【能源史话05】核弹：“现在我成为死亡，世界之毁灭者”

前面一集我们提到，“弗里施-佩尔斯备忘录”虽然有计算错误，但这份备忘录让英国、美国、加拿大的科学家认为，原子弹是有价值的，但真要造一颗能够投入实战的原子弹，绝对是一项大工程。

虽然不至于倾全国之力，但美国制造核弹的曼哈顿计划，总共花费了20亿美元（大概相当于2020年的230亿美元）[1]。但这么大的工程，最早的启动资金，只有6000块。

核弹爆炸（图片来源Wikipedia）

给你6000块，去造原子弹吧

整个曼哈顿计划的启动，和我们前一集提到过的科学家利奥·西拉德息息相关。

这个西拉德可以说是一位天才科学家，不仅提出了原子核链式反应的概念。他的博士论文受到了爱因斯坦的赞誉，后来也跟爱因斯坦一起合作开发了爱因斯坦-西拉德冰箱（这种制冷器没有在商业冰箱上推广开来，但是后来在核反应堆中发挥过作用）。

罗斯福总统对爱因斯坦-西拉德信的回信（图片来源：Wikipedia）

1939年，在得知核裂变被证实之后不久，西拉德就给当时的美国总统罗斯福写了一封信，敦促他要赶在德国造出核武器之前赶紧研发出核武器。

在西拉德看来，发现核裂变的科学家是德国人，他们很可能已经赢在起跑线上了，而如果纳粹德国拥有了核武器，对整个世界来说将是一场灾难。

西拉德担心自己说这些话分量不够，专程找了爱因斯坦，让他在信的结尾签名，这封信被称作“爱因斯坦-西拉德信”，有了爱因斯坦的加持，信被成功地送到了罗斯福总统手中。并且罗斯福真的考虑了这件事情，请陆军、海军的专家来分析制造核武器这事。

但当时，军方并不看好核武器的前景，于是大笔一挥，拨款6000美元，作为核武器研究经费[2]。

6000美元当然造不了原子弹了，甚至连买原材料的钱都不够。但这事，可以算得上是整个曼哈顿计划的前身了。

曼哈顿工程区臂章（图片来源：Wikipedia）

但1941年，情况变了。日本偷袭珍珠港事件，让二战的战火烧到了美国自己头上，美国坐不住了。

1942年1月19日，罗斯福正式批准原子弹项目[2]。9月17日，美国军方的威廉·施泰尔少将和格拉夫斯上校正式接管曼哈顿计划。9月26日，曼哈顿计划获得了美国战争生产委员会的最高战时优先级权限[3]。

第一个核反应堆诞生

现在，核武器一定要造，但我们在前一集提到过，当时人们对铀的性质并不十分了解，“弗里施-佩尔斯备忘录”预测铀的临界质量也并不准确。

链式反应是不是可行？到底需要多少铀才能引发链式反应？链式反应能不能维持下去？这些，都需要做实验确认。

但人们不会一上来就倾尽全力制造一枚核弹做实验，首先，需要制造一个小型核反应堆。完成这项任务的，就是费米和西拉德，他们建造了人类历史上第一个能够自维持的核反应堆——芝加哥一号堆。

这个核反应堆就建在芝加哥大学校园的足球场看台下，当时很多人都认为，在人口稠密的大学里建核反应堆太危险了，万一失控怎么办？

芝加哥一号堆（图片来源：Wikipedia）

但当时负责项目的费米非常自信，认为这个核反应堆就是“一堆粗糙的黑砖和木头”[4]，不会有任何危险。相比于现代核反应堆全面的辐射防护、精密的冷却系统和内部控制系统，芝加哥一号堆，确实像是“一堆粗糙的黑砖和木头”。

且不说反应堆外面几乎就没有什么辐射吸收装置，就连最重要的安全装置也非常原始。

用来终止反应的是一根特别加重的石磨棒，它被一个能检测中子活性水平的装置吊在核反应堆上方，一旦中子活性水平超过了阈值，这根石磨棒就会释放出来，掉进反应堆里。

但如果这个安全装置失效了，费米他们还有另一道防线——手持斧头的副指挥官。一旦情况不妙，他会一斧头砍断铁链，让石磨棒掉进去。

如果这还不起作用，还有安全小队捧着3桶硫酸镉，一旦反应失控，就把硫酸镉泼进去[5]。在这样“万无一失”的安全保障下，1942年12月2日，实验正式开始。

第一次反应堆实验进行得并不顺利，在抽出最后一根控制棒的过程中，中子活性水平超过了阈值，安全控制棒启动了（不过这就意味着他们不需要动用斧头或者是硫酸镉了），核反应终止。

第二次核试验实验进行得很顺利，这一次，最后一根控制棒取出，反应堆达到了自我维持状态。在这个状态下，核反应堆运行了28分钟。之后警报响起，中子超过了安全阈值，实验终止。

虽然只有短短28分钟，但这是人类历史上第一个可自我维持的核反应堆。人类从此进入了原子能时代。

十天后，人们又进行了一次实验，这次芝加哥一号堆的反应功率达到了200瓦，可以驱动一枚当时的电灯泡了。但核能作为一种能源造福人类之前，他还有另一项任务要完成。

曼哈顿计划中的汉福德反应堆（图片来源：Wikipedia）

浓缩铀

芝加哥一号堆的成功证明核反应堆是可行的。接下来，人们需要攻克浓缩铀（让铀-235的浓度升高）的任务了。

浓缩铀也不是一件容易的事情。为了浓缩出武器级的铀-235，曼哈顿计划新建了好几座工厂，联合采用电磁分离法、气体扩散法、热扩散法，硬是把铀-235的纯度提高到了89%，这个浓度，已经可以用来做核武器了[2]。

小男孩原子弹（图片来源：Wikipedia）

需要说明一下，这批89%纯度的铀全部用在了小男孩原子弹里。胖子原子弹和“小工具”原子弹是“钚”弹（钚更容易引起链式反应，临界质量更小）。

在这个过程中，有一件有趣的事情。在这几种浓缩方法里，电磁分离法是需要用到回旋加速器的，最开始在制造回旋加速器的时候需要用到5000吨铜。

当时正处于二战时期，铜作为战略物资非常紧缺，即便曼哈顿工程拥有“最高优先级”，5000吨铜也是绝对没有的。

但回旋加速器必须造，于是，回旋加速器项目的负责人就去找财政部副部长要白银，白银可以替代铜作为回旋加速器的材料。

于是，美国的连财政部副部长听到了一个前所未有的请求“我们需要6000吨白银”。在当时，白银可是以盎司来记的，6000吨白银绝对是“前所未有”的要求，但“最高优先级”还是发挥了作用。

后来，在整个曼哈顿计划里，一共用掉了13万吨白银。不过这些白银都是暂时借用的，在曼哈顿计划结束后，白银又被收回。

至此，核反应堆已经验证成功，原材料已经准备妥当。接下来，原子弹就该出场了。

胖子原子弹（图片来源：Wikipedia）

世界的毁灭者

绝大部分人都听说过“小男孩”和“胖子”原子弹，它们是最早投入实战，也是唯二投入实战的两枚核弹。但在此之前，还有一枚用来做实验的“小工具”原子弹。

“小工具”是一枚钚弹，核心是一颗6.19公斤的钚-镓合金镀银半球[6]。在引爆它之前，科学家还赌了一把它的爆炸当量（爆炸威力相当于多重的TNT炸药），最高的可下注选项是18公斤TNT当量，押18公斤TNT当量的科学家是因为迟到了，不得不选。

结果，小工具爆炸，产生的蘑菇云冲上了12000米的高空。经过推算，当时的爆炸威力是2万吨TNT当量，远远超过了科学家们打赌的当量。

“小工具”原子弹爆炸场景（图片来源：Wikipedia）

奥本海默后来回忆道，当时爆炸的场景让他想到了《博伽梵歌》中的一段经文：“如果一千个太阳的光芒一下子冲上天空，那将是强大的光辉......”[7]

但他后来回忆起的一句经文，更符合这次试验的结果“现在我成为死亡，世界之毁灭者”。

而根据这次试验收集到的数据，科学家们也确定了“小男孩”原子弹和“胖子”原子弹的最佳爆炸高度，确保它们能造成最大限度的杀伤。

1945年8月，“小男孩”和“胖子”两颗原子弹发挥了巨大的威力，证明了它们的军事价值，仅仅两枚核弹，当场就造成了十万多人的死亡，后续受到核辐射死亡的人数更是不计其数。

全世界都看到了核武器的可怕威力，但人们并没有收手，威力更大的原子弹、氢弹轮番登上试验场，但幸好，这样的武器再也没有投入过使用，否则，它将成为名副其实的世界毁灭者。

当然，科学家们不甘于让核能仅仅作为世界毁灭者存在，他们希望能够驯服核能这股强大的力量来造福人类，而这一条路，并没有那么平坦。

参考文献：

[1] Johnston, Louis; Williamson, Samuel H. (2022). "What Was the U.S. GDP Then?". MeasuringWorth.

[2] Hewlett, Richard G.; Anderson, Oscar E. (1962). The New World, 1939–1946 (PDF). University Park: Pennsylvania State University Press. ISBN 0-520-07186-7.

[3] Jones, Vincent. Manhattan: The Army and the Atomic Bomb. Washington, D.C.: United States Army Center of Military History. 1985.

[4] Fermi, Enrico (December 1982). "Fermi's Own Story". The First Reactor (PDF). Oak Ridge, Tennessee: United States Atomic Energy Commission, Division of Technical Information. pp. 22–26

[5] 吉诺·塞格雷，恩里科·费米传，湖南科学技术出版社，2019，P190

[6] Hawkins, David; Truslow, Edith C.; Smith, Ralph Carlisle (1961). Manhattan District history, Project Y, the Los Alamos story. Los Angeles: Tomash Publishers.p256-p257

[7] Jungk, Robert (1958). Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists. New York: Harcourt Brace. p201

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