《人类科学技术史-376》曼哈顿工程和核聚变能的初步研究

曼哈顿工程和核聚变能的初步研究
1.曼哈顿工程——第一批原子弹的研制

重核裂变和链式反应的理论和实验为开发和利用核能准备了条件，同时，科学家们也看到了利用这种科学研究成果制造威力无比的战争武器的可能性。

1939年春，第二次世界大战爆发在即，有消息表明，德国在实现重核裂变后正组织力量进行链式反应的研究。西拉德等科学家意识到，如果纳粹德国首先研制成功原子武器，对世界文明的威胁将是多么巨大。他们积极活动，提议美国和欧洲的科学家共同保守有关核裂变和链式反应的秘密，并设法提醒美国政府和军方重视原子能研究的重大意义。

1939年3月17日，费米带着哥伦比亚大学物理系主任乔治.彼格拉姆的介绍信去拜会了美国海军军械部长胡泊上将。同他讨论了制造原子弹的可能性，但没有产生多大影响。后来，西拉德起草了一封要求美国政府赶快研制原子弹的信，出于对全人类命运的担忧，爱因斯坦在这封信上签了名。西拉德设法通过经济学家萨克斯博士来呈递这封信。萨克斯是罗斯福总统的朋友和顾问，1939年10月11日，他亲自将信交给了罗斯福。

罗斯福对政府当时马上就出面干预此事，尚犹豫不决。后来，萨克斯用拿破仑最终失败的历史教训说服了罗斯福。萨克斯向罗斯福讲述了拿破仑和富尔顿(1765-1815)的故事：美国发明家富尔顿于19世纪初研制成以蒸汽为动力的轮船，他曾建议　拿破仑建立一只由蒸汽舰艇组成的舰队，认为这样的舰队不论在什么天气下都能在英国登陆。但拿破仑觉得，军舰不用挂帆是不可思议的事情，竟把富尔顿赶了出去，英国历史学家阿克顿爵士后来评论说，这是由于敌人缺乏见识而使英国得以幸免的一个例子，如果当时拿破仑稍稍动一动脑筋，再慎重考虑一下，那么，19世纪的历史进程也许完全会是另外一个样子。罗斯福总统终于被萨克斯的一番话打动了，并指示，对西拉德等人信中所提的事要立即采取行动！不久，一个专门的"铀顾问委员会"便成立了。

1941年12月6日，在珍珠港事件的前一天，美国科学研究发展总局局长宣布了全力以赴地制造原子弹的决定。1942年，盟国的原子能计划进入一个崭新的阶段，美国原子能研究的最高控制权也转移到了军政委员会。是年8月13日，研制原子弹的全部计划为保密而取名"曼哈顿工程"。刚刚晋升为准将的职业军人格罗夫斯被任命为工程的行政负责人。格罗夫斯曾接受过工程教育和专门的军事教育，具有组织和领导大规模工程的丰富经验，是组织才能很强的领导者。该计划集中了理论物理、数学、辐射化学、实验技术、冶金、爆炸工程、精密测量等方面的著名科学家和专家，包括费米、康普顿(1892-1962)、冯.诺依曼、劳伦斯(1901-1958)、尤里(1893-1981)、奥本海默(1904-1967)等。

制造原子武器在理论上虽已没有疑问，但从理论知识到工程实践，从科学家的实验室到制出实物还需要进行大量的应用研究、工程研究和生产工艺等方面的研究，要解决许多极为复杂的技术问题，而且，需要大规模有组织的协作和投入大量的人力、物力和财力，这些在和平时期是很难想象的。战争的形势促成美国研制原子武器，希特勒在欧洲的法西斯暴行迫使当时世界上许多最优秀的科学家云集到美国，这些都构成了美国研制原子弹的优越条件。

当时的有关实验证实，在天然铀中主要有铀235和铀238两种成分，两者比例为1比140。铀235在中子作用下能够发生裂变，慢中子可增加其裂变的机会，而中子不能使铀238裂变，相反被铀238俘获。要保证链式反应的继续，当时有两种办法：一是把铀235从天然铀中分离出来提高其浓度；另一种就是使铀核分裂后新生的快中子迅速减慢速度成为慢中子，使铀235裂变的机会大大超过中子被铀238俘获的机会。研究表明，石墨是很好的减速剂，在以石墨为减速剂有足够天然铀的反应堆中能实现链式反应。但是，要在原子武器里实现链式反应，要求则不同了，这种武器要求链式反应的速度越快越好，而体积是越小越好。因此，原子弹中只能用浓度很高的铀235。1940年夏，加里福尼亚州大学的劳伦斯和他的同事们研究时发现，铀238俘获一个中子后，就变成铀239，铀239很快衰变为镎239，镎239又很快衰变为钚239，而钚是一种人工核燃料。如果链式反应在以天然铀为核燃料以石墨为减速剂的反应堆中能够持续下去，那么，反应堆中的铀238就会变成人工核燃料钚。当时，还不能肯定生产铀235和生产钚239的方案中，哪一个方案较好，因此便采取两种方案双管齐下的办法。

1942年初，哥伦比亚和普林斯顿研究小组都转移到芝加哥大学，成立了所谓的冶金实验室，诺贝尔奖获得者康普顿为实验室主任。1942年11月，芝加哥大学的操场上开始建立第一座核反应堆——"芝加哥一号"。该反应堆以天然铀为核原料以石墨为减速剂，用能够随时插入和抽出其中的镉棒为控制器。镉棒能象海绵吸水那样吸收中子，可以对链式反应进行控制。12月1日下午，这个反应堆达到了临界体积，堆宽9米，长近10米，高6.5米，重1400吨，其中有52吨铀和氧化铀。12月2日，在费米的主持下，世界上第一座核反应堆投入运行。下午3点20分，当最后一根镉棒拖出来后，铀核裂变进入自持阶段，人工控制核链式反应取得了首次成功。反应堆的全部输出能量很小，但在核能开发和利用的历史上，具有划时代的意义。

"芝加哥一号"离核能的实际应用还有一定距离。1943年1月，曼哈顿计划的负责人格罗夫斯同杜邦公司签定了在田纳西州的橡树岭建造一座功率为1800千瓦的空气冷却堆的合同。这一反应堆于当年11月开始运行，是现代慢中子堆的雏形。

曼哈顿计划还建造了三座大型反应堆和三个钚分离工厂，以获得足够量的钚。为了获得高浓度的铀235，曼哈顿计划根据三种不同的分离、浓缩铀235的方法，建造了三座生产铀235的大工厂。这三种分离方法分别为电磁分离法、气体扩散法和热扩散法。

为实现曼哈顿计划，美国动员了50余万人，其中有15万科技人员，耗资22亿美元，动用了全国1／3的电力，在不到4年的时间里制造了3颗原子弹。

1945年7月16日，在美国本土西部荒漠地带成功地进行了第一颗原子弹的爆炸试验，爆炸力相当于2万吨TNT炸药。同年8月6日，美国在日本的广岛投下了一颗名为"小男孩"(代号瘦子）的铀弹，内装10公斤铀235；8月9日，一颗名为"大男孩"(代号胖子）的钚弹在日本长崎上空爆炸，两座城市夷为平地。原子弹的威力在客观上加速了日本法西斯的投降，但大量无辜平民的伤亡，令全世界震惊。

与人们原先的担忧相反，直到第二次世界大战结束，德国在研制原子弹方面并没有取得显著进展，其原因是多方面的。希特勒当时需要的是，在短时间内能见成效并用于战争的武器，不是耗资巨大又前景不明的原子武器，当他意识到这种武器的作用时，法西斯已接近穷途末路，不具备研制原子弹的能力了。而且，当时德国的原子核能研究设施在战争中也多次受到了破坏，德国的多数科学家们，也不愿意为法西斯的战争积极研制原子弹。

原子弹研制成功之后，美国极力想保持其核武器的垄断地位，并宣称要绝对保守原子弹制造的秘密。这种具有极大破坏力的武器必然与社会和政治发展联系在一起，形成一种特殊的力量。因此，苏联等国家都把打破美国的核垄断作为一个重要的问题来对待。1949年，苏联爆炸了他们的第一颗原子弹，1952年、1960年，英国、法国的原子弹都先后试验成功。中国也依靠自己的力量，掌握了制造原子弹的技术，于1964年10月16日成功地爆炸了第一颗原子弹。

原子核能在军事上的应用，促进了原子能技术的发展。同时，能源短缺也促使工业国家开始了将核能的开发和利用转向民用的探索。美、英、苏等国在发展军用原子反应堆的基础上，开始了小型反应堆的研究，到50年代，这一方面的研究便取得了很大进展。美国于1952年12月，进行了利用原子能发电的最初尝试。1954年6月，苏联在奥布宁斯克建成了世界上第一座用浓缩铀作燃料的石墨水冷堆核发电站，发电功率为5000千瓦。英国于1956年则建成了一座天然铀石墨气冷堆核电站，发电功率提高到6万千瓦。

到20世纪80年代，国际原子能机构所属的24个国家中还包括有9个发展中国家，该机构估计，到20世纪末，发展中国家的总发电量中有百分之七是核电，发达国家核电站发出的电将占总发电量的30％。核能的开发和利用将成为解决世界能源匮乏的有效方法之一。

2.核聚变能和其他一些能源技术的初步研究

20世纪20年代，人们还认识到另一种能源，即核聚变能。核聚变是轻元素的原子核在极高的温度下接近并聚合，形成新的原子核，同时释放出比核裂变还大的能量，例如，一克氢在高温下聚变放出的能量大约是一克铀裂变放出能量的15倍。这种在高温下实现的反应也称热核反应。能进行裂变的元素在地球上的储量十分稀有，而氢元素却是取之不尽的。

1931年底，美国的尤里发现并得到氢的同位素氘。氘聚变要求的温度比氢聚变低。自然界中氘的含量虽远低于氢，但仍然是十分丰富的。1934年，卢瑟福等发现了氢的另一种同位素氚，而且这种元素的聚变温度更低些。美籍德国人贝蒂、美国人克里齐菲尔德、德国人冯.韦茨萨克等人在1938年几乎同时指出：太阳和一切恒星的光和热是以氢为燃料的热核反应的结果。

1942年，人们开始研制原子弹时，也着手研究利用热核聚变理论于威力更大的战争武器——氢弹的可能性。美国、苏联分别于1952年和1953年研制成氢弹。1967年，我国也成功地爆炸了第一颗氢弹。

但是要象在反应堆中控制裂变那样控制聚变，是非常困难的。聚变反应除了要控制几千万度的高温外，还要使高温保持足够长的时间，才能"点火"开始反应。实现受控热核反应，解决核聚变能用于和平的问题，仍是目前科学技术研究的前沿课题之一。

这一时期，在研究核能的开发和利用的同时，人们还对其他能源技术进行了研究。作为矿物资源的煤，只有实现气化和液化，才能使其利用率发生质的变化。在19世纪煤气完全气化研究的基础上，20世纪30年代有了工业规模的煤气发生炉。1930年，德国首先创造了加压气化的鲁奇法。第二次世界大战期间，德国、日本研究成功了高压直接加氢液化煤的技术，得到烷烃类的气体燃料和环烷类、芳香烃类的液体燃料。虽然这些技术的生产能力都很低，也存在不少缺点，但对煤的气化和液化技术的发展都有所推动。

20年代，德国还试验用煤作内燃机的燃料，将煤粉与水或石油混合，加进1-3％的稳定剂，开始了胶态燃料的研究。

社会的发展对能源的数量和质量提出了越来越高的要求，人们在探索新能源的道路上也在不懈的努力。