于敏逝世，讓我們重溫歷史揭秘氫彈威力背後的秘密
2019年1月16日，我國國防科技事業改革發展的重要推動者、國家最高科學家得主、中國科學院學部委員、改革先鋒于敏在京去世，享年93歲。至此，中國23位「兩彈一星功勛獎章」獲得者中，僅餘3位在世。
于敏肖像
美蘇相爭，中國後來居上
雖然原子彈已經是威力極為強大的大規模殺傷性武器，但受到核裂變的性質所限，無論如何增大鈾235和鈈239的用量，原子彈的威力最多只能達到廣島、長崎原子彈爆炸當量的10倍左右。而若將聚變反應的能量引入到核武器中，則可以將爆炸威力輕易地提高到廣島核爆的數百倍。
長崎原爆現場照片，熱輻射在長崎一處房屋留下的氣化人影
最初，美國作為原子彈技術的先驅者，對世界各國都形成了壓倒性的核威懾優勢。然而，其後不久，蘇聯就實現了原子彈的成功試爆。為了保持對蘇聯以及世界其它國家的技術優勢，在杜魯門總統的授意下，美國於1952年成功試爆了利用原子彈作為起爆裝置，直接引發液態氘發生熱核反應的氫彈原型。與氫類似，氘在常溫常壓下呈現氣態，為將其轉化為液態需要零下200度以下的低溫，因此該試爆裝置體型極為龐大，整體重量達到65噸，距離實用化尚有一定距離。
1952年11月1日，人類第一次氫彈試爆場面
然而，最先實現氫彈小型化突破的卻是蘇聯人。1953年，蘇聯將氘與鋰化合，製成氘化鋰固體，極大簡化了爆炸裝置的結構，並實現了氫彈的試爆。雖然一直有說法認為蘇聯當時並沒有成功實現真正的熱核反應，但這一技術路線卻被證明是可行的。此後，美國也通過氘化鋰燃料實現了真正具有實用意義的氫彈試爆。1955年到1956年間，美蘇兩國競相展開氫彈小型化、武器化研究，可由轟炸機搭載的氫彈也得以登場，實用化的百萬噸級當量核武器開始登上歷史舞台。
1967年6月17日，中華人民共和國成功試爆了330萬噸級氫彈，並於1976年11月17日再次完成400萬噸級氫彈試爆，成功跨入氫彈俱樂部。中國從1964年10月16日完成第一顆原子彈試爆後，僅用不到三年時間就完成了氫彈的成功研製，這其中固然有後發優勢的因素，但作為中國首枚氫彈研製團隊負責人的天才科學家于敏同樣功不可沒。
中國第一顆氫彈爆炸時形成的蘑菇雲
氫彈研製：難度大，結構複雜
一顆T-U構型的典型氫彈往往呈現鈍頭圓柱體的彈體形態，頭部呈現半球形，一般在該半球體的中心部安置一顆用於引發聚變反應的小型原子彈。柱體部分的核心是包含了聚變反應燃料的圓柱形套筒結構。彈體外殼的作用是起爆時反射放射線，主要由鈾合金。柱體套筒外層由鈾235或鈾238製成，中間層為氘化鋰燃料，中心部分是鈈239內核。彈體外殼和套筒間一般填充一層聚苯乙烯樹脂（見下圖和示意圖A）。
T-U構型氫彈結構
在起爆的最初階段，作為點火扳機的小型原子彈率先被引爆（示意圖B）。該裂變反應帶來的大量強力X射線和伽馬射線以及中子束流將會直接或經由彈殼頭部的球面部分反射，射向存放聚變燃料的套筒結構。在X射線照射下，填充在氘化鋰燃料周圍的聚苯乙烯迅速被等離子體化，由此形成的高溫高壓將對聚變燃料形成瞬間的猛烈壓縮（示意圖C）。
與此同時，作為套筒外殼的鈾238或者鈾235將通過反射放射線，對聚變燃料施加從外向內的壓縮作用。而位於套筒中心的鈈239芯柱會在伽馬射線和中子束流的強烈照射下發生裂變反應，從內向外壓縮夾層中的核聚變燃料。在瞬間內從各方向被壓縮至超高溫、超高密度的氘化鋰聚變燃料很快就會發生聚變反應（示意圖D）。
起爆完成後，聚變反應中產生的大量高速中子迅速抵達鈾套筒外殼，繼而引發該外殼的進一步裂變反應，將爆炸威力推至極限（示意圖E）。以一顆30萬噸級氫彈為例，作為扳機的小型原子彈約貢獻4萬噸當量，氘化鋰燃料提供的熱核反應約貢獻13萬噸當量，而來自套筒鈾外殼的裂變反應又將額外貢獻13萬噸當量。
T-U構型氫彈點火到爆炸的幾個階段
可見，目前的氫彈雖然並非完全依賴熱核反應的「純凈」氫彈，但利用特殊的構造設計，可以實現普通原子彈無法實現的裂變反應量級。核聚變威力越大，鈾外殼裂變就越猛烈，整個爆炸反應的當量也就越高。雖然理論上1噸聚變燃料最多可以產生600萬噸當量的爆炸能量，人類目前尚不清楚氫彈的威力極限在哪裡。
人類已知的最大氫彈——蘇聯研製的「沙皇炸彈」，已經將爆炸當量提高到了5000萬噸級別。相對於其威力而言，「沙皇炸彈」的體積可謂相當苗條了，它長度8米，直徑2米，重量27噸，可以由專門修改後的圖95轟炸機搭載。雖然當時蘇聯試爆沙皇炸彈的目的是為了震懾美國，自然威力越大越好，但考慮到嚴峻的環境風險，蘇聯方面還是將設計當量從1億噸削減了一半。即使如此，這枚核彈在1961年10月30日試爆時，產生的衝擊波依然震撼了整個地球，其爆炸威力達到了廣島、長崎原子彈爆炸時的3800倍和2300倍。
「沙皇炸彈」原尺寸模型和投彈任務Tu-95改轟炸機
「于敏構型」，天才般的智慧
從核武器令人膽寒的威力中，我們不難看出，于敏這樣的「兩彈一星」元勛們對於中國的國防安全和獨立自主做出了多麼重大的貢獻。如果在當時的困難條件下，沒有咬緊牙關抓住歷史機遇發展出我國自己的核武器和核威懾力量，之後集中力量進行經濟建設也可能無從談起。
從我國公開渠道的報道資料中，我們可以得知于敏的主要貢獻在於他提出了與主流的「T-U氫彈構型」存在較大差異的「于敏構型」，而這兩者也是世界上唯一成功實現試爆的兩種氫彈結構。一直以來，都有看法認為實際上這兩種構型就是同一種構成方式，屬於殊途同歸。隨著于敏的逝世，所謂「于敏構型」是否存在的爭論，又開始浮現於網路。
由於氫彈相關技術屬於涉及國家安全的核心機密，普通人自然無法知曉其中奧秘。甚至世界其它國家官方渠道給出的關於氫彈技術的相關資料也存在很大的誤導性和粗糙性。「于敏構型」的真實結構，其實也從未得到我國官方的披露，是否可以將其列為獨立構型，實際上更應該是一個學術議題，而非輿論議題。
總而言之，毫無疑問的是，在當時極為艱苦的條件下，于敏用天才般的智慧，愚痴般的忘我，從數量極少且可信度並不甚高的參考資料中得到啟發，獨立完成結構設計，最終幫助我國成功實現了氫彈試爆，構築起了真正的大國盾牌。如今，大師已經遠去，然而半個世紀前他在戈壁荒漠中為我們築起的銅牆鐵壁，卻仍然在澤蔭著每一個中國人。
作者| 張昊 大阪大學
審稿人| 李財富 中山大學材料學院 副教授
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