原子彈往事：核臨界事故(2)

尹瑞濤

臨界試驗安全操作規(guī)定

達格利安事件發(fā)生以后，洛斯·阿拉莫斯實驗室成立了一個特別委員會進行審查。每當可裂變材料組裝時，在裝配可能變得臨界的情況下都要進行評審，以及提出適當?shù)陌踩ㄗh。以下這些規(guī)定是該委員會工作的成果，這些工作不僅是為了減少類似事件發(fā)生的可能性，也是為了在如果發(fā)生意外事故后盡量降低后果的嚴重程度。

1、準備兩份特別的名單，一份列出唯一允許做這項工作的人;另一份名單上是來領(lǐng)導(dǎo)這項工作的人員名字。

2、除了警衛(wèi)人員，還要求至少有兩個人在場。允許的最大人數(shù)也是受約束的。

3、在開始實施試驗之前，必須制定計劃，包括所有突發(fā)事件中的操作和行為。

4、必須至少運行兩個監(jiān)測儀器，在實驗過程中的任何時候都能清晰聽到每個儀器中子強度的指示。

5、任何涉及可裂變材料的組件變更必須由一個人一次制造，緩慢且容易可逆。

6、同一時刻在同一棟樓里，不應(yīng)存在兩個可能變得臨界狀態(tài)的部件。

7、與實驗相關(guān)的所有操作必須遵循安全程序。如果出現(xiàn)違規(guī)，必須立即停止操作，直到符合安全操作規(guī)程。

實驗室的專家還對機械遙控操作裝置的發(fā)展給予了充分的考慮，在接下來的數(shù)月里，進行了一些設(shè)計和制造工作。1946年以后類似的工作是在遙控系統(tǒng)沒有人員暴露的情況下進行的。

洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的技術(shù)人員正在進行制造钚核心的訓(xùn)練

洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的技術(shù)人員正在展示钚核心部件

然而，雖然制定了這些安全制度，仍然發(fā)生了第二起臨界事故，“惡魔核心”又奪去了第二個人的生命，這起事故的主人公是路易斯·亞歷山大·斯洛廷。哈里·K·達格利安是斯洛廷的一名同事兼實驗室助理，當他在留院的21天里，慢慢地被輻射病折磨至死的期間，斯洛廷長時間伴在他身旁。

亞歷山大·斯洛廷（Louis AlexanderSlodn），加拿大物理學(xué)家和化學(xué)家，曾參與“曼哈頓計劃”。斯洛廷生于1910年12月1日，他出生在加拿大馬尼托巴省的溫尼伯市北區(qū)，是正統(tǒng)猶太人，是家中三名孩子中的長子，父母是說意第緒語的難民，因沙皇俄國屠殺猶太人而逃亡到馬尼托巴省的溫尼伯市。他們逃離了“波格羅姆俄羅斯”，這是一個俄語單詞，基本上是指一次襲擊，隨后是搶劫、破壞和謀殺。在1881年和1921年，襲擊發(fā)生在基督徒和猶太人之間。

他在溫尼伯市的北區(qū)長大，該區(qū)是東歐移民的集中地。他幼年在麥克雷小學(xué)讀書，少年在圣約翰技術(shù)高中讀書，在此期間，斯洛廷都表現(xiàn)出他出對知識的熱愛，一種強烈的成功欲望，以及非凡的學(xué)術(shù)才能。路易斯是個非常出色的學(xué)生。他的弟弟薩姆·斯洛廷在1990年的一次采訪中回憶說：“路易斯有一種極端的強度，使他能夠長時間學(xué)習(xí)?！薄奥芬姿乖?jīng)讓我和他的朋友們玩橋牌，這樣他就可以學(xué)習(xí)了。他喜歡在我們后院的涼亭里看書”。1927年，斯洛廷16歲時考進了馬尼托巴大學(xué)，攻讀科學(xué)學(xué)位。在本科生修業(yè)期間，他在物理學(xué)和化學(xué)方面都獲得了大學(xué)頒發(fā)的金獎?wù)隆Ｋ孤逋⒂?932年取得了地質(zhì)學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并于1933年取得理學(xué)碩士學(xué)位。在馬尼托巴大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他擔任了3年的學(xué)生助理。在一位導(dǎo)師的協(xié)助下，他獲得了前往倫敦國王學(xué)院學(xué)習(xí)的研究生獎學(xué)金，而他的導(dǎo)師則是當時的化學(xué)系主任，專門研究光化學(xué)及電化學(xué)的亞瑟·約翰·阿爾曼德。

國王學(xué)院

早在少年時代斯洛廷就愿意干一些斗爭、冒險和不顧生命危險的事情。在國王學(xué)院時期，斯洛廷曾獲得學(xué)院業(yè)余羽量級拳擊錦標賽優(yōu)勝，因而以業(yè)余拳手的身份聞名校內(nèi)。后來，在西班牙內(nèi)戰(zhàn)中，他加入了美國的亞伯拉罕·林肯旅，為西班牙共和國打過仗，他在那兒當高射炮兵，經(jīng)常有喪命的危險。其實這也不是出于什么政治上的動機，而是他愛過不甘平淡的生活。

在這一時期，有2800名來自亞伯拉罕·林肯旅的美國志愿者，在西班牙內(nèi)戰(zhàn)中抵抗受意大利法西斯主義和德國納粹主義支持的佛朗哥將軍的國家主義者，捍衛(wèi)共和。很多志愿者原本過著衣食無憂的平靜生活，來到西班牙才第一次摸到真刀真槍。他們不為名、不為利，僅憑著心中的理想和腦海中“美麗新世界”的愿景就義無反顧地奔赴異國戰(zhàn)場甚至客死他鄉(xiāng)。這是世界最后一次團結(jié)起來為理想而戰(zhàn)。

作家羅伯特·容克在他的著作《比千個太陽還亮：原子科學(xué)家們的個人史》（第一本報道曼哈頓計劃的出版著作）中說斯洛廷“曾在西班牙內(nèi)戰(zhàn)時參與志愿軍，他參軍主要是為了刺激而不是政治?！辈贿^，這一點也存疑。在數(shù)年以后的一次訪問中，薩姆指出他的兄長是“在西班牙徒步旅行”，并“沒有參與戰(zhàn)爭”，不像外界認為的那樣。1933-1936年，他在倫敦國王學(xué)院研究物理化學(xué)，1936年獲大學(xué)頒授物理化學(xué)博士學(xué)位，博士論文《論某些化學(xué)反應(yīng)中不穩(wěn)定分子的進階形成》還獲得最佳論文獎。1935-1936年間，他是國王學(xué)院物理化學(xué)領(lǐng)域的示范者。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之初，他就立即加入了英國皇家空軍部隊，并跟隨英國皇家空軍駕駛過實驗戰(zhàn)斗機，以此給人們留下了印象。但不久他不得不退役，因為在體檢中發(fā)現(xiàn)他隱瞞了自己的近視眼病史。

畢業(yè)之后的半年，他在都柏林愛爾蘭自由州大南方鐵路公司擔任特別調(diào)查員，測試用于哈科特一布雷伊線上的德魯姆鎳鋅蓄電池。

芝加哥大學(xué)

1937年，在斯洛廷應(yīng)聘加拿大國家研究局失敗后，芝加哥大學(xué)聘請他當研究員，應(yīng)康普頓的邀請，參與粒子加速器的建設(shè)。在那里，斯洛廷第一次獲得核化學(xué)方面的經(jīng)驗一一協(xié)助興建美國中西部的第一套回旋加速器。該工作薪酬欠佳，以致斯洛廷的父親不得不額外給予兒子援助長達兩年之久。1939年至1940年，斯洛廷與生物化學(xué)系系主任厄爾·伊凡斯合作，用回旋加速器生產(chǎn)放射性碳（碳-14和碳-11）。合作期間，二人還用碳-11來展示動物細胞具有利用二氧化碳（經(jīng)固碳作用）進行碳水化合物合成的能力，發(fā)表了許多放射生物學(xué)方面的論文。

蘇聯(lián)向西班牙共和軍提供的I-15雙翼戰(zhàn)斗機

1942年6月，美國軍方研制原子彈的絕密的“曼哈頓計劃”啟動，當時美國、英國等國家最頂尖的科學(xué)家以及10萬多名工作人員先后投身于這一計劃當中，是當時美國武器研發(fā)中的最高序列。1942年中期，橡樹嶺被選為大規(guī)模生產(chǎn)钚-239和鈾-235的地點，用于為后來在新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯開發(fā)的原子彈提供燃料。在華盛頓州中部靠近大庫里大壩電力線的哥倫比亞河上的一個新地點，钚生產(chǎn)反應(yīng)堆被稱為漢福德工廠。橡樹嶺的是空氣冷卻的、石墨調(diào)節(jié)的克林頓堆（石墨反應(yīng)堆），克林頓實驗室的研究人員證明钚-239可以在鈾-238段中產(chǎn)生并從中分離出來。諾貝爾獎獲得者、芝加哥大學(xué)的恩里科·費米領(lǐng)導(dǎo)了這個反應(yīng)堆項目。1942年12月2日那天，芝加哥大學(xué)的科學(xué)家造出了首個受控自持鏈式核反應(yīng)，是二戰(zhàn)期間對原子彈的研發(fā)過程中必不可少的關(guān)鍵一步。

隨機的一個中子就足以啟動CP-1中的鏈式反應(yīng)。第一個中子會在鈾核誘發(fā)出裂變，釋放一組新的中子。這些二級中子會撞擊到石墨中的碳原子核從而減速。接著它們與其它的鈾核相遇，繼而引發(fā)新一輪的裂變反應(yīng)，釋放出更多中子。鎘控制棒的存在確保了反應(yīng)不會無限期的繼續(xù)下去，費米和他的團隊對于何時加入這些控制棒從而控制鏈式反應(yīng)有著精確的判斷。在啟動恩里科·費米的“芝加哥一號反應(yīng)堆”（CP-1）的時候，斯洛廷也在場。在這段期間，斯洛廷還對放射生物學(xué)方面的好幾份論文作出了貢獻。斯洛廷在未來的諾貝爾物理學(xué)獎得主尤金·魏格納的監(jiān)督下，在大學(xué)里研究钚的生產(chǎn)方法，后來改到田納西州橡樹嶺的橡樹嶺國家實驗室繼續(xù)研究。

雖然“芝加哥1號堆”證明了核反應(yīng)堆的可行性，但“曼哈頓計劃”的目標是生產(chǎn)足夠的钚來制造原子彈，這需要反應(yīng)堆的功率達到1000倍，同時還需要從鈾和裂變產(chǎn)物中化學(xué)分離反應(yīng)堆中產(chǎn)生的钚。钚項目代號X-10的下一步是建造一個半工廠，在那里可以開發(fā)技術(shù)和程序，并進行培訓(xùn)。其核心是X-10石墨反應(yīng)堆。它是氣冷的，用石墨作為中子慢化劑，用純天然鈾作為燃料。

1943年2月2日，杜邦開始在位于橡樹嶺的克林頓工程師工廠建造钚半成品。X-10石墨反應(yīng)堆于1943年11月4日“進入臨界狀態(tài)”，并于1944年初生產(chǎn)了第一批钚。該反應(yīng)堆的啟動小組包括斯洛廷和伯納德·費爾德，他們是臨界裝置測量領(lǐng)域的引領(lǐng)者，斯洛廷從事大型鈾金屬組件的源驅(qū)動倍增測量，以及金屬棒水柵的熱中子系統(tǒng)測量。1943年11月4日凌晨4：00，橡樹嶺，路易斯·斯洛廷敲響了M.D.惠特克和R.L.多恩房間的門，這兩位是“曼哈頓計劃”克林頓實驗室的主管。此前整個晚上，在這個位于田納西州東部丘陵地帶“X點”的反應(yīng)堆中，鈾塊一直不斷地被裝入嚴密保護的石墨中?；萏乜撕投喽鞫紘栏褚笤谒麄?日早上到達工作地點之前，反應(yīng)堆不應(yīng)達到臨界狀態(tài)。然而，一方面他們高估了臨界質(zhì)量的數(shù)值，另一方面也低估了亨利·紐森、萊爾·博斯特和斯洛廷的熱情。臨界狀態(tài)來得比預(yù)想的要快，斯洛廷發(fā)現(xiàn)有必要開車進城叫醒康普頓和費米，他星夜兼程、風塵仆仆地趕到了距離反應(yīng)堆現(xiàn)場15英里，通知了兩位科學(xué)家。正如1993年發(fā)表的《橡樹嶺國家實驗室評論》的兩期文章所報道的那樣，“11月4日黎明前，路易斯·斯洛廷開車到賓館叫醒了兩位諾貝爾獎獲得者亞瑟·康普頓（Arthur Compaton）和恩里科·費米（Enrico Fermi），他們在橡樹嶺（OakRidge）的別名是霍利（Holley）和農(nóng)夫（Farmer）。在黑暗中，他們沿著貝塞爾山谷路飛馳，見證了反應(yīng)堆在凌晨5點進入臨界狀態(tài)?！痹谑磻?yīng)堆生產(chǎn)的326克钚中，有一小部分通過幾次火車運輸?shù)铰逅埂ぐ⒗?。在那里，放射性同位素被實驗性地使用，成就了?nèi)爆型钚燃料彈的設(shè)計。在漢福德，橡樹嶺的钚生產(chǎn)和后處理程序得到了擴大。那里的水冷石墨慢化反應(yīng)堆是由未來的諾貝爾獎得主尤金·魏格納設(shè)計的，他是一位化學(xué)工程師和物理學(xué)家，1946-1947年在后來的橡樹嶺國家實驗室擔任研究主管。

路易斯·斯洛廷是國家钚研究中最引人注目的人物之一。斯洛廷在芝加哥大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室的魏格納領(lǐng)導(dǎo)下從事钚的生產(chǎn)。1942年8月20日芝加哥大學(xué)的冶金實驗室第一次分離出來可見量的钚。在橡樹嶺時，斯洛廷的魯莽行為震驚了人們，尤其是卡爾摩根，橡樹嶺國家實驗室的健康物理部主任。斯洛廷希望石墨反應(yīng)堆立即關(guān)閉，這樣他就可以修復(fù)一個在水下6英尺的實驗中出現(xiàn)故障的儀器。但是這位加拿大科學(xué)家被告知要多等一天，屆時反應(yīng)堆將因預(yù)定的燃料補給而關(guān)閉，水箱將被排干。摩根在他的出版物《憤怒的精靈：一個人走過核時代》中寫道：

“但是在夜晚，斯洛廷脫下短褲，潛入水箱底部，修理他的設(shè)備。他沒有佩戴膠片徽章（劑量計），所以我們只能估計他的輻射劑量至少為100倫琴，這是一個雖然危險但可以生存的量?！?/p>

橡樹嶺實驗室X-10石墨反應(yīng)堆的工作人員用一根桿子把新鮮的鈾塞推進反應(yīng)堆的混凝土裝載面。

斯洛廷同魏格納在橡樹嶺結(jié)束了新型反應(yīng)堆的研究工作以后，在1944年12月，他搬到新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室，為羅伯特·巴徹的原子彈物理小組進行研究工作。他原本希望能同阿爾瓦雷斯一起被調(diào)到提尼安島去參加第一顆實戰(zhàn)用原子彈的裝配工作，但是保安部門考慮到他是加拿大人而沒有同意他參與這項工作。為了緩解他的失望心情，委托他為阿拉莫戈多的陸軍部門裝置一個實驗性炸彈的內(nèi)部機械。

斯洛廷在做試

1942年12月2日，科學(xué)家聚集在芝加哥大學(xué)足球場下，目睹了核反應(yīng)堆產(chǎn)生的首個受控自持鏈式核反應(yīng)

在洛斯·阿拉莫斯，斯洛廷的職責是進行危險的臨界試驗，首先是測試奧托·羅伯特·弗里施在他實驗中用的鈾，后來就是測試钚制核心。進行臨界試驗時需使可裂物料達至近乎臨界水平，以確立其臨界質(zhì)量的數(shù)值。科學(xué)家們將這種可能觸發(fā)核連鎖反應(yīng)的冒險行為叫做“搔弄龍尾巴”，這是鑒于物理學(xué)家理查德·費曼所作的評價，他把這種實驗比作“搔弄一條睡龍的尾巴”。斯洛廷于1945年7月16日組裝了“三一”試驗用的核心，也就是第一枚被引爆的原子彈。由于他那時成了原子武器組裝專家，所以開始被人稱為“美國首席軍械工”。他和B·D·麥克唐納和C·S·史密斯一起負責機械裝置的組裝，并監(jiān)控裝配過程中輻射是否超標，當原子彈安放到鐵塔上時對其進行檢查。這張路易斯的照片顯示，一個30多歲的男人正在側(cè)身，旁邊就是他組裝的科學(xué)史上的巨大突破——“瘦子”原子彈，這張照片看起來很安靜，但有一點輕浮。他穿著很隨意，只著一件無扣襯衫、一條寬短褲、一雙靴子和一副優(yōu)雅的太陽鏡。他所在的帳篷使得工人們避免了直接暴露在灼熱的太陽光下，盡管從他們的面容來看，酷暑難耐，畢竟這是在沙漠中的洛斯·阿拉莫斯。

在第一顆原子彈“瘦子”研制的過程中，斯洛廷進行試驗性炸彈內(nèi)部機械的試驗。這種機械裝置由兩個半圓球構(gòu)成，投彈時這兩個半圓球必須對合，使兩個半圓球里的钚合到一起，從而達到“臨界質(zhì)量”。這一臨界尺寸的確定曾經(jīng)是洛斯·阿拉莫斯理論研究室所要解決的重大課題之一。但是在當時的條件下，像這樣一些數(shù)據(jù)，如钚的需要量、鏈式反應(yīng)過程中放射出的中子的散射角及發(fā)射出的中子數(shù)量、兩個半圓球體對合的速度以及其它一系列數(shù)據(jù)，都只能做出近似的計算。如要絕對肯定和確信這些數(shù)據(jù)，則必須單獨進行試驗才能加以證實。擔負這些試驗的是以弗里希（他從英國來到美國）為首的一個小組，斯洛廷也是這個小組的成員。

弗里希做臨界質(zhì)量試驗的方法與斯洛廷不同，他的方法既簡單又危險。他把裂變材料切成3厘米長的小棒子，把它們堆起來，同時盯著他的輻射計，直到達到臨界狀態(tài)。為了減緩反應(yīng)速度，他用氫化鈾代替純鈾。一天，弗里希偶然倚靠在一堆鈾棒上，使他的身體將中子反射回鈾棒堆，幾乎引起了失控的反應(yīng)。他從眼角看到了紅燈，紅燈在中子周圍時間歇性地閃爍，不斷地發(fā)光。弗瑞斯意識到發(fā)生了什么，很快就用手把鈾棒打散了。弗里希在事故中接受了相當大的輻射，但幸運的是輻射量不足以殺死他。然而，對于他的同事們來說，他們稍后將重復(fù)他的實驗。

斯洛廷在進行試驗時，從來不采取任何特殊的防護措施。他的全部工具就是兩把螺絲刀，他用螺絲刀把兩個半圓球沿著導(dǎo)向軸相對銜合，然后他就在一旁密切觀察，他的任務(wù)是在正好達到鏈式反應(yīng)最初瞬間的臨界點時立即將半圓球分開。如果他稍一疏忽而超越了這個臨界點或者是沒有來得及在最初瞬間中斷已經(jīng)開始了的反應(yīng)，則質(zhì)量就會突破臨界值而隨之產(chǎn)生核裂變。弗里希本人就有一次在洛斯·阿拉莫斯進行這種試驗時險些喪命。斯洛廷當然很清楚，每當他從死亡邊緣掙脫出來時，他的上司的生命也是處于千鈞一發(fā)。但是這個勇敢的青年科學(xué)家卻樂于冒生命危險。

橡樹嶺實驗室X-10石墨反應(yīng)堆的工作人員用一根桿子把新鮮的鈾塞推進反應(yīng)堆的混凝土裝載面

戰(zhàn)后，斯洛廷表示他愈來愈不屑于參與該計劃。他說，“使我非常憤慨的是，我開始參與海軍的各種測試?！睂λ孤逋⒍?，很不幸的是洛斯·阿拉莫斯仍然需要他的參與，因為就像他說的那樣，“還留在這兒又有炸彈組裝經(jīng)驗的人只有幾個，而我就是其中一個?！彼瓮胤抵ゼ痈绱髮W(xué)繼續(xù)他的生物物理學(xué)及放射生物學(xué)的研究，他那時正在訓(xùn)練一名替代者，艾爾文·C·格里夫斯，好讓自己一重回和平時期的工作，就有人去接手他所留下的工作。

斯洛廷（右二）參與吊裝第一顆原子彈“瘦子”

1943年夏季，洛斯·阿拉莫斯科學(xué)實驗室的放射小組開始在帕哈里托峽谷建立實驗室，成為首個搬遷到此的部門。建立野外實驗室，是為了避免其它實驗室的試驗活動所產(chǎn)生的背景輻射的干擾。一年以后，該小組又轉(zhuǎn)移到了東門實驗室，該實驗室是為了測量瞬發(fā)核裂變而專門成立的。1944年末，帕哈里托峽谷實驗室改造成為了診斷爆炸的“磁方法”的試驗場。到了1945年，該處實驗室被遺棄。1946年4月，洛斯·阿拉莫斯科學(xué)實驗室的臨界組裝試驗從發(fā)生過事故的歐米伽分室搬遷到了峽谷。盡管哈里·達格利安因致命的輻射傷害而遇難，但是該處的臨界組裝實驗活動仍然用手進行操作，由此導(dǎo)致了一年以后發(fā)生了另一起事故。