鈹 用于洲際彈道導(dǎo)彈與核武器的關(guān)鍵材料

刑天

上世紀(jì)60年代，一個(gè)由地質(zhì)學(xué)家、軍人和工業(yè)部門專家組成的中國勘探小隊(duì)在大風(fēng)中艱難前行。熾熱的陽光炙烤著中國準(zhǔn)噶爾盆地東北邊緣，額爾齊斯河之南的這塊地方。在當(dāng)時(shí)，得知這個(gè)小隊(duì)存在的人極少，而這個(gè)小隊(duì)肩負(fù)的任務(wù)則極重。

一天夜晚，勘探小隊(duì)搭建的帳篷里突然傳出了巨大的歡呼聲。發(fā)現(xiàn)了！發(fā)現(xiàn)了！科學(xué)家和軍人們都?xì)g呼起來。聲浪賽過了額爾齊斯河滾滾奔流，激動的淚水浸潤了準(zhǔn)噶爾盆地的粒粒黃沙。

鈹之蘊(yùn)

這個(gè)小隊(duì)發(fā)現(xiàn)的，就是位于中國準(zhǔn)噶爾盆地東北邊緣，額爾齊斯河之南的可可托海礦區(qū)。這個(gè)礦區(qū)，飽含了一個(gè)崛起強(qiáng)國的苦難和奮進(jìn)。

上世紀(jì)60年代，中國啟動了6687工程，前文所述的那個(gè)勘探小隊(duì)則是工程啟動之前的開路先鋒。（66指項(xiàng)目啟動時(shí)間為1966年，87指的是該項(xiàng)目在國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目中的序列號為87。）不久，重大的喜訊就在國內(nèi)的工程界傳開了：6687工程在可可托海三號礦發(fā)現(xiàn)了01、02和03共3項(xiàng)重要稀有金屬礦物。（后來，這些代號逐漸在新中國的原子彈發(fā)展和導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展中起到了非常重要的作用。實(shí)際上，01礦就是用于提煉鈹金屬的綠柱石，02礦是鋰輝石，03礦則是鉭鈮石。）

“和平衛(wèi)士”洲際彈道導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件呈圓球狀，被稱為慣性參考球。該球體積為0.073立方米，重約50.2千克，由一整塊鈹金屬經(jīng)過400多道機(jī)械加工工序制成，堪稱鈹制陀螺的巔峰之作。

可可托海礦有個(gè)別稱，叫做“世界地質(zhì)圣坑”。全世界已知的可開采礦物有140多種，而可可托海三號礦自己，就產(chǎn)出86種?？煽赏泻５V區(qū)的鈹資源蘊(yùn)藏量居全國首位，而銫、鋰、鉭等資源的蘊(yùn)藏量也穩(wěn)居全國前十。新中國早期的彈道導(dǎo)彈中的陀螺儀、第一枚原子彈和第一枚氫彈中所用的鈹金屬，都出自可可托海三號礦（6687-01礦物）;新中國第一枚原子彈用的鋰金屬用的是可可托海三號礦的6687-02礦;新中國第一顆人造地球衛(wèi)星所用的銫金屬同樣出自該礦區(qū)。

本文為您重點(diǎn)講述鈹金屬的特性與應(yīng)用?；蛟S在讀罷全文之后，我們才可以更好地理解當(dāng)年發(fā)現(xiàn)可可托海大型鈹?shù)V時(shí)的興奮心情吧！

鈹之美

鈹是最輕的堿土金屬元素，在地殼中的含量約為鋁的1/8200。雖然它看起來沒有黃金、鉑金等傳統(tǒng)意義上的貴金屬那么稀少，但是在目前已經(jīng)探明的數(shù)十種鈹?shù)V石中，只有綠柱石（又稱綠寶石）等少數(shù)幾種具有工業(yè)開采和提煉鈹?shù)哪芰Α？梢哉f，鈹金屬是從寶石里發(fā)掘出來的。

1956年麻省理工學(xué)院德雷珀實(shí)驗(yàn)室將鈹引入了陀螺領(lǐng)域。這個(gè)做法讓整個(gè)陀螺儀行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。（該實(shí)驗(yàn)室在制導(dǎo)控制領(lǐng)域一直以來保持著學(xué)術(shù)和工程方面的領(lǐng)先地位，當(dāng)然，課題經(jīng)費(fèi)也是很給力的，僅2006年簽署的一項(xiàng)升級“三叉戟”潛射彈道導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的合同就高達(dá)1.96億美元。）

鈹有三大優(yōu)良品質(zhì)促使其迅速取代了鋼、鈦和鋁等金屬，成為了制造陀螺儀的理想材料。

第一，良好的熱學(xué)特性。鈹?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)是鋼的3倍，熱膨脹系數(shù)不足鎂的一半。陀螺儀里高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生大量的熱。良好的導(dǎo)熱性能夠使這些熱量在陀螺上均勻分布以減小陀螺的內(nèi)部應(yīng)力。較小的熱膨脹系數(shù)則進(jìn)一步減小了陀螺的形變。

第二，優(yōu)秀的力學(xué)性能。鈹?shù)谋戎厥氢伒?/3，鋁合金的2/3，而彈性模量卻分別是鈦、鋁、鎂的3倍、5倍和7倍。其比強(qiáng)度是鋁合金的1.7倍、鎂合金的2.1倍、鋼的1.5倍。這意味著陀螺的骨架可以在更輕的同時(shí)變得更堅(jiān)固。將一枚三級導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改為鈹金屬可以減輕該系統(tǒng)數(shù)千克的重量，從而大幅減輕了制導(dǎo)控制系統(tǒng)給導(dǎo)彈總體系統(tǒng)帶來的負(fù)擔(dān)。

第三，超強(qiáng)的穩(wěn)定性。陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置如果有百分之一微米的偏差，就會給遠(yuǎn)程導(dǎo)彈帶來數(shù)百米的誤差。而鈹金屬的外形尺寸可以保持得很穩(wěn)定，即使是在很大的應(yīng)力作用后，也能很快恢復(fù)原樣。沒有經(jīng)過任何表面處理的鈹制外殼擁有的抗氧化能力和抗腐蝕能力甚至要強(qiáng)過大多數(shù)經(jīng)過多種防腐蝕處理的不銹鋼材料。（鈹?shù)谋砻鏁纬裳趸瘜?，有效避免了進(jìn)一步被空氣氧化;要加熱至1 000 °C以上，鈹才會繼續(xù)和空氣發(fā)生反應(yīng)。）

鈹?shù)膽?yīng)用使洲際彈道導(dǎo)彈的打擊效能得到極大地提升。其中，以“和平衛(wèi)士”導(dǎo)彈最為典型?！昂推叫l(wèi)士”洲際彈道導(dǎo)彈的最大射程為14 000千米，可以攜帶10枚裝有W87核彈頭的MK-21再入飛行器。每個(gè)核彈頭的當(dāng)量為30萬噸TNT（相當(dāng)于20枚二戰(zhàn)廣島原子彈），因此僅從當(dāng)量上計(jì)算的話，一枚和平衛(wèi)士導(dǎo)彈就相當(dāng)于200枚廣島原子彈。但是，10枚子彈頭的投擲精度需要非常精確，才能更好地發(fā)揮多彈頭導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能?！昂推叫l(wèi)士”洲際彈道導(dǎo)彈的陀螺儀大量應(yīng)用了鈹，使其精度極高。最終應(yīng)用在導(dǎo)彈上的慣性參考球把導(dǎo)彈的落點(diǎn)誤差控制在了120米左右。

“和平衛(wèi)士”洲際彈道導(dǎo)彈的慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件呈圓球狀，被稱為慣性參考球。該球體積為0.073立方米，重約50.2千克，由一整塊鈹金屬經(jīng)過400多道機(jī)械加工工序制成，堪稱鈹制陀螺的巔峰之作。喜歡機(jī)械表，喜歡各種精密儀器的人，一定也會對這家伙提起興趣的。

鈹對X射線的吸收率極低，不會在同步加速器能量等級的X射線下過分加熱。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以鈹作為材料。X射線光譜實(shí)驗(yàn)的樣本固定器一般都以鈹制成。

1958年，美國對鈹?shù)南牧窟_(dá)到了3.45噸，而1960年又進(jìn)一步躍升到136噸，這個(gè)用量是相當(dāng)驚人的。要知道，在鈹金屬大部分應(yīng)用于原子能工業(yè)領(lǐng)域的時(shí)期，其年消耗量僅為18千克左右。

早期的核武器將一種稱為頑童的裝置放置在核裝藥的內(nèi)部，這個(gè)裝置主要由釙-210和鈹這兩種金屬制成。钚和鈹被一個(gè)薄片分開。核裝藥內(nèi)爆時(shí)，將會壓碎頑童，使兩部分金屬混合在一起，這樣釙衰變產(chǎn)生的α粒子會與鈹相互反應(yīng)，從而產(chǎn)生自由中子。中子的轟擊引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得巨大的能量被參悟出些許自然奧秘的人類釋放出來。

因此，如果說钚能產(chǎn)生熊熊燃燒的火球的話，鈹就是將其點(diǎn)燃的火把。用鈹來促進(jìn)原子彈和氫彈的爆炸的技術(shù)可以追溯到投向日本的第二顆原子彈上面。1945年在日本長崎市爆炸的原子彈內(nèi)含一個(gè)钚核，是一枚钚彈。1952年11月1日，美國在馬紹爾的埃尼威托克珊瑚島試爆了世界上第一顆氫彈裝置“邁克”。這枚氫彈的爆炸當(dāng)量為1 040萬噸TNT。而如果沒有鈹金屬的話，這樣的爆炸是難以實(shí)現(xiàn)的。

早期氫彈內(nèi)部，會有一層鈹金屬制成的球殼緊緊包裹住核反應(yīng)物質(zhì)，用來促成內(nèi)爆并大量反射中子。這種結(jié)構(gòu)類似橙子（里面的果肉相當(dāng)于核反應(yīng)物質(zhì)，外面的薄皮相當(dāng)于鈹金屬殼。）

鈹之狂

轉(zhuǎn)眼到了上世紀(jì)50年代末。這是一個(gè)鈹金屬的狂熱時(shí)代，也是陀螺儀結(jié)構(gòu)快速鈹金屬化的時(shí)代，更是陀螺儀的精度實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破的時(shí)代。

1958年6月，美國海軍啟動了一項(xiàng)代號為“陽光行動”（Operation Sunshine）的實(shí)驗(yàn)。鈹金屬賦予陀螺儀的不僅有更高的精度，還有更長的壽命。用于“民兵”洲際彈道導(dǎo)彈的氣浮陀螺儀除電子元器件和小部分殼體外幾乎全部用鈹制成，其理論連續(xù)可靠工作時(shí)間可達(dá)1 500萬小時(shí)，約合1 712年。（實(shí)際上，在“民兵”導(dǎo)彈身上，除慣導(dǎo)系統(tǒng)外，其級間段的殼體、制導(dǎo)艙段等均由鈹制成。）

到了上世紀(jì)80年代，美國對鈹?shù)南囊堰_(dá)到了每年將近300噸的程度，其他擁核大國和航天大國也有著巨大的鈹消耗量。各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件中都少不了鈹?shù)纳碛?。比如B-52轟炸機(jī)的陀螺羅盤的核心部件也是用鈹金屬制成的。

鈹之用

自1956年鈹金屬成為陀螺儀的理想材料至今，仍沒有其他任何一種金屬材料能夠撼動鈹在陀螺中的地位。在材料和工藝都難以繼續(xù)獲得突破的時(shí)候，要想讓陀螺儀的精度進(jìn)一步的提高，就需要在陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新了。在這樣的背景下，靜電陀螺出現(xiàn)了。

再后來，激光陀螺、光纖陀螺、撓性陀螺都得到了蓬勃發(fā)展。洲際彈道導(dǎo)彈和核彈頭的生產(chǎn)在進(jìn)入21世紀(jì)之后，開始銳減，因此鈹金屬的產(chǎn)量開始下滑。（1998到2008年間，鈹?shù)娜蚰戤a(chǎn)量從343噸降至約200噸，其中176噸也就是88%產(chǎn)自美國。）真空鑄造的鈹金屬塊在2001年的售價(jià)為每磅338美元（即每公斤745美元）。

原本用于機(jī)械陀螺與核武器的鈹開始在科學(xué)探索領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

在粒子物理學(xué)方面：鈹?shù)膬?yōu)點(diǎn)有四。密度低，能夠減少撞擊產(chǎn)物在抵達(dá)四周的探測器之前的交互作用;剛性高，射束管內(nèi)可以維持高真空，從而降低各種氣體對實(shí)驗(yàn)的干擾;熱穩(wěn)定性高，能夠承受絕對零度以上幾度的低溫;抗磁性，不會干擾用于聚焦和引導(dǎo)粒子束的多極磁系統(tǒng)。因此，很多探究宇宙本源的實(shí)驗(yàn)儀器上面，會大量應(yīng)用鈹。

? ?詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡擁有18塊高反光度、能夠耐受極低溫、又輕又堅(jiān)固的鏡子。這些鏡子也是鈹金屬制成的。

建在法國地下洞穴中的緊湊μ子線圈偵測器（或簡稱為CMS）大量應(yīng)用了鈹。鈹對X射線的吸收率極低，不會在同步加速器能量等級的X射線下過分加熱。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以鈹作為材料。X射線光譜實(shí)驗(yàn)的樣本固定器一般都以鈹制成。

在銅里面僅僅加入1.9%～2.15%的鈹，就可形成比銅金屬的強(qiáng)度高6倍的鈹銅合金。鈹合金彈性高、熱導(dǎo)率高、強(qiáng)度高、硬度高、電導(dǎo)率高、幾乎無磁性、抗腐蝕性強(qiáng)、抗疲勞性強(qiáng)，因此用途很廣。尤其是在可燃?xì)怏w附近使用的無火花工具、空間飛行器的結(jié)構(gòu)材料方面，鈹合金是很有用的。鈹銅合金扳手在加油站、采氣站、火箭燃料倉庫等特殊場合使用。

鈹?shù)膭偠群芨?，比較適合做高頻揚(yáng)聲器驅(qū)動器。但由于鈹價(jià)格昂貴（比鈦高幾倍），通常只有非常高端的音響設(shè)備才會使用含鈹?shù)母咭魮P(yáng)聲器。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡重6.2噸，約為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（11噸）的一半，口徑達(dá)到6.5米，面積為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡位于離地球150萬千米的軌道上，即使出現(xiàn)故障也不可能頻繁派遣修理人員。但它位于第二拉格朗日點(diǎn)上，引力相對穩(wěn)定，故相對于鄰近天體來說可以保持不變的位置，不用頻繁地進(jìn)行位置修正，可以更穩(wěn)定地進(jìn)行觀測，而且還不會受到地球軌道附近灰塵的影響。其主鏡被分割成18塊六角形的鏡片，每個(gè)鏡面的拋光誤差不得超過10納米;同時(shí)鏡面也經(jīng)過專門研磨，使得其能夠在遮陽板陰影的極度嚴(yán)寒環(huán)境中保持正確形狀。每塊鏡片背部都裝有7個(gè)電機(jī)，能夠在10納米的精度內(nèi)調(diào)整鏡片的形狀和方向。而這種擁有高反光度、能夠耐受極低溫、又輕又堅(jiān)固的鏡子，當(dāng)然得用鈹金屬來制成了。

? 可將質(zhì)子束“轉(zhuǎn)化”為中子束的鈹目標(biāo)體

鈹，這種從寶石中誕生的金屬，有著自己的性格，見證了一個(gè)掌握兩彈一星技術(shù)大國的崛起，為導(dǎo)彈和核武器提供了堅(jiān)固可靠的支撐，為現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)建設(shè)提供了有力的保障，也終將會在今后的日子里，尋找到更多更有益的用途。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)

鏈接

當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中需要少量中子時(shí)，可把鈹用作中子源，無須用到核反應(yīng)堆或粒子加速器。要產(chǎn)生中子，須對鈹目標(biāo)體進(jìn)行高能α粒子的撞擊，α粒子源可以是釙-210、鐳-226、钚-239、镅-241等放射性同位素。α粒子與鈹原子核反應(yīng)之后，鈹會嬗變成碳-12，并發(fā)射一顆中子。中子的方向接近于原先α粒子的前進(jìn)方向。這種以α衰變驅(qū)動的鈹中子源稱為海膽型中子引發(fā)劑，曾用于早期核武器中。

鈹之毒

不過，就像玫瑰雖然美麗卻帶有扎人的利刺那樣，鈹金屬也是有缺點(diǎn)的。鈹不僅昂貴（數(shù)倍于鈦）還有極強(qiáng)的毒性。

鈹從呼吸道或者皮膚傷口進(jìn)入人體后會引發(fā)急性中毒反應(yīng)。而長期接觸微量鈹?shù)娜藛T則會產(chǎn)生慢性中毒反應(yīng)，該反應(yīng)的潛伏期有時(shí)長達(dá)數(shù)年（均值為5年），之后便以肺部疾病甚至癌癥的方式顯現(xiàn)出來。所以，精密儀器儀表和航天工業(yè)等部門，在使用鈹金屬時(shí)要特別注意勞動保護(hù)，預(yù)防鈹中毒。