原子彈往事：核臨界試驗(yàn)裝置（5）

尹瑞濤

炸彈模型，模擬第一個(gè)內(nèi)爆式核武器，用此組件取得的次臨界測量值設(shè)計(jì)出比“胖子”原子彈更先進(jìn)的核武器

“惡魔核心”導(dǎo)致的兩起致命事故發(fā)生后，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室禁止試驗(yàn)人員直接操縱裂變材料，開發(fā)了遙控試驗(yàn)設(shè)施。與此同時(shí)，人們認(rèn)識到臨界性試驗(yàn)對于整個(gè)武器計(jì)劃的繼續(xù)是必要的。因此，實(shí)驗(yàn)室通過的準(zhǔn)則強(qiáng)調(diào)，人員安全是“第一優(yōu)先事項(xiàng)，保障裂變材料的安全、多功能性以及試驗(yàn)的可重復(fù)性是重要目標(biāo)”。沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室管理層審查和批準(zhǔn)，不得進(jìn)行任何臨界試驗(yàn)。在試驗(yàn)獲得批準(zhǔn)之前，對每一類試驗(yàn)的操作程序都進(jìn)行詳細(xì)的準(zhǔn)備和評審。專門指定一個(gè)人來監(jiān)控試驗(yàn)的安全性，當(dāng)試驗(yàn)安全性有問題的時(shí)候，任何一個(gè)組員都可以停止試驗(yàn)。

第一個(gè)托普希臨界裝置。濃縮鈾核心嵌入到由部分天然鈾組成的反射層里，被提升到主反射體的一個(gè)空腔里

最初，遙控臨界試驗(yàn)設(shè)施由一個(gè)稱為Kiva的臨界組裝實(shí)驗(yàn)室組成，該實(shí)驗(yàn)室距離控制室0.4千米。一個(gè)隔離區(qū)提供了輻射防護(hù)，每當(dāng)遙控臨界裝置被操作時(shí)，它都會讓人們遠(yuǎn)離輻射。Kiva于1947年4月開始運(yùn)行，用作武器安全指導(dǎo)的次臨界測量。在武器部件的搬運(yùn)、儲存和運(yùn)輸過程中，以及在武器的裝配和操作過程中，必須避免意外臨界，因此試驗(yàn)指導(dǎo)是非常必要的。

在早期的核武器中，當(dāng)量受到臨界安全極限的限制，每一個(gè)高當(dāng)量的裂變核心都要經(jīng)過測試，以確保滿足這些限制。隨著武器設(shè)計(jì)變得越來越精細(xì)，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室研制出了多種遠(yuǎn)程操作臨界試驗(yàn)裝置。

炸彈模型裝置

炸彈模型裝置是第一臺遙控組裝裝置，其尺寸與“胖子”原子彈相似，它由路易斯·斯洛廷設(shè)計(jì)。炸彈模型在赤道處分裂，上半球升起，以便進(jìn)入一個(gè)中心區(qū)域，該區(qū)域可容納各種可裂變材料進(jìn)行操作，裝置可被遠(yuǎn)程關(guān)閉。如果臨界狀態(tài)比預(yù)期的更接近，它將自動分離（稱之為緊急停堆）。炸彈模型試驗(yàn)是亞臨界中子倍增測量。在臨界裝置的啟動中，要引入一個(gè)外中子源，通過測量外中子源的倍增因子來獲得系統(tǒng)的亞臨界反應(yīng)性。在臨界安全的試驗(yàn)檢驗(yàn)中，常用亞臨界中子倍增法來獲得易裂變材料系統(tǒng)的亞臨界度。中子計(jì)數(shù)器的響應(yīng)與臨界以下的裕度有關(guān)，計(jì)數(shù)率過高會引發(fā)緊急停堆。炸彈模型試驗(yàn)有幾個(gè)目的：證明內(nèi)爆武器部件的安全性，確認(rèn)生產(chǎn)核心的預(yù)期反應(yīng)性，并為新的內(nèi)爆式核武器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

“彗星”臨界試驗(yàn)裝置

Flattop臨界裝置

Flattop臨界裝置結(jié)構(gòu)圖

托普希（Topsy）裝置

托普希裝置主要由一個(gè)鈾核組成，位于一個(gè)厚的天然鈾反射層中。表面有半英寸臺階的球形核被提升到一個(gè)更大尺度的球形反射器內(nèi)的空腔中。天然鈾的控制棒進(jìn)入反射器內(nèi)的空腔。一個(gè)徑向孔（稱為光孔）直徑為半英寸，穿過反射器，帶有適當(dāng)?shù)奶畛湮?，可進(jìn)行內(nèi)部測量。

托普希裝置可以提供快中子數(shù)據(jù)，用于檢查當(dāng)時(shí)正在開發(fā)的高速機(jī)器的強(qiáng)大計(jì)算技術(shù)。這些技術(shù)用于武器和快堆設(shè)計(jì)。隨著核武器設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，這些中子測量在輔助武器設(shè)計(jì)中的作用變得越來越重要。

“彗星”裝置

1948年后，托普希不再用于亞臨界試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室研制出了“彗星”裝置?！板缧恰背袚?dān)著對槍式核武器及其部件進(jìn)行安全測試的重任。它也被用來為設(shè)計(jì)新的武器提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)?！板缧恰毖b置是由液壓油缸組成的機(jī)器，支撐一個(gè)“A”框架。下部的反射器外殼含有包含著裂變物質(zhì)的球體，它們放置在鋁制氣缸上面?！癆”形框架支撐著一根螺紋桿，上面的反射器半球懸掛。這個(gè)裝置可以堆放大量的活性材料，幾乎達(dá)到臨界狀態(tài)。使用“彗星”進(jìn)行的安全和設(shè)計(jì)測試一直持續(xù)了很長時(shí)間。

Flattop臨界裝置

Flattop臨界試驗(yàn)裝置用于在球面幾何學(xué)中提供基準(zhǔn)中子測量，具有許多不同的裂變驅(qū)動器材料。裝置使用球形結(jié)構(gòu)，適配器和質(zhì)量調(diào)節(jié)鑲塊的零件位于左側(cè)。Flattop包括高濃縮鈾球形芯，天然鈾反射器，支撐結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)和儀表以及控制系統(tǒng)。天然鈾反射器直徑12.8毫米?？淄ㄟ^反射器和核心，這允許將12毫米熱管放置在堆芯中。鈾核由一個(gè)直徑為121毫米的球體組成，含有93.15%的鈾235，重量16.2千克。額外高濃縮鈾件使堆芯總質(zhì)量達(dá)到18千克。一種天然鈾組成的球安裝在一個(gè)鋼制的桌子上，由一個(gè)落地式底座支撐。反射器組件由兩個(gè)可伸縮的四分之一球體（每個(gè)250千克）和一個(gè)固定的半球組成。

“戈黛瓦夫人”安全運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)

技術(shù)區(qū)TA-18地圖

TA-18區(qū)基瓦1號樓的全景突出顯示為“戈黛瓦之家”

“戈黛瓦夫人”臨界裝置

“戈黛瓦夫人”裝置本質(zhì)上是一個(gè)非屏蔽脈沖核反應(yīng)堆，最初位于新墨西哥州圣達(dá)菲附近的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）。它是18號技術(shù)區(qū)（TA-18）內(nèi)眾多臨界裝置之一。具體來說，它被用于產(chǎn)生中子和伽馬射線以輻照測試樣品，并啟發(fā)了類似的反應(yīng)堆的發(fā)展。

在試驗(yàn)臨界狀態(tài)時(shí)，及時(shí)停止是很重要的。不受控制的連鎖反應(yīng)可能導(dǎo)致真正的核爆炸。早在1942年，在芝加哥建造第一座核反應(yīng)堆時(shí)就使用了鎘控制棒（安全棒）。鎘吸收中子，在反應(yīng)堆“緊急制動”的情況下，有必要迅速將棒引入堆芯。這是一個(gè)受過專門訓(xùn)練的準(zhǔn)備好斧頭的人的責(zé)任。應(yīng)急棒被掛在繩子上，繩子在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被斧頭砍斷了。

臨界設(shè)備事實(shí)上都是相同的原始核反應(yīng)堆，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不是一直保持，而是在很短的時(shí)間內(nèi)開始的。后來這種裝置被稱為“脈沖反應(yīng)器”?！案犄焱叻蛉恕钡脑O(shè)計(jì)靈感來源于1952年Jemima裝置試驗(yàn)。它的設(shè)計(jì)理念是，一旦發(fā)生事故，就有可能“倉促逃離”連鎖反應(yīng)。它由兩組鈾盤組成：一組固定不動，另一組上升到鈾板上，形成放射性物質(zhì)的總質(zhì)量，接近臨界值。1952年4月18日，由于計(jì)算錯(cuò)誤，額外的鈾板被“充電”到設(shè)備上，裝置進(jìn)入臨界狀態(tài)，導(dǎo)致了1.5×1016次裂變的偏移，自動緊急停堆，但沒有損壞。不過，爆炸并未發(fā)生。釋放出的能量使底部的鈾塊與上部的鈾塊分開，之后連鎖反應(yīng)自動停止。

1954年2月的事故對支撐桿造成的損壞

“戈黛瓦夫人”裝置的“教父”被認(rèn)為是奧托·弗里希教授。弗里希于1943年加入曼哈頓計(jì)劃，但他對該計(jì)劃最重要的貢獻(xiàn)在1940年。弗里希和魯?shù)婪颉づ鍫査固岢隽烁ダ锵！づ鍫査箓渫?，闡述了產(chǎn)生原子爆炸的過程。這份備忘錄包含了有關(guān)制造原子彈所需鈾-235臨界質(zhì)量大小的新計(jì)算，加速了英國和美國制造原子彈的速度。

1943年，弗里希移居美國，與洛斯阿拉莫斯的物理學(xué)家一起幫助制造炸彈。弗里希被任命為臨界裝配小組的組長，負(fù)責(zé)確定制造臨界質(zhì)量所需的濃縮鈾的確切數(shù)量，即維持核反應(yīng)的鈾的質(zhì)量。他的成果不勝枚舉：中子行為的研究，鈾核裂變能量的計(jì)算，以及核爆炸所需鈾臨界質(zhì)量的估計(jì)。然而，這個(gè)裝置看起來更像一個(gè)兩米長的機(jī)械骨架，里面有一顆“裂變核”。選擇這種設(shè)計(jì)是為了盡量減少中子的反射，因?yàn)橹凶臃瓷淇赡軐?dǎo)致連鎖反應(yīng)失控。

拿斧子的人在拆除四個(gè)脈沖反應(yīng)堆之一的平頂反應(yīng)堆

奧托·弗里希教授

“戈黛瓦夫人”的“心臟”是一個(gè)濃縮鈾235球（濃度93.7%），直徑約17厘米，總重53千克，分為三部分。相比之下，落在廣島的“小男孩”鈾裝藥的質(zhì)量是64.1千克。為了在球體表面進(jìn)行“微調(diào)”，制作了14個(gè)凹槽，其中插入了重量從50克到100克不等的小型鈾盤。在試驗(yàn)過程中，部分球體被連接在一起，一根鈾棒被迅速插入頂部管子并從較大的可裂變物質(zhì)的空腔中取出，引發(fā)連鎖反應(yīng)，從而產(chǎn)生了伽馬射線和中子的爆發(fā)。這一階段是遠(yuǎn)程進(jìn)行的，但“戈黛瓦夫人”的維護(hù)特別是鈾盤的添加，是手動完成的。

1957年事故發(fā)生后，“戈黛瓦夫人”的部件融化了，左為觸發(fā)反應(yīng)的鈾棒

盡管與1940年代徒手進(jìn)行的試驗(yàn)相比有了重大進(jìn)步，但新的臨界設(shè)備仍然極其危險(xiǎn)。1954年的一天，弗里希差點(diǎn)遇難：他就在“戈黛瓦夫人”組裝好的“核心”旁。一個(gè)鈾塊掉了下來，增加了反應(yīng)的總量，導(dǎo)致整個(gè)裝置啟動。人體反射的中子比碳化鎢或鈹少得多，但也有少量中子足以引發(fā)連鎖反應(yīng)。弗里希仔細(xì)地進(jìn)行試驗(yàn)，總是盯著那些在中子輸出增加時(shí)會短暫閃爍的燈。弗里希從眼角看到，在試驗(yàn)過程中閃爍的燈在穩(wěn)定地發(fā)光。他伸出手來，把一些鈾塊從機(jī)器上敲到了地上，燈熄滅了。弗里希的白襯衫和他身體里的水把中子反彈回裝置，引發(fā)了反應(yīng)，在他俯下身注意到燈火的時(shí)候，他受到了大量的輻射。弗里希在指示燈的燈光下注意到了這一點(diǎn)，并設(shè)法做出反應(yīng)，將球彈開并撕碎。再耽擱一會就會導(dǎo)致他死亡。

“戈黛瓦夫人”II裝置

“戈黛瓦夫人”在運(yùn)行中并非沒有意外。第一次發(fā)生在1954年2月3日，鈾零件略有翹曲，但不足以妨礙進(jìn)一步操作。第二次，1957年2月12日，更為極端，發(fā)生了意外的臨界偏移，造成裝置損壞，金屬框架嚴(yán)重翹曲和氧化，并損壞了輕型支架，設(shè)備自動關(guān)閉，但對人員的影響很小。

在某些情況下，“戈黛瓦夫人”裝置產(chǎn)生的脈沖提供了一種替代昂貴的現(xiàn)場測試的方法。因此，“戈黛瓦夫人”裝置最終擴(kuò)展應(yīng)用到桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的快速爆炸反應(yīng)堆、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、白沙導(dǎo)彈靶場和阿伯丁試驗(yàn)場。

為了在1957年取代“戈黛瓦夫人”，一種新的裝置被制造出來——“戈黛瓦夫人”II。其設(shè)計(jì)和工作原理與前代產(chǎn)品相似。“戈黛瓦夫人”II建造在一座混凝土建筑內(nèi)，位于距離控制室四分之一英里（400米）的峽谷中。

在這張“戈黛瓦夫人”II 的照片的頂部， 一個(gè)圓柱形的金屬籠包圍著球形的鈾塊

“戈黛瓦夫人”II現(xiàn)在使用的是帶有切口的鈾圓柱體，而不是球，從底部插入一個(gè)直徑較小的圓柱體（所謂的安全塊）。鈾的總質(zhì)量增加到57千克。觸發(fā)棒被插入主缸中鉆的三個(gè)通道中的一個(gè)，另外兩個(gè)用于控制棒。此外，在主缸中鉆一個(gè)橫向通道，用于輻照樣品和材料。核心被金屬網(wǎng)包圍著。這臺機(jī)器是完全遠(yuǎn)程控制的，不需要手動封閉鈾塊，就像“戈黛瓦”的第一臺那樣，重量是由控制棒調(diào)節(jié)的。觸發(fā)棒的位置被提前校準(zhǔn)，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)大約40毫秒。這里使用的不是一個(gè)拿著斧頭的人，而是輻射傳感器，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候包括一個(gè)氣動系統(tǒng)，可以降低內(nèi)筒并停止反應(yīng)。

1959年，洛斯阿拉莫斯同意向國防部承包商免費(fèi)提供“戈黛瓦夫人”II，每月2天，承擔(dān)著其獨(dú)特的輻射測試。