于敏与氢弹（一）氢弹的科学原理 | 袁岚峰

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导读

了解了氢弹有多重要、开发氢弹有多难，你才能明白于敏的重要性在哪里：核威慑绝大部分来自氢弹。常规武器的威力远远低于原子弹，而原子弹的威力又远远低于氢弹，因为它们能量的来源不同。常规武器用的是化学能，原子弹用的是裂变能，氢弹用的是聚变能。

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2019年1月16日下午，我正和许多科技工作者在“典赞·2018科普中国”的颁奖典礼现场，突然听到中国氢弹之父于敏去世了，享年93岁（1926-2019），不禁深感悲痛。

于敏

大家都知道，于敏对中国的氢弹研发发挥了关键作用。有许多人说，世界上的氢弹构型只有两种，一种叫泰勒-乌拉姆构型（Teller-Ulam design），一种叫于敏构型，而且于敏构型比泰勒-乌拉姆构型还要好。这种说法是真的吗？应该如何理解于敏的贡献，以及更广而言之，于敏的历史意义？

为此，我做了一些相关的调研。要充分理解于敏的工作，就需要首先理解氢弹的原理。而实际上，氢弹原理本身就是一个有趣的话题。了解了氢弹有多重要、开发氢弹有多难，你才能明白于敏的重要性在哪里。因此，让我们把这个话题分成几期，第一期来谈氢弹的科学原理，第二期来谈氢弹的工程实践，然后来谈于敏的工作。

关于氢弹，大多数人都知道，氢弹是人类制造过的最强大的武器。不过，强大到什么程度呢？很多人可能并没有充分理解。

让我们来看一些数据。有一种常用的炸药叫做三硝基甲苯，简称TNT。人们经常用当量（yield）来表示一个武器的威力，意思就是它放出的能量相当于多少质量的TNT爆炸。如果用能量单位焦耳来表示，那么1吨TNT爆炸释放的能量约等于41.84亿焦耳。

氢弹从未在实战中使用过，而原子弹使用过两次，就是二战末期投掷在日本的两颗原子弹。1945年8月6日投在广岛的那颗原子弹，代号叫“小男孩”，当量约为1.5万吨。1945年8月9日投在长崎的那颗原子弹，代号叫“胖子”，当量约为2.1万吨。

广岛上空的蘑菇云

1964年10月16日中国爆炸的第一颗原子弹，当量约为2.2万吨。

人类历史上试验过的威力最大的原子弹，是1952年11月16日美国爆炸的“常春藤之王”（Ivy King），它的当量是50万吨。

那么，氢弹是什么样的当量呢？

1967年6月17日中国爆炸的第一颗氢弹，当量约为330万吨。

中国第一颗氢弹爆炸

人类历史上第一次试验的氢弹，是1952年11月1日美国爆炸的“常春藤麦克”（Ivy Mike），它的当量是1040万吨。

常春藤麦克的蘑菇云

美国曾经装备部队的威力最大的氢弹，是B-41核炸弹，又称为Mark-41，在1961年至1976年期间服役。它的当量是2500万吨。

人类历史上试验过的威力最大的氢弹，当然也就是人类历史上试验过的威力最大的武器，是苏联在1961年10月31日爆炸的RDS-220氢弹，经常被称为“沙皇炸弹”。它的当量是——5000万吨！

你可以看出来了，原子弹的当量是在万吨至十万吨的级别，而氢弹的当量是在百万吨至千万吨的级别。基本上，氢弹的威力比原子弹高出两个量级！

这绝对不是说原子弹很弱。实际上，跟非核武器，也就是常规武器比一比，你就会理解原子弹的威力了。

近年来，美国宣布开发了一种前所未有强大的常规炸弹，叫做“炸弹之母”（MOAB）。

炸弹之母

后来，俄罗斯又宣布开发了一种更加强大的常规炸弹，叫做“炸弹之父”（FOAB）。

炸弹之父

这两个名字虽然看似搞笑，但不像那个航公对航母的笑话，这两种武器是真实存在的。许多媒体报道了这两种炸弹有多么多么恐怖，爆炸后产生的冲击波对武器装备和建筑物的破坏力相当惊人，还会造成缺氧状态，导致爆炸区域内生物窒息而死，然后说它们可以在一定程度上取代核武器。

那么，这两种炸弹的当量是多少呢？

回答是：炸弹之母11吨，炸弹之父44吨。

这是什么概念？即使是跟2万吨级的早期原子弹相比，这俩所谓“之父”、“之母”的当量也只有人家的百分之一到千分之一的量级。结果媒体说，你们要取代人家？这不是开玩笑吗？

现在你可以明白，为什么把武器分为核武器和常规武器了吧？前者和后者完全不是一个层面的！

所以武器的基本图景是：常规武器的威力远远低于原子弹，而原子弹的威力又远远低于氢弹。

看电影和读历史的时候，我经常想指出一点：打仗首先比的就是能量。如果一方比另一方掌握更高层次的能量，那么他就具有压倒性的优势。好比同样作为超级英雄，有些人只能使用自己的体力拳打脚踢，有些人却能用小型化核聚变反应堆飞天遁地，怪不得前者经常苦哈哈的，而后者就潇洒多了。

蝙蝠侠

钢铁侠

虽然我们经常用到核威慑这个词，但现在你可以明白，核威慑绝大部分来自氢弹。原子弹的威慑只能诈唬诈唬无核国家，对有氢弹的国家来说基本属于逗比行为。正如古典小说中常见的句式：“萤火之光，也敢与日月争辉？”

让我们来做一个小测验：世界上哪些国家有氢弹？

回答是：按照获得氢弹的顺序，分别是美国、苏联、英国、中国、法国。

哎呀，这么巧啊，刚好是联合国安理会五个常任理事国？嗯，这是不是巧合，就看你怎么理解了。你也可以认为，因为这五个国家有氢弹，所以它们成了五常。五常表示：地球的和平，就靠我们来保卫了！

世界上还有些国家，号称是有核国家，但一般认为它们只有原子弹，没有氢弹。这些国家包括：以色列、印度、巴基斯坦、朝鲜，以及曾经的南非。

你觉得这些有核国家对你的威胁有多大呢？

恐怕大不到哪里去。否则为什么南非要带个“曾经”啊？南非曾经建造过六七件核武器，后来在国际原子能机构的监视下拆除了。如果南非有过氢弹，你觉得谁能强迫它拆除？

这里还有一个有趣的故事，是关于朝鲜的。2017年9月3日，朝鲜宣称举行了一次地下氢弹试验，然后欢庆自己掌握了氢弹技术。但是外界对此充满怀疑，因为根据我的科大同事、地球与空间科学学院温联星教授检测到的数据，这次试验的当量大约是10.83万吨加减4.81万吨。

在前面我们举的例子中，氢弹的当量都是百万吨甚至千万吨的级别，结果这里搞个十万吨的就号称是氢弹？十万吨的氢弹也不是没有，五常会造，这是小型化的技术。但是对朝鲜来说，难道第一次试验，就掌握了氢弹小型化的技术？走还没学会呢，就直接会飞了？你是愿意相信这个，还是愿意相信……这次爆炸的根本不是氢弹？

顺便说一句，温联星是著名的地球物理学家，他们实验室发展了最先进的地震高精度定位方法。因此每次朝鲜核试验，他们都会探测一番，然后发表若干篇高档次的学术文章，然后媒体愉快地报道一通。在这个意义上，最喜欢朝鲜核试验的，除了朝鲜人，大概就是温联星教授！

温联星

还有一个有趣的故事，是最近的一条新闻。在尼日利亚的一所学校里，曾经有一公斤浓度高达90%的高浓缩铀，用于微型核反应堆的研究。恐怖组织“博科圣地”兴起后，国际社会十分担忧恐怖组织会得到高浓缩铀，把它做成武器。因此，中、美、俄、英等国联手，在24小时内进行了一场堪比电影大片的特别行动，把这一公斤高浓缩铀用俄罗斯的飞机转移到了中国石家庄（https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml）。

中核集团网站报道，配图为尼日利亚高浓缩铀运抵中国

这个故事说明，核大国之间即使在许多事情上吵吵嚷嚷，但在防止核扩散上还是有强烈的共同利益的。到了维护世界和平的关键时候，五常并不是吃白饭的。

尼日利亚之所以同意把高浓缩铀转移走，一个重要原因是中国能帮他们实现微堆低浓化改造（https://www.guancha.cn/internation/2019_01_21_487690_s.shtml）。也就是说，在不改变堆芯尺寸的情况下，将高浓铀组件换成低浓铀组件。改造后的微堆可以满足原微堆的所有功能，安全性能更好，燃料使用寿命更长。

2016年，中国原子能科学研究院在经过5年攻关后，成功将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%，并实现满功率运行，使中国成为全世界唯一完全掌握微型中子源反应堆技术的国家。

2018年8月，中国在国际原子能机构框架下，与尼日利亚政府签署了有关微堆低浓化改造工作的协议。10月20日，中核集团顺利出口低浓铀新燃料。11月27日，使用新燃料的尼日利亚微堆达到满功率运行。

所以你看，要维护世界和平，最重要的是什么？是你的科技实力！

好，在了解了这些基本背景之后，科学问题就出来了：常规武器与原子弹之间、原子弹与氢弹之间，为什么存在如此巨大的差距？

一言以蔽之：能量的来源不同。常规武器用的是化学能，原子弹用的是裂变能，氢弹用的是聚变能。

化学能来自化学反应，本质是在原子核不变的情况下，原子核外的电子重新排布。

甲烷燃烧反应

裂变能来自核裂变，就是一个原子核分裂成多个原子核。

铀-235裂变

聚变能来自核聚变，就是多个原子核聚合成一个原子核。

氘氚核聚变

原子核是由质子和中子组成的，两者统称核子。核子之间的结合能，远远高于电子与原子核的结合能。也就是说，把一个原子核拆成相距遥远的若干个核子所需的能量，远远高于把一个原子拆成相距遥远的原子核与电子所需的能量。

你如果要问更本质的原因，就是：把电子跟原子核结合在一起的力叫做电磁力，把核子结合在一起的力叫做强相互作用。电磁力是大家在日常生活中非常熟悉的，就是电力和磁力，你用的所有电器都是基于电磁力的。而强相互作用是在日常生活中见不到的，只会出现在两个核子相距非常近的时候，比如原子核内部，而如果两个核子距离稍微远一点，就衰减到几乎为零了。《三体》中设想了一种所谓强相互作用材料，就是著名的“水滴”，这在目前还只是个幻想。

《三体》水滴

顾名思义，强相互作用比电磁力强得多。这是符合直觉的，越是内核的东西，结合得当然越紧密。所以，核反应涉及的能量标度在本质上就比化学反应高得多。

这样，我们能够理解为什么核能远远高于化学能。但在核能内部，为什么聚变能又远远高于裂变能呢？

实际上，单个裂变反应释放的能量往往大于单个聚变反应释放的能量。但是别忘了，两种反应的起点不同。聚变的反应物是轻原子核，例如氢和氦。而裂变的反应物是重原子核，例如铀和镭。这些重原子核的质量是轻原子核的上百倍，因此当你计算单位质量反应物放出的能量，也就是能量密度的时候，聚变就比裂变强大得多了。

既然如此，人们为什么没有直接开发氢弹，而是先开发出了原子弹呢？

原因在于，聚变比裂变难发生得多。

裂变是从原子核里跑出一些东西，比如一个中子。根据量子力学，这个东西在任何时刻都有一定的几率跑出来，这个几率只取决于原子核的势垒。这就意味着，裂变跟温度、压强、化学反应等外部因素无关。如果一种原子核能裂变，比如说铀，那么无论它在什么温度下，什么压强下，无论以铀单质还是化合物的形式存在，都会以相同的速度裂变。

聚变是把两个原子核聚在一起，而原子核中的质子是带正电的。这就意味着，两个原子核之间存在静电斥力。如果两个原子核靠得非常近，它们之间的强相互作用就会超过静电斥力，发生聚变。但如果没有很高的初始能量，它们就不可能克服静电斥力，靠到这么近。因此，核聚变需要外界条件的帮助，需要非常高的温度和压强。

高到什么程度呢？比如说太阳的能量就来自核聚变，太阳中心的温度是1500万度，压强是2000亿个大气压。

太阳

地球上实现不了这么高的压强，要发生核聚变，就只好把温度升到更高，比如说上亿度。

有什么办法能达到这么苛刻的条件呢？有了原子弹之后，显而易见的答案就是：用原子弹。所以氢弹都是用原子弹引爆的，先用裂变达到聚变条件，再通过聚变放出更大的能量。因此，氢弹又被称为聚变武器，或者热核武器。

了解了这些基本原理，就可以解答很多问题，例如我为什么经常呼吁发展可控核聚变。原因很简单，这是人类已知科学原理的最强大的能源。飞出太阳系，移民宇宙，一定要靠可控核聚变。

又如近年来，人们在全氮阴离子盐、金属氢等高能材料的研究方向取得了许多进展，中国的研究组就发了好几篇《Science》。媒体也经常说，这些高能材料有望制成超高能量密度的炸药。于是经常有读者来问我：这些炸药能不能代替核武器？

答案很明显：不能。能量密度再高的化学能材料还是化学能，跟核能不可同日而语。这种问题真是应了一句名言：年轻人，你对力量一无所知！

你们对力量一无所知

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背景简介：本文作者为袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：吴啟然