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RDS-37原子彈
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RDS-37（俄語：РДС-37）是蘇聯的第一枚兩級氫彈，首次測試在1955年11月22日進行。其理論當量為300萬噸TNT，實驗當量為160萬噸TNT。[1]
項目背景
总结
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RDS-37項目是對美國的核武器優勢的回應。據稱，在此回應之前，蘇聯曾動用大量間諜從美國獲取原子彈的設計想法與實驗方法，此類方法也被用在氫彈研發項目之上，但是這類手段對於氫彈的研發相對有限，其中關鍵人物為克勞斯·福克斯。
1945年，蘇聯正式啟動「超級炸彈」的設計工作。同年，恩里科·費米在洛斯阿拉莫斯實驗室舉辦核聚變過程的專題系列講座與討論會，結束後，費米直言：
「迄今為止，所有關於激發超級炸彈的方案都相當模糊。」[2]
在1946年春，愛德華·泰勒專門舉辦了專項會議，克勞斯·福克斯也出席了會議，會議系統的評估與討論了關於氫彈研發的所有已知技術信息。同年，泰勒提出了命名為「鬧鐘」的新設計方案，其主張使用氘化鋰-6替代純氘作為熱核燃料（聚變燃料）。[3]
克勞斯·福克斯向蘇聯傳遞了大量關於原子彈與氫彈的技術資料，還涉及到了整個工業體系，並且包含了兩級引爆模塊的技術細節，這些資料直接促使了蘇聯招募了對蘇聯氫彈研發起到關鍵作用的伊戈爾·塔姆團隊。[3]
福克斯提供的材料被迅速轉交至由斯大林任命負責蘇聯核武器計劃的拉夫連季·貝利亞，貝利亞立即轉交文件至伊戈爾·庫爾恰托夫、鮑里斯·萬尼科夫、尤里·哈里頓進行技術評估。[3]1948年5月5日，萬尼科夫與庫爾恰托夫進行聯署回覆：
「關於第713a號材料，關於氚在爆炸從鈾-235向氘傳遞過程中的作用、鈾引信功率需精細選擇的必要性，以及粒子與光子在爆炸傳遞至氘的過程中的作用等核心觀點均具創新性，此材料價值在於能協助澤爾多維奇同志根據第一管理總局批准的行動計劃開展超炸彈研發工作。應加大該領域研究力度，並啟動工程設計工作。」[3]
萬尼科夫開始着手於深入研究氘及其核物理效應，哈里頓同日向蘇聯當局提交了聯署回復文件，並力主蘇聯當局組件專項設計團隊。
這時，只有很少一部分的人知曉蘇聯當局正在進行氫彈的設計。美國科學家自己也沒理解透他們自己對於的氫彈設計。1948年8月，安德烈·德米特里耶維奇·薩哈羅夫提出氫彈的核心為鈾材料與熱核材料交替分層結構的「夾層蛋糕（千層餅，sloyka）」法，至1949年初，設計經過調整升級，決定採用氘化鋰-6作為熱核燃料。[3]
1950年初，克勞斯·福克斯在英國被捕，無法繼續向蘇聯提供情報。蘇聯科學家提出增加氘密度的技術設想，薩哈羅夫團隊發現可以在「夾層蛋糕」構型中使用內置小型核彈進行引爆。該設想首次在RDS-6s項目中試驗成功，並為RDS-37奠定了基礎。1952年，蘇聯開始研發兩級氫彈，1954年方案最終實現。[4]
1952年11月1日，美國測試了首個構型為泰勒-烏拉姆構型的氫彈，代號為常春藤麥克。[5]它不是實用武器，重量達82噸。在1953年8月12日，蘇聯在代號Joe 4的任務里測試了「夾層蛋糕」設計的氫彈。[3]截至上述日期，尚未有國家製造出真正意義上的氫彈，所有熱核反應實驗的當量都僅為千噸級TNT當量。
1954年春，美國進行代號為「城堡行動」的系列核試驗，攻擊引爆了6枚核裝置，並且每次的實驗當量都達到百萬噸TNT級。[5]該系列首次行動代號為「喝彩城堡」，是美國歷史上最大規模的核爆炸。
在美國實驗的同時，蘇聯科學家認識到利用核彈觸發器的輻射釋放來激發氫彈的核聚變反應是可行的，結構上跟常春藤麥克實驗所用的泰勒-烏拉姆構型是一樣的。他們隨即停用了「夾層蛋糕」設計以及槍式設計，全力投入了兩級氫彈的研發。1954年發布的《第一理論科工作報告》明確記載：
「正在與第二科成員協作，從理論上研究原子壓縮機制。原子壓縮相關核心問題尚處於開發階段。利用原子彈釋放的輻射壓縮主體部件（熱核燃料）——計算表明輻射釋放極強，可以將輻射能轉化為機械能以壓縮主體部件。上述原理正在由第一科與第二科合力完成。」
1955年11月22日，蘇聯測試他們真正的兩級氫彈RDS-37，其當量達到了百萬噸級TNT。[6]此次實驗實際應用了兩級輻射內爆技術，這也是世界上首次空投氫彈實驗。
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RDS-37的研發
1954年3月的喝彩城堡實驗後，蘇聯科學家開始着手於研究大當量的氫彈理論與生產製造的路線，通過對過往大量的熱核實驗經驗的深入研究，最終設計完成了新型兩級氫彈。[7]
RDS-37的裝藥基於高能量密度物理學設計，據伊利亞耶夫描述，輻射內爆機制遵循三大基本概念：[8]
而後，在20世紀50年代初，對於更高壓縮度的核材料，在學術界已經開始進行討論。[8]
雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇與安德烈·薩哈羅夫立即投身於高壓縮度的研究。
「1954年1月，澤爾多維奇與薩哈羅夫驗證了一種兩級裝藥原理的裝置機構布局」[8]
自研發的初始階段起，兩級核裝藥的成功可能性便遭受到了眾多質疑。
第一類主要質疑點為其內爆機制，初級裝置的起爆需要通過以下方式進行：
「核材料的壓縮，或經由化學炸藥的球對稱爆炸引發材料裂變與聚變，其內爆球對稱性由炸藥初始球對稱起爆所決定。」
「由初級源（或多個源）與可壓縮次級模塊組成的異質結構，似乎無法維持球對稱的核子內爆。[8]」
薩哈羅夫與羅曼諾夫於8月6日提交的《原子壓縮》報告中指出：
「原子壓縮機制正與第二科成員協作進行理論研究。原子壓縮相關核心問題尚處於研發階段。」
兩級核裝藥的技術瓶頸衍生出兩大核心問題：
- 「初級模塊的爆炸能量的載體究竟是什麼？」
- 「該能量如何傳導至次級模塊？」[8]
第二類質疑聚焦次級模塊受衝擊機制： 次級裝置在裂變觸發器核內爆作用下的響應問題。初期科學家認為，兩級裝藥中裂變觸發器的核爆能量，將通過衝擊波在次級模塊的異質結構中的傳播，由起爆裝置產物的流動實現能量傳導。[8]對此質疑，澤爾多維奇與薩哈羅夫提出解決方案，決定選擇RDS-6s裝藥的內部結構，作為次級模塊的基礎物理要素——球對稱構型。[8]
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設計原理
蘇聯在無間諜情報的協助下，與美國幾乎同步的實現了相近的技術突破。
「活性材料（核裝藥）摒棄長崎原子彈的實心球體構型，改為殼層結構，中心設置懸浮球體。部分昂貴的鈈材料被鈾-235替代。懸浮設計提升能量輸出率，並實現爆炸裝置小型化與輕量化。蘇聯實驗室在無間諜協助下達成同類技術成就。」[9]
美國在設計氫彈初期，主要聚焦於泰勒提出的「鬧鐘」構型，但在經過斯坦尼斯拉夫·烏拉姆評估後，認定該構型會造成無法控制的成本與幾乎無法實施的難度。蘇聯在同期主要研究「夾層蛋糕」構型。直到1951年，烏拉姆提出利用初級裂變彈的流體動力學衝擊波壓縮熱核次級模塊的理論模型，並且泰勒也贊成了這種方法，並且最終改進該方案，變成利用初級輻射能產生的輻射壓替代流體衝擊。[9]
泰勒最終敲定方案後，又面臨着熱核燃料選擇的問題，在當時主要候選的熱核燃料有三項，分別為：氘化鋰、氘化氨、液態氘。「（三種材料）各具優劣：氘化鋰因室溫固態最易工程化，但需通過複雜熱核反應鏈從鋰同位素中增殖氚（僅特定同位素可行）；氘化氨可通過適度冷卻或低壓維持液態，然其物理性質處於不明確的狀態；[9]液態氘則因儲運技術未成熟而受限」美國最終選用了液態氘作為常春藤麥克核彈的熱核燃料。.[9]
美國常春藤麥克氫彈的試爆促使蘇聯加緊追趕步伐。蘇聯同期已經試爆了RDS-6氫彈，但是其由高爆炸藥引爆的，而常春藤麥克為輻射內爆法，蘇聯因此放棄了「夾層蛋糕」構型，轉而全力公關兩級氫彈的技術方案。.[10]
氫彈的主要由兩大裝置組成：
- 初級裝置：核彈
- 次級裝置：聚變能量艙
初級裝置與「夾層蛋糕」構型相似，但是核心差異為：「起爆由核裝置執行，而非傳統化學炸藥。」[10]這個設計最初由恩里科·費米與愛德華·泰勒於1941年提出。泰勒堅持主張：「需通過裂變武器點燃氘燃料。」氫彈研發麵臨巨大挑戰，其威力與破壞性遠超原子彈，但氘燃料可無限量填充，使武器當量具備理論無限擴展性。[5]
設計路線
安德烈·薩哈羅夫作為RDS-37項目的首席，首次量化了熱核燃料的理論能量增益。薩哈羅夫獨立開發出完全不同於泰勒-烏拉姆構型的壓縮方法，其原子壓縮設計採用多層緊密堆疊的氘-氘或氘-氚燃料層，通過內向起爆實現原子級壓縮。
在他的理論模型中，原子起爆器置於球形容器中心，外圍依次包裹熱核燃料層與鈾層。整個系統由外部環繞炸藥壓縮，觸發內爆並最終點燃中心起爆器。該設計的高效性使薩哈羅夫在第11設計局（KB-11）贏得威望，因其構型形似俄式多層奶油蛋糕。同事稱其為夾層蛋糕（Sloika）。[11]
該構型的核心瓶頸在於，氘-氘與氘-氚反應的截面數據未知，僅存理論推測。1953年，第11設計局基於理論計算向蘇聯當局提交RDS-6方案。薩哈羅夫1949年1月論文指出：「氘-氚與氘-氚反應截面缺乏實驗驗證，現有評估皆屬推測。」[2]
1949年3月，哈里頓請求貝利亞批准塔姆與科姆帕涅茨查閱含氘-氚截面的情報數據，但遭拒（限制情報接觸）。4月27日，氘-氚截面測量數據被秘密移交給塔姆與科姆帕涅茨。諷刺的是，同類數據已發表於1949年4月15日《物理評論》。藉此，薩哈羅夫團隊成功在RDS-6試驗實現原子壓縮。[12][3]
1954年12月24日，蘇聯當局批准原子壓縮方案（代號RDS-37）。並於1955年初啟動試驗場籌備。研發中暴露新問題：如何維持球體內爆的電荷分布對稱性。由此開發標準系統——將初級與次級模塊置於同一艙室，最大化X射線定向散射。初級原子起爆的巨量能量以X射線形式傳導，精準激發熱核燃料。[13]
1955年2月3日完成氫彈裝配，並邊優化邊運抵塞米巴拉金斯克試驗場。此間第11設計局受泰勒-烏拉姆構型氫彈試驗公開後影響，決定使用鋰-氘燃料替代原定的氘-氚燃料。[3][7]
在首席設計師尤里·鮑里索維奇·哈里頓領導下，第11設計局投入了海量的設計研究、實驗驗證與技術攻關，RDS-37最終被裝配為空投型氫彈。[7]
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測試階段
在初始測試中，出於安全考慮，將氘化鋰聚變單元部分燃料替換為了惰性材料，縮減了炸彈的當量。RDS-37於1955年11月22日完成首爆，實測當量160萬噸TNT，低於原定300萬噸TNT當量，成功驗證了兩級輻射內爆機制。[7]
RDS-37在哈薩克斯坦塞米巴拉金斯克試驗場實施空投試爆，成為全球首款空投型兩級熱核裝置，亦是該試驗場有史以來最大當量核爆。RDS-37由圖-16轟炸機投擲，1950年代末至1960年代作為主力核武服役。後因蘇聯認為其290萬噸TNT當量在部分任務中威力過剩，轉而啟用當量更低的RP-30與RP-32戰術核彈（20萬噸TNT當量）[14]，美國於1956年5月20日通過紅翼行動中的「切羅基（Cherokee）」核試驗達成同等空投能力。[1]為避免局部放射性沉降，裝置刻意定於空中引爆，起爆高度精確設定為1,550米（5,090英尺）。[15][16]
儘管蘇聯降低了實驗當量，由於氫彈在逆溫層下引爆，所造成的衝擊波意外的聚焦於地面：
- 戰壕坍塌致1名士兵死亡；
- 65 km（40 mi）外庫爾恰托夫市建築倒塌致1名女童身亡；
- 42人遭因衝擊波導致窗戶破裂產生的玻璃碎片劃傷。[17]
薩哈羅夫在回憶錄中記述： 於距爆心32公里（20英里）觀測站見證試爆。倒計時歸零瞬間，熾熱感如頭置烤爐中數秒。爆後90秒後，肉眼可見的塵埃衝擊波席捲而至，全體觀測者被迫俯臥並足部朝向爆心以避飛濺物。衝擊波過後，眾人歡呼——蘇聯成為首個成功空投兩級熱核武器國家。[1]
參見
參考文獻
外部連結
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