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苏联的氢弹是独立研制的吗？

军事科普2010-04-17 07:07:01阅读7420评论5  字号：大中小 订阅

首先，要定义一下本文中的“氢弹”和“独立研制”。氢弹是对热核武器的通俗称谓，指的是点燃轻核聚变并自持燃烧释能的核武器。独立研制，指的是依靠自身的力量突破武器的物理原理并制造、试验核装置成功。因此，助爆裂变武器不是氢弹；从公开文献中学习和分析其他国家大气核试验降尘都与独立研制并不矛盾，而外国的主动援助与依靠间谍手段获得核技术（包括走私核材料和设备）则不是独立研制。

在很长一段时间里，外界对于苏联氢弹的研制过程知之甚少，不过苏联官方一直宣称苏联的氢弹完全是独立研制的。直到1990年8月，在苏联《自然》（Природа）杂志上才出现了两篇介绍当年氢弹研制历史的文章。同年，被称为“苏联氢弹之父”的Sakharov也出版了他的回忆录。但这些文章和书对氢弹突破的过程都叙述得非常简略。苏联解体后，当年的档案部分解密，越来越多的回忆和研究文章公开出版。
1996年5月，在Dubna召开了一次回顾苏联核武器研制历史的会议。同年，俄罗斯核科学家Goncharov, G.A.发表了他在会议上提交的论文，比较详细的叙述了苏联氢弹的研制历史：American and Soviet H-bomb developmentprogrammes: historical background, Physics Uspekhi, 39, 10, pp.1033-1044 (1996); Thermonuclear Milestones, Physic Today, 49, 11,  pp.44-61 (1996).Goncharov曾在Sakharov的领导下工作，是当年苏联第一颗分级热核氢弹装置RDS-37的理论设计者之一，作为直接当事人他亲历了苏联氢弹突破的全过程。在文章撰写过程中，他又查阅和分析了大量历史文献和解密档案，因此他的叙述应该算是权威的。
此外，当年的苏联氢弹项目总负责人Khariton Y. B.和他的两位下属Adamskii V. B., Smirnov Y. N.也发表了一篇回忆文章：The way itwas, The Bulletin of the Atomic Scientists, Nov 1996, pp 53-59.这篇文章主要是根据记忆所写的，在一些细节问题上与Goncharov的文章略有出入。
2005年，Goncharov又发表了一篇文章，披露了更多的资料：The extraordinarily beautiful physical principle of thermonuclearcharge design (on the occasion of the 50th anniversary of the test ofRDS-37 — the first Soviet two-stage thermonuclear charge), PhysicsUspekhi, 48, 11, pp. 1187-1196 (2005).
这些文章承认，在苏联研制氢弹的早期阶段，曾得到过英国科学家Klaus Fuchs的一些资料的帮助，但氢弹设计的窍门是苏联科学家自己研究出来的。


Klaus Fuchs

Fuchs曾参与曼哈顿工程，他出于对共产主义的信仰和打破西方核垄断的想法，在40年代中后期向苏联当局提供了大量美国核武器研制的机密资料，包括"FatMan"原子的详细设计图和关键数据。苏联的第一颗原子弹Joe-1的核心部分实际上就是FatMan的复制品。尽管Fuchs于1950年1月在英国被捕后承认了自己曾向苏联提供过核情报，但苏联政府当时否认与Fuchs有任何联系。Fuchs也许不能被称作真正意义上的间谍，由于时代背景（30年代大萧条造成的共产主义思潮），他和一些西方科学家是为了信仰而不是金钱向苏联提供核情报的。
然而2007年10月，俄国总统普京出人意料的公开了曼哈顿工程中一个真正的苏联间谍GeorgeKoval的身份，并追授他“俄罗斯英雄”勋章。Koval1913年出生于美国，是一个俄国犹太人移民的后代。他在1932年经济大萧条时期随父母回到苏联，从苏联门捷列夫化学学院毕业前被克格勃招募，之后被派回美国。1944年，他进入美国核材料生产基地——橡树岭工厂工作，在此期间向苏联提供了美国核材料生产的各种情报。二战结束后，美国反间谍部门开始怀疑他的真实身份。警觉的Koval随即逃离美国，回到苏联他的母校门捷列夫化工学院学习，并获得博士学位。毕业后，他在学校执教，直到2006年1月去世。


George Koval

实际上，Koval只是已曝光苏联核间谍中唯一一个由俄罗斯政府自己公开的。除了原子弹，有些美国人还一直怀疑苏联的核间谍对其氢弹的研制也起到了关键作用。2009年1月，美国核科学家Thomas C. Reed和Danny B. Stillman合著的NuclearExpress一书出版，书中不点名的怀疑曾在Los Alamos工作过的一名美国科学家曾向苏联提供了氢弹的核心机密。美国历史学家RobertS. Norris随后根据书中的描述，指认出这名被怀疑的科学家是曾在50年代担任LANL的副主任的Darol KennethFroman。Froman于1962年从LANL退休，已于1997年去世。尽管没有任何直接的证据能证明Froman是一名间谍，也没有什么确凿的证据能证明他向苏联提供可氢弹的核心机密，但“苏联窃取了美国的氢弹机密”还是成为了一条热门新闻。对于某些美国人来说，他们更愿意相信苏联人的氢弹是“偷”来的说法，而俄国人则坚决予以否认。



那么事实真相到底是怎样的呢？本文试图根据已经公开的资料做一个初步的考察和分析。

苏联氢弹的最早工作始于Fuchs于1945年向苏联提供的情报，提到了美国正在研制“超级炸弹”（热核武器），情报中还包含了一张设想图。苏联领导人意识到未来将面对比原子弹威力更大的武器，立即启动了这方面的研究。


Fuchs 1945年情报中的“超级炸弹”设想图

Zeldovich等人于1945年底向贝利亚提交了题为《关于从轻元素中提取核能》的研究报告。1946年6月，在苏联科学院化学物理研究所正式成立了研究热核武器原理的理论小组，由Zeldovich任组长。1947年9月底，Fuchs再次向苏联提供情报：Fermi和Teller于1946年初就已经确认了“超级炸弹”的可行性，并提到了需要使用氚。实际上，Edward Teller和EnricoFermi最早于1941年就讨论了制造热核武器的可能性。1946年4月，Teller在LosAlamos实验室主持召开了一次会议，回顾了二战期间关于热核武器的理论研究成果，形成了“超级炸弹”的经典构形，Fuchs参加了这次会议。
1948年3月，Fuchs再次向苏联提供了“超级炸弹”的详细情报。情报中给出了“超级炸弹”经典构型的结构图：热核装药是液体D-T混合物，构型为一个管子，而且没有分级结构。这一情报最有价值的部分是提到了热核装料需要高压缩比，但没有说该如何实现这种压缩，因为此时美国人也还在研究中。Fuchs提到的可能途径包括用常规炸药压缩（如同原子弹起爆那样）和利用辐射内爆。辐射内爆是指利用原子弹爆炸产生的X射线辐射传能来压缩材料，这个概念是Fuchs和vonNeumann于1946年最早想出来的。因此，早在1948年苏联人就已经通过Fuchs知道了辐射内爆这一可能的途径，但是他们一直没有能够从物理上理解这一原理的重要性──实际上美国人也是到1951年才认识到的。此外Fuchs的情报还提供了一些热核反应的截面数据。


Fuchs 1948年情报中的“超级炸弹”经典构型结构图

1948年4月，Fuchs的情报被送给斯大林，他要求立即采取措施研制类似的武器。同年6月10日， 苏联部长会议做出决议，正式决定开始研制氢弹，Y. B.Khariton为总负责人，在第11设计局（核武器设计局）和苏联科学院物理研究所设立两个理论研究小组，分别由Ya. B.Zeldovich和I. E. Tamm任组长。A. D. Sakharov是Tamm研究小组的成员。氢弹装置代号РДС–6，РДС的意思是俄罗斯自己制造（Россия делает сама）。


Y. B. Khariton



Fuchs1948年的情报受到严格保密，只有极少的人能看到全部的情报资料，Zeldovich就是其中之一。此后，Zeldovich的小组按照“超级炸弹”的经典构型来探索，他们试图通过爆轰（而不是辐射内爆）的方法点燃一个装液氘的管子（“管子”方案）。与Zeldovich小组并行研究的Tamm小组中的Sakharov则另辟蹊径，于1949年1月提出了“夹层饼”氢弹构型。这个构型又被称作单级氢弹，实际上就是在原子弹外包裹了热核材料，利用原子弹爆炸产生的冲击波压缩热核材料，并利用爆炸产生的能量来点燃热核材料。原子弹爆炸后的主要能量是由X射线的方式释放，但由于热核材料的原子序数低，对X射线的不透明度很小，因此能量利用效率很低。为此，Sakharov提出在热核材料外中加入铀238，以吸收X射线再释放，并兼做推层，提高能量利用效率。热核反应释放出的高能中子还能使铀238产生裂变，进一步提高了核武器的威力。为了降低热核武器的点火温度，同时减少昂贵的氚材料使用量，1949年3月，V. L.Ginzburg提出使用便宜的氘化锂作为热核材料主装药。原子弹爆炸产生的裂变中子与锂核反应可以产氚，随后氘氚发生聚变释能。同年8月，苏联第一颗原子弹爆炸成功后，开始全力以赴研制氢弹，Zeldovich的“管子”（РДС-6т）和Sakharov的“夹层饼”（РДС-6с）两套方案平行并进。1950年2月，决定开始研制氢弹试验装置，其中РДС-6с被选为优先项目，要求爆炸当量达到1 Mt，重量小于5吨。


A. D. Sakharov和V. L. Ginzburg

几乎与此同时，1950年3月，美国总统杜鲁门下令全速研制“超级炸弹”，但到当年底美国科学家就已经发现经典构形是不可行的。经典构形的问题是：由于对X射线几乎透明，氘-氘反应的点火温度太高，氘-氚反应点火温度稍低，但大量使用氚太过昂贵；热核材料局部点火之后能量的耗散速度和流体动力学飞散速度要比聚变的释能速度快得多，因此热核反应的条件无法传递给周围的热核材料，无法实现自持燃烧。而苏联人当时并不知道这一点，Zeldovich小组仍在经典构型上继续探索。


E. Teller and S. Ulam, illustrated by G. Gamov

1951年3月，美国人取得了重大突破。E. Teller和S. Ulam在内部发表了论文《On Heterocatalytic DetonationsI》，提出了分级氢弹的新方案，后来被称作"Teller-Ulam构型"，其要点是：1，氢弹由分开的两个部分构成（初级与次级）；2，热核材料要先冷压缩，再热点火；3，初级（原子弹）爆炸产生的能量通过X射线辐射传导至次级向内压缩（即“辐射内爆”）。



T-U构型之所以要设计成分级结构，是因为需要在初级的冲击波到达次级将其打散之前让X射线到达次级，完成辐射内爆快速和高度的压缩热核材料，并将热核材料点燃。由于冲击波从初级到次级只有毫秒量级，如果不能在这么短的时间内点燃次级，氢弹就失败了。同时初级的引爆炸药也不能破坏氢弹的整体结构，否则也将失败。而采用辐射内爆的好处是可以充分利用初级释放的能量，并实现对次级实现更高的压缩比，为热核材料的点火和自持燃烧创造充分的条件。

1951年5月9日，代号为George的核试验首次实现了热核反应，成功的验证了辐射内爆原理的可行性。Teller通过对George核试验数据的外推，证明制造大当量氢弹是可行的。1952年11月1日，首个采用Teller-Ulam构型制造的分级氢弹装置Mike爆炸成功，热核装药为液氘，整个试验装置重达65吨，爆炸当量为10.4 Mt。


Mike装置


Mike核爆炸

但当时美国没有公开此次试验的当量数据，苏联也没有对美国在太平洋核试验的落尘进行放化分析，因此并不知道这次核试验的真实威力和装药、结构。苏联人以为美国人的氢弹也是用“夹层饼”结构实现的。苏联人紧赶慢赶，终于在1953年6月完成了РДС-6с试验装置的研制，并于8月12日成功进行了试验，当量为400kt。苏联随后宣布他们爆炸了第一颗氢弹，而且与Mike不同，这是一枚干式氢弹，走在了美国人的前面。Sakharov也因РДС-6с的爆炸成功而被称作苏联的氢弹之父。


РДС-6с爆炸

美国人的反应首先是震惊，因为他们不敢相信苏联人用这么快的速度就赶上了美国。但随后美国人通过对苏联核试验的落尘放化分析发现，这确实是一个热核装置。虽然苏联的氢弹威力远小于美国的氢弹，但实战性能更强，因此美国决定加快氢弹的武器化，美国空军要求“要在最早而又切实的时间内取得投掷热核武器的能力”。而苏联方面则决定尽快提高热核武器的威力。到1953年底，苏联人决定放弃“管子”构型，集中精力研究改进型“夹层饼”。然而，由于单级氢弹固有缺陷，当量最多只能提高到1Mt，仍然远远低于美国的氢弹。1954年3月1日，美国进行了代号为Bravo的核试验，使用氘化锂做热核装药，当量达到15Mt。这次系列试验后，迅速实现武器化的MK-14、MK-15、MK-17、MK-24核航弹交付给美国空军、海军部署。


Bravo核试验

苏联人在大威力武器化的氢弹研制上再次落后于美国，而且他们也意识到单纯通过改进“夹层饼”的思路是无法达到美国人的水准的。尽管1952-1953年V.A. Davidenko就提出了利用原子弹能量压缩热核材料内爆的设想（他很可能不知道Fuchs1948年提供的情报），尽管最迟在1954年1月，Zeldovich和Sakharov等人也已提出了两级氢弹构型的设想，但苏联人一直没有意识到辐射内爆这一他们早在1948年就知道的原理的重要性。



Zeldovich和Sakharov 1954年1月的报告，提出了分级氢弹的设想


Zeldovich和Sakharov（1950s）

1954年的3、4月间（美国Bravo试验之后），苏联人终于发现辐射内爆（Sakharov称之为“ThirdIdea”）才是氢弹的真正关键。但非常蹊跷的是，到现在人们也不知道是谁通过什么方式获得这一重大发现的，甚至连当事人也说不清楚（或者不愿意说出）这一点。
Sakharov的回忆录中说得既模糊又暧昧。为忠实于原文，我不加翻译：
Several of us in the theoretical department came up with the Third Idea at about the same time. I was oneof them, and it seems to me that my early understanding of the ThirdIdea's physical and mathematical aspects, together with the authorityI'd acquired, enabled me to play a decisive role in its adoption andimplementation. True, Zel’dovich, Yuri Trunev, and others undoubtedlymade significant contributions, and they may have grasped both thepromise and the problems of the Third Idea as well as I did. At thetime, in any case, we were all too busy (at least, I was) to worry aboutwho received credit.  Any assigning of honors at that time, moreover,would have been ‘skinning the bear before it was killed.’ Now it’s toolate to recall who said what during our discussions. And does it reallymatter that much?
Feoktistov（Zeldovich小组成员）回忆说这一发现来得非常突然，却没有人宣称是发现者：
Newideas dawned upon us suddenly  like light in a dark kingdom, and it wasclear that the instant of truth had come. Rumors ascribed thesefundamental thoughts in Teller’s spirit now to Zel’dovich, now toSakharov, now to both, or to someone else, but always in some indecisiveform: likely, possibly, and so on.  By that time, I had come to knowZel’dovich quite closely, but never heard a direct confirmation from himon that score (as, indeed, directly from Sakharov). ... It is likewise afact that there are no documents or reports associated with the newideas, which could tell us who was the first or the originator.
他甚至暗示这一发现有可能来自核间谍的情报：
AsI look back on those days and the role of the ‘American factor’ in ourown research, I can say with certainty that we used no methods or anyaccurate figures received from the outside. However, I must confess thatmy colleagues and I had changed a great deal since the days of theFuchs affair and the first atom bomb. We understood far more and couldinterpret tip-offs and hints. I cannot escape the feeling that we wereextended a helping had once in a while, although quite inconspicuously.
Goncharov则说：Conceivably, the point was that scientific ethics did not permitZeldovich and Sakharov to discuss priority matters without referring tointelligence.


РДС-37理论方案技术报告封面，列出了主要参与者的姓名

1954年3-4月苏联人“发现”辐射内爆是关键后，到1955年6月完成了两级氢弹试验装置РДС-37的理论方案，同年11月22日爆炸成功，当量1.6Mt，前后共花了19个月时间。作为对比，美国从1951年5月的George试验确认辐射内爆原理的可行性到1952年11月Mike试验成功花了18个月。我们各方面的条件都差得多，而从于敏小组1965年11-12月突破氢弹原理方案到1966年12月首次氢弹原理试验也只花了一年。法国从1967年9月经英国指点确认辐射内爆，到1968年8月第一颗氢弹试验成功花了11个月。相比之下，苏联的速度显得有些慢了，这是有些奇怪的。



РДС-37由Ту-16轰炸机空投，视频：http://www.youtube.com/watch?v=-9TNgo1UlJQ


РДС-37核试验

T-U构型氢弹的物理过程比原子弹复杂的多，由雷管起爆到核爆终结，涉及一系列复杂物理过程，而且必须考虑二维结构。ThirdIdea需要非常复杂的计算才能验证是否可行──首先是物理上可行，然后是工程上可行。而且这种计算量太大，需要计算机。因此，要确认辐射内爆原理是氢弹关键决不是灵机一动那么简单。
也许，苏联人在1954年春天虽然通过某种手段知道了（或者猜出？物理直觉？）辐射内爆是关键，却不知道如何具体实现。Zeldovich和Sakharov等人之所以只是说likely,possibly是因为他们出于科学家的职业习惯，决不会轻易肯定自己没验证过的结论。Reed和Stillman在NuclearExpress中猜测，苏联可能是通过某种间谍手段知道了辐射内爆是关键，但仅此而已，没有具体细节。而这个验证和继续探索ThirdIdea的过程足足花了苏联人一年多时间。随后从完成理论设计到到制造并试验成功核装置只花了半年时间，这倒是符合当时苏联的核工业水平。

1952年5月，H.Bethe在《关于热核武器研究史的备忘录》中把T-U构型称作一个“偶然的”发现，他认为Ulam想出要压缩热核材料、George试验所选用的辐射传能机制、Teller对George试验数据的外推是一系列恰好发生的事件，难以想象苏联氢弹计划也走同样的发展路线。Teller则反对Bethe的说法，他认为T-U构型是对各种已经提出来的想法的进一步研究的必然结果，他还（正确的）怀疑Fuchs可能早已把辐射内爆原理告诉了苏联人，而苏联人完全可能在1951年T-U构型提出之前就已经找到了类似的构型。（Holloway D., Stalin and the bomb, YaleUni. Press, 1994, p311）回顾苏联人突破氢弹的过程，我倒是觉得Teller的说法是有些道理的。如果苏联核武器计划的领导层能够将Fuchs的情报更早更全面的加以公开，让技术人员充分民主的进行讨论（也就是我们在突破两弹过程中的“技术民主”），说不定苏联人确实可以抢在美国人之前突破大当量氢弹，而不是在经典构型上花费如此多的时间和精力。

平心而论，暂且不论苏联人是通过什么办法知道了辐射内爆是关键，要设计、制造并成功爆炸氢弹也决不是一件容易的事情。即使是今天，核技术大大扩散、T-U构型的诸多要点早已公开（尽管不排除里面有故意忽悠人的成分）、超级计算机可以随便买到，像印度这样的后来者仍然未能突破氢弹技术。

苏联的氢弹到底是不是独立研制的？苏联人确实独立的做了很多工作，但也确实通过核间谍手段获得了不少情报，尤其是在一个关键点上无法洗清间谍的嫌疑。在目前俄罗斯政府不公开更多资料的情形下，这恐怕是一个说不清的问题。不过，如果我们更关心历史的结果而不是过程的话，正如Sakharov所说，does it really matter that much?


Sakharov和Teller (1988)