要來自于鈾238吸收中子后的兩次β衰變，所以钚239的生產需要大量的中子。通常利用核反應堆中的高通量中子生產钚239，再通過化工的后處理方式進行提純，得到純钚239。“二戰(zhàn)”時，美國在橡樹嶺國家實驗室同時開展離心機分離鈾235和核反應堆生產钚239的工作。也正因此，長期領導橡樹嶺國家實驗室的魏格納在核反應堆物理的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。我國發(fā)現鈾礦后，主要在蘭州的氣體擴散廠（404廠）開展提純鈾235的工作。蘇聯運來了工廠部件后，就撤走了全部專家，統(tǒng)計物理學家王承書院士臨危受命，負責整個工廠的組建任務。而生產钚239的核反應堆在嘉峪關外的504廠。

普通物質中其實充滿了電子，電中性的中子不與電子反應而只與原子核反應，另一方面，原子核尺度是原子尺度的萬分之一，因此，中子在物質中的輸運過程中碰到原子核的概率是非常低的。例如純鈾235 中，快中子的平均自由程接近20cm。一旦中子逃逸出核材料，便不能參加鏈式反應。因此，如果材料尺寸很小，鏈式反應經過幾代后絕大多數中子離開材料，核反應便停止了，我們稱這種狀態(tài)為次臨界。對于武器來說，希望中子盡可能多的被用來參與裂變反應，有幾個重要的方法可以用來降低中子的逃逸概率：

（1） 增加材料尺寸以提高中子在逃逸前發(fā)生核反應的概率;

（2） 采用球形核燃料，其面積體積比最小，對應中子逃逸概率最小;

（3） 加中子反射層讓中子通過彈性碰撞返回核材料中;

（4） 壓縮核燃料以增加材料密度，提高中子發(fā)生核反應的概率。

能夠實現自持鏈式反應的核材料尺寸被稱為臨界半徑，從而可以求解出臨界質量。從圖2中可以看到，在核裂變中子的能區(qū)O （1MeV），裂變反應截面要小兩個數量級，因此需要大量高豐度的純裂變材料，如純钚239的臨界質量約在10千克左右，而鈾235則是48千克。

核武器設計的核心是在保證安全性的前提下，盡可能提高裝置鏈式反應效率。然而，在鏈式反應發(fā)生過程中，大量的能量被釋放出來，會導致核材料膨脹甚至氣化、等離子體化，密度的降低會讓反應性迅速降低，鏈式反應停止。鏈式反應是指數增殖反應，因此，鏈式反應中止前最后幾步是原子彈釋放能量的決定性因素。一旦裂變材料達到臨界，就需要進行中子點火，中子點火的精準控制是一個重要環(huán)節(jié)。如果在次臨界狀態(tài)點火，那鏈式反應就會很快停止，會釋放一定能量但不足以發(fā)生核爆炸，這被稱為過早點火。裂變武器的設計可以被總結為以下幾條：

（1） 次臨界裝配：因為存在自發(fā)裂變等偶發(fā)的中子事例，從安全角度，核武器必須處于次臨界的存儲狀態(tài)，以避免偶發(fā)中子引起的鏈式反應。

（2） 引爆前達到超臨界：讓裂變材料快速達到超臨界狀態(tài)，通常是通過化學爆轟反應將處于次臨界的燃料塊壓縮至超臨界。

（3） 中子點火時刻：在最優(yōu)超臨界狀態(tài)，通過中子發(fā)生裝置釋放中子啟動裂變鏈式反應。

（4） 鏈式反應自持：裂變鏈式反應開始后，盡可能延長保持材料完整的狀態(tài)，以保證更多材料在物態(tài)變化導致鏈式反應停止前反應。

基于以上的原則，原子彈最早的設計可以分為槍式結構和內爆型結構，曾用于實戰(zhàn)的兩枚原子彈就分別屬于這兩種結構。

（1） 槍式結構：槍式結構是通過發(fā)射一塊裂變材料與另一塊裂變材料組成一個整體達到臨界質量，是最簡單直接的想法，也是原子彈最早的設計。1945年8月6日在日本廣島投放的“小男孩”原子彈便屬于槍式結構。槍式結構的原子彈的優(yōu)點是技術簡單，彈體直徑較小，但存在一些明顯的缺點。首先是需要大量的核材料，彈體設計長，并且效率很低。當一定比例的原子核裂變后，原子核的動能迅速增加，隨著核材料的膨脹，鏈式反應會很快停止，原子彈“小男孩”使用了64kg的80%豐度的鈾235材料，而裂變材料的使用效率只有約1.5%。其次，槍式結構中兩塊核材料的超臨界拼合是通過炸藥推進完成的，拼合時間大概在毫秒量級，拼合時間過長，存在過早點火的危險。尤其是對于钚239材料，其自發(fā)裂變半衰期比鈾235低兩個數量級，更容易出現過早點火問題。如果钚239中混入钚240，钚240有非常大的自發(fā)裂變強度，問題更加嚴重。因此，槍式結構的原子彈一般無法使用钚作為燃料。另外，槍式結構的原子彈雖然彈體直徑較小，但為了使核燃料快速組合，需要一定的加速距離，因此槍式結構的彈體需要做的很長。

（2） 內爆型結構：內爆型結構的原子彈采用另一種設計思路，即通過化學炸藥產生的內爆沖擊波壓縮核材料，增加核材料密度，使核材料從次臨界狀態(tài)轉變?yōu)槌R界狀態(tài)。內爆型原子彈具有兩個突出優(yōu)點：（1）內爆壓縮時間相比于槍式結構的核材料拼合時間大大縮短，核材料從臨界到高超臨界狀態(tài)只需要幾微秒，大大降低過早點火的危險，這也使高自發(fā)裂變材料钚的使用成為可能。1945年8月9日在日本長崎投放的“胖子”即是一顆內爆型钚239裝料的原子彈;（2）內爆壓縮顯著提高了核材料的密度，大幅降低核材料的臨界質量，節(jié)省核材料的同時還提高了核材料利用效率，便于武器小型化設計。今天所有現代核武器都是以內爆型為基礎設計的。我國的第一顆原子彈就直接采用了內爆型設計。王淦昌先生是核武器試驗工作的負責人，領導團隊在河北省懷來縣官廳水庫附近的工兵靶場（被稱為“十七號工地”）開展爆轟試驗。王淦昌先生當時年近六十，住帳篷，和同事們一起熔炸藥，打了上千發(fā)炮，研制出多種炸藥平面波透鏡和多種特種部件，為我國的內爆型原子彈的成功試驗打下基礎[15]。

3 突破臨界

戰(zhàn)略核武器的設計目標是減小尺寸增加當量，以保證運載工具可以攜帶更多彈頭，每個彈頭有更大當量。提升武器當量的最直接的想法是增加核材料，但核材料的臨界質量問題給原子彈當量帶來了限制。在純裂變的原子彈中，為了防止包括自發(fā)裂變等偶發(fā)中子過程導致的過早點火問題，核材料在點火之前必須處于次臨界狀態(tài)，而增加裝料必然受到保持次臨界要求的限制，同時也增加了內爆型裝置防止過早點火的設計難度。世界上最大的純裂變裝置核試驗約為50萬噸TNT當量（美國Ivy King核試驗，1952年11月15日）。

因為臨界質量對原子彈當量的限制，進一步提升武器當量需要采用新的物理機制。事實上，在曼哈頓計劃剛啟動的1942年夏天，加州大學舉行了一次項目理論研討會，商議武器的設計原理，鑒于當時大家覺得裂變武器原理似乎是順理成章的，會議議題就沒有局限于裂變。泰勒在會上提出了利用聚變能的想法，首次提出了利用TNT炸藥引爆氘氚聚變的設計（superClassical），但這個想法很快被貝特的計算完全否定[3]。

前面提到，鑒于核力是短程力，要發(fā)生聚變反應，兩個原子核必須靠近到10～15m 尺度的核力作用范圍。氫的同位素需要克服的庫倫排斥勢能是最小的，因此氘氚聚變是點火溫度最低的核聚變反應，其只需克服大約0.4MeV的庫倫排斥勢能?？紤]量子散射問題中的量子隧穿效應和原子核速度分布函數的高能部分，其實只需要keV的動能。氘氚聚變反應會釋放17.6MeV 的能量，如果單純看核反應的單位質量放能，氘氚聚變是裂變的四倍，有非常大的優(yōu)勢，但是鑒于氘氚的密度非常小，其單位體積放能其實是非常低的。表1中給出了钚239、鈾235兩種裂變材料的裂變反應與氘氚聚變反應中釋放的反應能，其中單位為噸TNT 當量每克（T/g）?？梢钥吹?，即使以固體氘氚冰的高密度做比較，也完全不具有優(yōu)勢[4]。

另一方面，氘氚聚變反應產物為中子與α粒子，由于中子的質量是α粒子的1/4，因此反應能的80%將轉換為中子的動能約14MeV，α粒子動能約為3.5MeV。雖然中子能量很高，但直接利用高能中子殺傷的范圍是有限的。因此，從發(fā)展小型化大當量武器的角度，純粹的氘氚聚變并沒有優(yōu)勢。當然，如果從戰(zhàn)術性核武器角度，即不是簡單強調大當量的目標時，是可以利用聚變效應殺傷的。比如，中子彈就是典型的以高通量高能中子作為殺傷手段的戰(zhàn)術核武器。

綜上所述，不應該只利用聚變反應來設計核武器。那么聚變反應到底是如何在武器中應用的？ 本節(jié)將展開討論三種方式。

3.1 聚變裂變混合裝置（一）———聚變增強型原子彈

聚變增強型原子彈是最早利用聚變反應的核武器。核裂變材料通過鏈式反應過程釋放出巨大能量，使核材料發(fā)生相變，迅速膨脹，導致材料密度大幅降低，中子平均自由程變長，處于臨界或者超臨界的核材料會立刻變成次臨界狀態(tài)，導致鏈式反應停止。這極大地限制了原子彈的武器效率，造成核裝料的巨大浪費，即使內爆型原子彈的最高效率也只有20%。聚變增強型原子彈正是在這樣的背景下被研發(fā)出來的。

聚變反應產生的高能中子的動能遠遠高于裂變中子，這些高能中子對裂變反應有重要影響。聚變中子相比于裂變中子，其核材料的裂變反應截面可以提高約2倍，顯著增加裂變反應概率。同時，聚變中子引起的裂變反應，釋放的次級中子數目明顯增加。例如，聚變快中子轟擊钚239平均產生4.6個中子，比原裂變中子反應的2.9個中子提高了近60%。最終導致從裂變中子到聚變中子激發(fā)钚239裂變，次級中子產率提高8倍，這極大提升了裂變反應效率，聚變增強型原子彈的效率甚至可以超過40%。

聚變增強型原子彈的設計是在內爆型原子彈的中心增加氘氚混合燃料，通過裂變反應產生的聚心壓縮使氘氚發(fā)生聚變反應，進而釋放高能的快中子。氘氚氣體的量與產生的額外中子通量成正比，因此武器的當量也可以通過控制充氘氚材料的量來控制。

3.2 聚變裂變混合裝置（二）——氫彈

我們在前一節(jié)提到可裂變材料的臨界質量是限制純裂變裝置武器當量的主要原因。因此需要尋找一種避開臨界質量限制的方法。

突破臨界質量限制的關鍵是繞開裂變材料的鏈式反應。如果一種核材料，當其被高能中子轟擊時可以發(fā)生裂變，但是產生的裂變中子不會進一步導致其發(fā)生裂變，這樣就不會發(fā)生鏈式反應，也就沒有臨界質量的問題。事實上，高能中子轟擊材料發(fā)生裂變類似于一個散裂過程，很多重核元素都有這個性質。我們以鈾238為例，要發(fā)生裂變反應的初態(tài)中子動能要超過10MeV，遠超過裂變反應產生的中子動能。因此，只要找到一種高通量的高能中子源，就可以利用高能中子轟擊鈾238裂變，釋放核結合能。鈾238沒有臨界質量的問題，所以裝料的提高沒有限制。武器設計的關鍵變成了如何得到高通量的高能中子源，而氘氚聚變恰好提供了這樣一個快中子源?；谏鲜鲈?，產生了一種兩級武器方案，包括“初級”和“次級”?！俺跫墶笔且粋€裂變反應裝置，可以產生高溫輻射場，利用該輻射場燒蝕壓縮包含氘氚燃料的“次級”，發(fā)生聚變反應，釋放部分能量并產生大量快中子，快中子與包殼層的鈾238反應，最終釋放大量核裂變能。由于鈾238的裝料不受臨界質量限制，因此提高氘氚聚變產生快中子的通量成為提高武器當量的核心問題。因為主要利用了氫的同位素氘氚的熱核聚變反應，因此這種聚變裂變混合裝置被稱為氫彈，也叫熱核武器。

氫 彈中的氘氚燃料需要很高的溫度和密度條件才能發(fā)生充分的聚變反應，產生足夠多的聚變快中子。氘氚聚變反應條件的形成和維持包括燒蝕壓縮和自持燃燒兩個物理過程：

（1） 燒蝕壓縮：氫彈中的原子彈“初級”爆炸后產生大量的高溫X 射線，這些高溫輻射傳輸到氫彈“次級”表面后，沉積能量。X 射線一般無法直接將能量轉移給原子核，需要以電子作為媒介。X射線主要通過光電效應將電子從原子的束縛態(tài)中電離出來，這些電離電子隨后通過不斷的碰撞，將能量傳遞給原子，最終實現X 射線在物質中的能量沉積，加熱物質。氫彈“初級”釋放的X 射線具有極高的通量，可以顯著電離“次級”物質，形成等離子體狀態(tài)，并向外發(fā)生劇烈的噴射。根據動量守恒，向外噴射的等離子體會在氫彈“次級”中形成聚心的燒蝕壓力，壓縮并加熱“次級”中的聚變材料，極大的提升聚變材料的密度和溫度，達到聚變反應條件。如前所述，輻射與物質相互作用的本質是電子在物質中的輸運，物質中電子的輸運過程遠遠慢于輻射輸運，這直接導致了輻射能量會在物質表層一定深度產生積累效應，因此，輻射能量沉積產生的反沖壓力（燒蝕壓力）要比直接由光子氣產生的輻射壓力高數量級。

（2） 自持燃燒：氘氚燃料需要充分反應，才能產生足夠多的聚變快中子，進而提高武器當量。因此，熱核燃料的自持燃燒問題就成為其中關鍵。自持燃燒過程需要聚變產物沉積能量加熱聚變材料，維持聚變反應所需的高溫條件，使聚變反應過程維持下去。氘氚燃料的聚變反應會產生高能中子和α粒子，但由于中子在氘氚等離子體中的平均自由程很長，大部分中子會離開氘氚等離子體，因此，α粒子的能量沉積是維持自持燃燒的主要機制。

燒 蝕壓縮和自持燃燒最大的挑戰(zhàn)是高溫高壓氘氚等離子體系統(tǒng)中的各類流體不穩(wěn)定性，其中包括由不同材料、溫度、密度導致的界面Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性;界面兩側存在切向速度時的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性;沖擊波與界面作用導致的Richtmyer-Meskov不穩(wěn)定性。這些不穩(wěn)定性的發(fā)展會嚴重影響氘氚燃料的壓縮和自持燃燒過程，在后面的慣性約束聚變的核武器模擬過程中，將繼續(xù)討論。

另一方面，雖然氫彈中的聚變反應是氘氚反應，但氚的半衰期只有約12年且生產成本高。為降低裝備的存儲和生產成本，氫彈中并不直接使用氚而是由鋰6吸收一個中子產生的，鋰6與中子發(fā)生（n，α）反應，

共振區(qū)間在約200keV 左右。因此，氫彈中采用的聚變材料為氘化鋰，需要先通過初級裂變反應產生中子，再利用上述反應產生氘氚熱核燃料①。

至此，我們理解了氫彈的基本設計思想。根據公開解密資料，圖3是美國W88彈頭結構示意圖[5]。

這是一個典型的聚變裂變混合裝置，上半部分的初級是一個中心有氘氚混合材料的聚變增強型原子彈，下半部分是聚變裝置的次級。其中，次級以氘化鋰為熱核燃料。氘化鋰內部中心有一小塊鈾235，當其發(fā)生裂變反應后，可以幫助聚變材料升溫，達到聚變點火溫度，同時裂變產生的中子又可以幫助氘化鋰產氚。裝置的最外層是鈾238的包殼，這個包殼一方面作為約束初級引爆時產生的X 射線的黑腔，另一方面又作為氘氚聚變產生的快中子激發(fā)裂變的燃料。由于鈾238包殼沒有臨界質量的限制，因此鈾238是大當量氫彈的主要能量來源?！俺跫墶薄按渭墶焙桶鼩ぶg填充有高分子材料，用于產生等離子體并傳輸X射線。

泰勒最早提出利用聚變能制造核武器的想法，之后烏拉姆通過反復計算提出利用輻射內爆來壓縮氘氚材料產生聚變反應的方案，形成了所謂泰勒烏拉姆構型。氫彈原理和構型曾經是高度保密的，不過蘇英中法四國科學家也分別獨立研究掌握了氫彈設計。特別值得提及的是我國和法國在氫彈研制領域的競賽，這是一場典型的大科學工程研究思路的比較。表2中分別給出了我國與法國的核武器研制時間表。

我國在于敏先生領導下率先掌握了氫彈的基本科學原理，抓住了關鍵科學問題，實現了理論設計突破;之后在王淦昌先生領導下，于1966年12月29日成功實現氫彈原理實驗，由唐孝威院士小組確認了聚變快中子的產生?？茖W原理上取得突破后，工程上的結果便是水到渠成。而法國人一直試圖優(yōu)化如何在裂變材料中摻聚變材料，以工程設計思路寄希望于結構優(yōu)化，沒有意識到關鍵科學問題是突破臨界質量，這讓一個老牌帝國主義國家在這場競賽中敗給了一窮二白的中國。而中國人在這場競爭中制勝的原因則如于敏先生所總結的，科學研究要做到“知其然知其所以然”[6]。

要做到這一點，需要理論物理和實驗物理的密切配合，精確理解整個過程的物理。也正是由于理論與實驗的密切協(xié)作，我國僅通過45次核試驗便掌握了核武器設計相關的諸多物理，為維護國家核武庫的穩(wěn)定及發(fā)展作出了重要貢獻。例如核試驗中測得的γ射線波形等數據，可以通過分析γ光子由哪種機理產生，分別反映裂變和聚變的過程，區(qū)分它們的變化規(guī)律，研究裂變聚變混合裝置的反應情況。再例如，核試驗的中子譜測量對于中子輸運過程的研究提供更多信息，對武器當量的計算至關重要。在原子彈中，存在部分中子被原子核吸收后又釋放出來的非彈性散射過程，雖然初末態(tài)與彈性散射過程一樣，但中間態(tài)不同導致了末態(tài)中子能譜的不同。而氫彈中，“次級”壓縮氘氚燃料聚變產生高能中子能譜是預言鈾238裂變放能的基礎。因為氘氚燃料密度極高導致聚變產生的中子密度極高，中子與中子的彈性散射不可忽略，從而變成了一個典型的非線性中子輸運過程，部分中子動能接近25MeV[7]。以上這些信息都需要通過中子飛行時間譜的數據分析來驗證[8]。

3.3 聚變裂變混合裝置（三）——特殊用途核武器

氫彈的核心思想是利用聚變產生的快中子轟擊沒有臨界質量限制的鈾238等材料釋放核裂變能，從而達到提高當量的目的。但是戰(zhàn)略核武器的大當量也讓這種武器不會被輕易投入戰(zhàn)場，因此，小當量戰(zhàn)術核武器有更大可能性被用于實戰(zhàn)。中子彈便是一種直接利用聚變中子進行殺傷的戰(zhàn)術核武器。其核心思路是以千噸級的小型化裂變武器作為初級，激發(fā)氘氚聚變，產生大量高能中子。由于整體放能不高，因此沖擊波的殺傷效果較小，主要是以瞬時的高通量高能中子為主要殺傷手段。較弱的沖擊波對建筑物、裝甲車輛等破壞較小，而高能中子穿透性高，可以殺傷建筑物和車輛中的人員。由于中子彈的“初級”當量很小，也沒有“次級”中的裂變材料二次點火，因此這類小當量核武器無法使用氘化鋰作為熱核材料，通常大量采用氘氚混合液體或者氘氚冰直接作為聚變材料，所以需要低溫保存?！俺跫墶绷炎冄b置的小當量對X射線燒蝕壓縮聚變“次級”的過程提出了挑戰(zhàn)，因此需要對輻射壓縮過程從設計上進行增強，通常是采用鎢等金屬作為包殼使得受激后釋放更多輻射，這類武器也被稱為輻射增強彈。

各國也開發(fā)過以X射線為主要殺傷手段的核武器（X 射線增強彈），主要用于太空反導。核武器產生的軟X 射線輻照導彈彈頭后，在彈頭材料表面沉積能量，使表面出現氣化或等離子體化，進而產生燒蝕激波在材料中傳播，對彈頭進行物理破壞。這類武器的設計核心仍然是需要有較高的聚變份額，且要額外添加容易產生X射線的材料。

4 核武器模擬

1996年我國簽署了《全面禁止核試驗條約》，之后不再開展真實的核武器爆炸實驗。為了繼續(xù)維持核武庫的安全性和可靠性，需要發(fā)展一系列核武器模擬手段。核武器模擬是指，在實驗室條件下，對核爆炸過程進行物理分解研究。根據前面的討論，裂變“初級”裝置主要提供高亮度X 射線，通過燒蝕壓縮過程，為“次級”熱核裝置創(chuàng)造聚變反應所需的高溫高壓條件，因此武器模擬試驗的一個重要途徑就是產生高亮度X射線源。實驗結果不僅可以加深對武器物理的理解，還可以為數值模擬程序提供高精度物理參數，校驗模擬程序準確性。實際上，核武器模擬包含軟件和硬件兩部分，即數值模擬和實驗模擬。下面分別介紹核爆炸數值模擬所涉及的計算物理內容，和用于核爆實驗模擬的Z箍縮裝置及激光慣性約束聚變裝置。

4.1 計算物理

需要特別指出的是，當應用于具體的構型設計時，中子物理、爆轟物理、金屬物理、彈體彈道等各個領域中都需要進行大量的計算，其中所涉及的諸如中子輸運方程、輻射輸運方程、流體力學方程和物態(tài)方程等均為極復雜的非線性方程組。即使在一定的近似下，傳統(tǒng)的分析方法求解也是不可能的。按照von Neumann當時的估計，其計算量已經超過人類有史以來進行的全部算術操作的總和。由于開發(fā)核武器和破譯密碼的需要，計算機誕生之初就被應用于軍事用途，并且在一大批物理學家的推動和改進下，電子計算機的性能也取得了飛速的發(fā)展， 例如von Neumann參與設計了著名的存儲程序邏輯架構，Metropolis領導建造的MANIAC通過連續(xù)60天的計算驗證了氫彈工程建造的可行性，并發(fā)展了著名的蒙特卡羅方法，如今已經是許多學科方向的基本數值模擬方法。

隨 著戰(zhàn)后美國政府對曼哈頓計劃的逐步解密，“計算物理”一詞首次正式出現在1963年出版的《計算物理方法》叢書中[9]。從最初的軍事應用，計算物理以席卷之勢應用到統(tǒng)計物理、流體力學、高能物理、核物理、天體物理、等離子體物理、大氣物理等各個領域，催生了以離散數值計算為主要手段研究物理問題的新學科，與理論物理、實驗物理相輔相成共同發(fā)展，成為現代物理學的三大分支之一。

我國的核武器研制計劃同樣離不開計算物理的貢獻。在當時一窮二白的工業(yè)基礎以及蘇聯毀約的背景下，理論計算成為獨立自主研制核武器的突破口。盡管當時我國已經研制了第一臺104機型的電子計算機，但它的算力非常低，而且操作極其繁瑣，因此還需要大量使用手搖的模擬計算機。1960年，為驗證蘇聯專家提供的原子彈教學模型中的關鍵參數，科研人員用特征線法求解流體力學方程，用4臺手搖計算機連續(xù)算了9次，模擬從啟爆到碰靶的物質運動的全過程，否定了蘇聯專家教學中的數據，史稱“九次計算”。它是我國第一顆原子彈理論突破的標志性歷史事件，為理解原子彈反應過程、掌握武器內爆規(guī)律奠定了堅實基礎，堅定了獨立自主研制原子彈的信心。1961年，周毓麟采用了von Neumann的“人為黏性法”，在流體力學方程組中增加人為黏性項，將沖擊波的間斷面變成有限寬度的連續(xù)區(qū)，從而實現上機編程運算，在短時間內就可以計算出模型結果，與“九次計算”中手搖計算機得到的結果一致。1961年，秦元勛用自己提出的“人為次臨界法”，求解非定常中子輸運方程，完成了核材料被壓縮到超高臨界后能量釋放過程的總體計算。

1982年，《原子彈氫彈設計原理中的物理力學數學理論問題》榮獲國家自然科學一等獎，由于對署名作者的人數限制，只署名了9位科研集體的代表，其中分管領導理論研究的彭桓武先生位列第一，其余八位中，鄧稼先、周光召、于敏、黃祖洽是物理學家，周毓麟、秦元勛、江澤培、何桂蓮是數學家，他們都是我國現代計算物理學科的奠基人和開拓者。

4.2 Z箍縮裝置

Z箍縮是一種產生強X 射線源的重要方法。Z箍縮利用瞬時的百萬安培量級的電流通過柱形導體產生巨大的角向磁場，使等離子體內爆加速到每秒數百千米的速度，經過碰撞，將動能轉化為等離子體內能，變成高溫高密度的等離子體并輻射軟X射線。美國桑迪亞（Sandia）國家實驗室的Z裝置（Z-Machine）電流達到20MA，利用絲陣Z箍縮產生的峰值X射線輻射功率超過300TW，輻射總能量輸出達到2MJ[10]。目前Z箍縮動態(tài)黑腔的輻射溫度已經超過200eV[11]。我國在Z箍縮方面的研究處于世界前列，中國工程物理研究院的“聚龍一號”裝置，電流達到10MA，利用鎢絲陣靶產生的X射線總能量超過0.5MJ，輻射溫度接近100eV[12]。

鎢絲陣動態(tài)黑腔主要結構包括上下電極板、重金屬絲陣和內部的低密度泡沫及中心的聚變靶丸。絲陣動態(tài)黑腔的X 射線產生過程為：初始儲能的Marx發(fā)生器放電后，在高原子序數的金屬絲陣中形成數十兆安的電流，金屬絲在大電流加熱下形成等離子體，并在電流產生的環(huán)向磁場作用下，加速內爆;高速的內爆等離子體與泡沫碰撞，形成高溫沖擊波，發(fā)出強X 射線輻射;這些X射線會被絲陣等離子體俘獲，最終形成動態(tài)黑腔。靜態(tài)黑腔是一個高Z材料的空腔，內部放置有聚變靶丸。動態(tài)黑腔產生的高溫X射線輻射通過靜態(tài)黑腔壁上的開孔進入靜態(tài)黑腔，在黑腔內壁經過多次反射后，形成溫度均勻的輻射場。

4.3 激光慣性約束聚變裝置

激光被發(fā)明后，美蘇中三國均有科學家敏銳意識到利用激光可以產生氘氚聚變的想法，鑒于當時處于高度保密狀態(tài)，都是獨立提出的。王淦昌先生于1964年10月4日在一份內部報告《利用大能量大功率光激射器產生中子的建議》提出了這一想法，開創(chuàng)了世界激光核物理領域，是今天激光慣性約束聚變的雛形[13]。王先生長期領導我國激光慣性約束聚變研究。今天的慣性約束聚變可以分為直接驅動和間接驅動兩種模式[14]。直接驅動是利用高功率激光直接打靶，當激光照射到聚變燃料球，材料表面迅速電離形成等離子體層，激光在等離子體中傳輸，不斷沉積能量，并在等離子體臨界密度附近截止，之后電子攜帶激光沉積的能量進入燃料球內部，產生類似于前面提到的燒蝕壓縮過程，最終使燃料狀態(tài)達到聚變反應條件。直接驅動方式對激光的輻照均勻性要求非常高，否則很容易導致氘氚燃料因為燒蝕過程的不穩(wěn)定性而無法實現聚變燃燒。20世紀70年代后期提出的間接驅動方式，放寬了對激光束輻照均勻性的要求，并且降低了對流體不穩(wěn)定性的敏感度，因此成為目前主要的慣性約束聚變方案。

間接驅動方式是將激光轉換為X 射線，然后用X射線輻照燒蝕聚變燃料球。燃料球放置在一個高Z材料（比如金）的黑腔中，多束激光從黑腔上的開孔入射到黑腔內壁，燒蝕并激發(fā)X射線，在黑腔中形成一個相對均勻的X 射線黑體輻射場，燃料球在X 射線的燒蝕下發(fā)生內爆壓縮，最終達到熱核聚變條件。美國國家點火裝置（N1F）主要開展間接驅動聚變方式的實驗研究，目標是實現所謂聚變點火，即被壓縮的聚變燃料不需要進一步的外部加熱就可以保持熱核聚變反應。NIF有192路351nm 波長的高功率激光束，峰值功率達到500TW，目前可以輸出2.05MJ的激光能量①。近年NIF取得了一些進展和突破，2021年8月8日NIF實現了1.35MJ的聚變放能[17]，并認為該實驗發(fā)次已經實現聚變點火[18];2022年12月5日，NIF首次實現聚變能“凈增益”，即聚變放能超過入射激光能量②。我國位于四川省綿陽市的中國工程物理研究院建成的“神光Ⅲ”激光裝置，是繼美國國家點火裝置（NIF）、法國兆焦耳激光裝置（LMJ）之后的世界第三大高功率激光裝置，目前的輸出能力僅次于NIF?！吧窆猗蟆奔す庋b置有48路351nm 波長的高功率激光束，峰值功率達到60TW，激光輸出能量達到180kJ[16]。目前正在四川綿陽建設的“神光Ⅳ”激光裝置，其性能與NIF相當。

慣性約束聚變點火的最大挑戰(zhàn)在于燃料內爆過程中的流體力學不穩(wěn)定性[19]。聚變燃料球由多層材料構成，最外層是低Z 材料（比如塑料或鈹）的燒蝕層，然后是薄的氘氚冰球殼，球殼內部充有氘氚氣體。在內爆過程的早期階段（即加速階段），X射線輻照燒蝕層，燒蝕產生高壓低密度的等離子體，在燒蝕壓的驅動下，低密度的燒蝕等離子體推動較高密度的燃料層向內加速運動，形成密度梯度與壓力梯度相反的條件，進而產生Rayleigh-Taylor（RT）流體界面不穩(wěn)定性。RT 不穩(wěn)定性的增長會破壞球殼內爆的飛行形狀，顯著降低燃料的壓縮效果。在內爆過程的晚期階段（即減速階段），燃料球中的低密度氘氚氣體會頂住向內運動的稠密氘氚球殼，使之減速，再次出現密度梯度與壓力梯度相反的情況，RT不穩(wěn)定性將會再次增長。減速階段的RT 不穩(wěn)定性不僅會降低燃料壓縮效果，還會出現燒蝕層物質與氘氚燃料的混合，進一步增加點火難度。內爆過程中不僅存在RT不穩(wěn)定性，當流體界面兩側存在切向速度時還會出現Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性;當沖擊波與物質界面作用時，還有可出現Richtmyer-Meskov不穩(wěn)定性。這些不穩(wěn)定性均會影響氘氚燃料的內爆壓縮和自持燃燒過程。

5 核反應堆簡介

最后我們簡單介紹一個可控的核能釋放方式核裂變反應堆，簡稱核反應堆①。核反應堆是和平利用核能的最重要方式，是一種低排放能源，其在國防領域的應用主要集中于核原料生產和提供動力兩個方向。裂變材料钚239和聚變用的氚均來自于生產堆。其中钚239來自于鈾238吸收中子后，經過兩次β衰變，而氚來自于鋰6與中子核反應后產生。如果要生產鈾233，也是通過釷232在反應堆中生產。經過反應堆生產后，均需要通過化學的方法進行后處理，將這些特殊用途的核素進行提純。

作為推進動力源，核反應堆以其能量密度高的優(yōu)點應用于長期穩(wěn)定供能的領域，對燃料補給要求大幅降低，主要分為直接發(fā)熱和通過熱電轉換發(fā)電兩種，而應用場景包括了（1）船用核動力：需要長期隱蔽作戰(zhàn)的核動力潛艇和驅動大型艦船如航空母艦、破冰船等，世界五個核大國均有自研的核動力潛艇作為戰(zhàn)略核打擊的重要組成;（2）空間電源：用于深空探測或者衛(wèi)星等航天領域，蘇聯的BES-5和TOPAZ型核反應堆以數百千克重量輸出千瓦電功率，共發(fā)射了約30 次，美國NASA與Los Alamos共同研發(fā)的Kilopower熱管微堆也為深空探測提供了千瓦級電源候選，以替代傳統(tǒng)以α衰變熱發(fā)電的低功率同位素電池;（3）核動力發(fā)動機：冷戰(zhàn)時期，美國和蘇聯均發(fā)展了直接在大氣層內工作的核動力高速沖壓發(fā)動機，可以推動巡航導彈等飛行器以3 馬赫長期巡航。

化學熱機的功率上限由化學反應條件，如進氣量、燃料性質等決定。核裂變鏈式反應核心是中子增殖。裂變每次反應釋放的有效中子數約在2～3個，這個指數效應導致了裂變武器在很短時間釋放巨大的能量。然而，如果每一級反應增殖接近1就意味著反應釋放的能量相對穩(wěn)定，可以維持一個長時期的釋放，這便是核反應堆的基本物理②。從這個意義上講，核反應堆與化學熱機的核心區(qū)別是核反應堆的功率上限是“核武器”。反應堆達到臨界后的功率取決于裂變釋放的反應熱如何及時傳出并利用，防止融堆。

前面已經提到高純度裂變材料的成本非常高，因此從經濟性角度，低成本的低豐度材料利用顯現巨大優(yōu)勢。在圖2中已經看到裂變反應中，低能區(qū)的中子被鈾235吸收后處在鈾236的激發(fā)態(tài)上，發(fā)生了Briet-Wigner共振散射使得裂變反應截面比MeV裂變中子直接導致的裂變反應要高兩個數量級。而裂變反應截面的大幅提高，使得鏈式反應中對鈾235的豐度要求大幅下降，對于石墨和重水等慢化反應堆而言，鈾235豐度0.7%的天然鈾即可以達到自持鏈式反應。通常發(fā)電用的輕水反應堆的豐度在3%～5%。在核反應堆設計中也分為利用慢化后中子的熱中子堆和直接裂變中子的快中子反應堆兩類。

中子與原子核反應時不存在庫倫屏蔽，只要中子運動到核力的作用范圍，就一定會發(fā)生核反應。而中子核反應主要以彈性散射σel 和吸收反應σ（n，γ）為主。研究中子在反應堆堆芯部分的輸運是預言核反應堆運行的基礎。而反應堆的組件材料、裂變反應產物、反應堆燃料的消耗等都會影響到中子輸運，要保證鏈式反應的持續(xù)。我們通過一個簡化模型中的有效中子數k 來估算反應堆的性質。以鈾235和鈾238的混合燃料并有慢化劑的熱中子堆為例，其中f 定義為鈾235燃料豐度

如要從一個裂變中子2MeV 到熱中子0.025eV，和輕水碰撞18次，所以這個過程的δH₂O ?76%，但是重水，碰撞是25次，δD₂O?99.8%，這個明顯的差別使得如果要用輕水做慢化劑，則要求f 要大于重水做慢化劑的情況。事實上，重水（和石墨）作為慢化劑的反應堆可以利用f ≈0.7%的天然鈾達到自持反應，但是對輕水而言，至少要f>2.5%的濃縮鈾才可以。對熱中子堆而言，中子平均自由程在毫米量級，而堆的尺度在米量級，因此可以通過擴散近似求解輸運方程。而一些特殊用途的微型反應堆，為了提高能量密度，大幅提高燃料豐度①，直接利用裂變快中子，也有為了進一步提高截面，利用特殊固體慢化劑（如氫化鋯、氫化釔等），然而因為反應堆尺度與中子平均自由程相當，會有對幾何尺度非常敏感而豐富的物理效應。

反應堆需要及時將熱量傳出利用，因此熱工研究在反應堆工程中扮演重要角色。按照傳熱的介質分類，反應堆可以分為水冷、氣冷或者液態(tài)金屬冷卻等類型。一方面，核反應截面通常是定義在原子核質心系，而溫度反映了原子核在晶格上的熱振動，因此實際核反應必須考慮原子核的運動，這種效應被稱為核反應的“多普勒效應”。同時，燃料在核反應后發(fā)生升溫膨脹，使得原子核密度變小，中子平均自由程變大。因此，研究傳熱的熱工與研究中子輸運的反應堆物理之間需要協(xié)同研究，也被稱為多物理耦合。以商用壓水型熱中子堆為例，其中輕水同時作為慢化劑和冷卻劑，約300℃壓強為O （10MPa）。雖然有較大的壓強，燃料與水傳熱過程不可避免的有氣化水的影響，這里的傳熱問題本身就涉及了氣相和液相的水，被稱為兩相流（多相流）傳熱。另一方面，原子核的熱振動溫度與熱中子能譜相當，而核反應又恰好處在Briet-Wigner的共振散射區(qū)間，對中子能譜非常敏感。快中子反應堆中，相對而言，反應截面對溫度并非特別敏感，但是材料膨脹等仍然有較大影響。近年來為了提高換熱效率也有一部分新技術被提出，例如溫度壓力的提高達到了氣液混合相的超臨界狀態(tài)的水或者二氧化碳等，既保持了液相高密度高換熱效率，又有氣相的低粘滯系數高擴散系數的特性;再例如利用液態(tài)金屬相變吸熱，汽化后傳熱再液化循環(huán)的熱管技術，均可以以更緊湊的結構達到更高的換熱效率。

另外，在核反應堆的工程實踐中，也面臨大量的抗輻照需求，例如各類材料在高亮度中子的轟擊下，原子核被打離晶格，會對材料帶來嚴重的形變。在γ射線或者帶電粒子打在半導體器件中，會帶來電子元件的損傷。

因此，核反應堆工程是中子物理、熱工、材料、核電子學等多個領域密切配合的一個大科學工程交叉學科。

反應堆核事故

核反應堆作為一種低排放的綠色能源，但因為核事故的重大影響，在公眾輿論中一直有一定爭議。我們簡單回顧一下幾起典型的反應堆事故，有一部分是非核的事故，有一部分卻是實實在在的核反應事故，當然在物理原理被充分理解的情況下已經可以從設計上避免。因為地震海嘯發(fā)生的日本福島核電站事故是本世紀最嚴重的核電站事故，其核心的原因是因為突發(fā)海嘯導致電站冷卻循環(huán)系統(tǒng)停止工作，引起反應堆散熱故障，堆芯溫度升高，而燃料包殼采用的鋯合金材料與水蒸氣在高溫下發(fā)生的鋯水反應，釋放了大量氫氣導致反應堆爆炸。美國三里島核電站也因為冷卻系統(tǒng)故障導致熔堆事故。雖然造成了放射性物質污染，但并非是核反應失控導致的事故。

英國Windscale反應堆是一個石墨慢化二氧化碳氣冷的軍用生產堆，在停堆后發(fā)生自燃火災。自燃意味著有氧氣和高溫環(huán)境。作為一個石墨慢化，并且用二氧化碳冷卻的系統(tǒng)，在高溫下，會發(fā)生還原反應，產生了一氧化碳和氧氣。另一方面，石墨在反應堆中要與大量中子發(fā)生彈性碰撞，而石墨的化學鍵遠小于中子動能，因此在碰撞過程中，很容易離開晶格，這種晶格位移帶來了更大的勢能。當碳原子回到原來位置時，釋放的能量轉化為熱，導致石墨升溫，這種現象被稱為Wigner能。停堆后的石墨慢化劑升溫加上存在的氧氣等綜合因素，最終導致了該反應堆在停堆后發(fā)生了自燃事故。這是世界上第一個核反應堆事故，后來的氣冷堆在設計時，以化學性質更穩(wěn)定的氦氣等替代二氧化碳才真正避免這些風險。

世界上影響最深遠的核事故是蘇聯切爾諾貝利核事故。切爾諾貝利核電站采用的是石墨慢化沸水冷卻反應堆，與現行民用核電站廣泛使用的壓水型反應堆不同。壓水堆中，水同時扮演冷卻劑和慢化劑角色，一旦發(fā)生冷卻劑水的流失，核反應因為慢化劑缺失，會降低兩個數量級。雖然存在熔堆的風險，但是從核反應的角度是可以控制的。然而，切爾諾貝利的石墨沸水堆并不具備這種性質。

切爾諾貝利事故的起因是一種反應性控制條件的計算失誤。核裂變產物中，碲135約占6.1%，而碲135的半衰期只有19秒，會通過β衰變變成碘135，碘135半衰期約6.6小時會變成氙135這種對中子吸收截面非常高的核素。在反應堆正常運轉過程中，因為有很高的中子通量，會形成一個動態(tài)平衡。然而當反應堆降低功率時，積累的碲135因為中子通量的減少導致消耗變少，加上氙135的衰變比碘135衰變成氙135要慢，所以會有一個氙135增加的過程。這個積累過程會導致中子吸收加大，進一步降低反應性。切爾諾貝利核電站正是因為在做降低反應堆功率的測試試驗，在氙135的峰值到來時，反應堆功率極速下降，試驗人員錯誤理解了情況，緊急提升控制棒。然而該堆的控制棒下半部分是石墨，所以在提升控制棒的過程中，核反應產生的快中子被顯著減速，提高了熱中子密度，使得反應率迅速變大。另一方面，水在反應堆中作為冷卻劑，對核反應而言既有中子慢化劑效果（該堆以石墨慢化為主），又有比較大的中子吸收截面，該堆中的水隨著溫度升高而流失，對反應性也是正反饋。正是在控制棒底部石墨和高溫失水雙重作用下，使得核反應率大幅增加，最終導致失控，釀成了人類歷史上最大的核事故。

6 結語

1945年7月16日在美國新墨西哥州的沙漠中開展了世界上第一次核試驗Trinity試驗，開啟了核武器時代。1945年8月6日和8月9日，美國又分別在日本廣島和長崎投放了兩顆原子彈，這兩個裝置是人類歷史迄今為止僅有的用于實戰(zhàn)的核武器。能量密度超過化學炸彈百萬倍，兩顆原子彈瞬間造成了兩個城市的毀滅和數十萬人傷亡，但也促使日本軍國主義無條件投降，提前結束了第二次世界大戰(zhàn)。蘇聯、英國、法國等國也在隨后幾年掌握了核武器的設計制造技術。核武器對人類造成巨大威脅的同時，其巨大的破壞性也變成了一種威懾，某種程度上避免了核大國之間的熱戰(zhàn)。核武器對第二次世界大戰(zhàn)后的政治格局造成了深遠的影響。

不同于美蘇英法等老牌帝國主義國家，我國自1840年鴉片戰(zhàn)爭后至新中國成立間的百年一直處于半殖民地半封建社會，國家蒙辱、人民蒙難、文明蒙塵，中華民族遭受了前所未有的劫難。新中國成立后，我國屢次受到帝國主義國家的核訛詐，為了保護國家安全，民族獨立，黨中央于1955年決定發(fā)展原子能事業(yè)并開始了鈾礦勘探工作。1958年成立二機部九所，啟動核武器研制工作。在蘇聯幫助下，于401所建設成了我國第一座重水核反應堆和第一座回旋加速器。后來又陸續(xù)啟動了核工業(yè)“五廠三礦”建設（五廠：衡陽鈾水冶廠、包頭核燃料元件廠、蘭州鈾濃縮廠、酒泉原子能聯合企業(yè)、西北核武器基地二二一廠;三礦：郴縣、衡山、上饒鈾礦）。1959年6月蘇聯撤走全部援華專家后，我國的核武器研制事業(yè)走上完全獨立自主的道路，我國一大批從事粒子物理核物理等基礎科研的科學家都毅然放棄了原有專業(yè)轉入了核武器研究。1964年10月16日，在新疆羅布泊核試驗場，我國成功試爆了第一顆原子彈，約兩萬噸TNT當量。1967年6月7日成功通過空投方式試驗了一顆三百萬噸TNT當量的氫彈，領先法國實現了氫彈試驗成功。1999年9月18日，在建國五十周年國慶前夕，“九一八”事變68周年紀念日當天，中國共產黨中央委員會、中央軍事委員會在北京舉行了表彰為研制“兩彈一星”作出突出貢獻的科技專家大會，總結了“兩彈一星”精神，表彰了23位“兩彈一星”功勛獎章獲得者。23位兩彈元勛中直接參加領導核武器事業(yè)的共10人，按照姓氏筆畫排序分別是，于敏、王淦昌、鄧稼先、朱光亞、陳能寬、周光召、郭永懷、錢三強、程開甲、彭桓武。