原子弹往事：核临界事故(1)

尹瑞涛

原子弹爆炸的场景

为日本准备的第三枚原子弹

众所周知，1945年8月6日和8月9日，美国分别向日本的广岛和长崎投掷了一枚原子弹，爆炸当时造成了至少100000人当场死亡，在接下的一段时间内又相继造成了数万人死亡，这加快了日本军国主义政府投降的进程。在原子弹轰炸长崎以后，不到一周的时间，8月15日，日本向盟军投降，第二次世界大战结束。2002年，驾驶飞机向广岛投掷原子弹的飞行员保罗·提贝兹向英国报纸透露了一个秘密，美军本来还打算向日本扔下第三枚原子弹！他描述到：“第一枚扔下去之后的两三天里，美国没有听到日本的任何动静，第二枚扔下去几天之后他们依然保持沉默。然后我接到了当时空军太平洋战略指挥部的参谋部长柯蒂斯·李梅将军的电话：“你还有那些玩意吗？”我说“有”。他说：“把它带到这里来，叫你的人做好准备，过几天把它投出去！”然后，正当我们准备把那枚原子弹运到提尼安岛的时候，战争结束了。”

世界上前三个钚核的镁合金外壳。左起：“三位一体”核试验营地，赫伯·莱尔与“小玩意儿”原子弹的核心;路易斯·阿尔瓦雷茨在提尼安岛提着“胖子”原子弹的核心;1946年早期，洛斯·阿拉莫斯科学实验室的“恶魔核心”

这第三枚原子弹所用的裂变核心就是“恶魔核心”，它本来计划于当年8月13日被扔到日本，但在长崎爆炸后日本帝国迅速投降，这个核心没有被立即用于军事方面。相反，在战争结束后，在新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯国家实验室工作的物理学家决定用剩下的这枚代号“鲁弗斯”（Rufus）的核弹核心来计算核心达到临界状态需要什么条件。然而，这枚核心却在此后夺去了两位科学家的生命，因此它得到了“恶魔核心”的称谓。

关于钚和钚核心

钚（Pu）是一种放射性元素，是原子能工业的一种重要原料，可作为核燃料和核武器的裂变剂。钚核是内爆式核武器的核心（可用最少物料达到临界质量的形状是球形），通常由两块半球形裂变材料和包围在两半球赤道交界面上的中子反射体组成;内爆过程中，反射体可有效减少从赤道面泄出的中子流量。在美国第一次“三位一体”核试验中，内爆装置基本上就是“恶魔核心”，只是少了中子反射环而已。50年代的设计中，核心材料多为铀235或掺杂少量钚，60年代及以后主要用纯钚。

士兵与钚核心合影

“恶魔核心”是二战期间制造的第三个可裂变核材料的核心，它包含两块钚镓合金半球（其中钚的同素異形体为相）以及一个防中子流泄露的圆环，共重6.2千克，直径8.9厘米。因为具有放射性，“恶魔核心”永远是热乎乎的。1945年的中子反射环为碳化钨砖块，而1946的中子反射球壳由铍制成。弹芯周围的铍有两个作用，一是充当惰层，二是将中子挡回弹芯，增加链式反应。因为如果没有很重的铍层的话，钚弹芯在开始裂变后会迅速膨胀，很快密度会下降到临界以下。在早期的核武器中，只有20%左右的裂变材料发生了裂变，其它都被炸飞了。因为钚易腐蚀，所以后期处理时在其表面镀了镍。“恶魔核心”的总质量仅比无中子反射体时的临界质量小5%左右，然后在实验中通过调节反射程度，而得知需要多少中子被反射才能使核心达到引发链式反应的超临界状态（把本来向外扩散的中子反弹回来，就增加了由中子触发的链式反应的概率），最终直接用于裂变核武器即俗称的原子弹。超临界（supercriticality）不是原子弹爆炸的状态，而是裂变材料能自发维持链式反应的状态，充要条件是有中子指数地产生去引发后续反应。中子有两种增殖方式，一是铀或钚原子核被前一个中子轰击分裂后释放出，二是分裂后较轻核在衰变时释放出。前者生成得非常快，而后者耗时数微秒至数分钟。

“胖子”（Fat Man）的是第二次世界大战时美国在日本长崎投掷的原子弹的名称。它是人类历史上第二次使用的核武器，亦是至今为止最后一次使用的核武器。“胖子”长3.25米，直径1.52米，重4 545千克。释放的能量约相等于2万吨的TNT烈性炸药，即大概为8.4×1013焦耳，比投掷在广岛的首枚原子弹稍多。由于长崎地势多山，造成的损害比平坦的广岛较低。约4万人直接死于“胖子”的原爆，约25000人受伤。约7000平方米之建筑物被夷平。之后数以万人死于核子尘埃放射引起的癌症。

美军在运输“胖子”原子弹

“胖子”结构示意图

哈里·K·达格利安

哈里·K·达格利安（左二）在“三位一体”核试验装配现场

“胖子”是内爆式钚弹。处于低临界的球形钚，被放置在空心的球状炸药内，周围接上了32枚同时起爆的雷管。雷管接通起爆后，产生强大的内推压力，挤压球形钚。当钚的密度增加至超临界状况，引发起核子连锁反应，造成核爆。由于内爆式钚弹是一种崭新的设计，因此美国在使用前，先在1945年7月16日新墨西哥州试爆了另一枚同一模式，称为“小玩意”（Gadget）的原子弹。结果试验非常成功，得到的当量达2万吨，比原先预计高出2～4倍。

丧命于“恶魔核心”的哈里·K·达格利安

哈里·K·达格利安是一名亚美尼亚裔美国人，1921年5月4日，他出生于美国东北部康涅狄格州的沃特伯里，他的父亲是哈里·克里科尔特·达格利安，母亲是玛格丽特·罗斯·达格利安。他是这个家庭中的第一个孩子，他还有一个妹妹叫海伦和一个弟弟爱德华。此后，他们举家搬迁到康涅狄格州新伦敦市（NewLondon）的一个海边小社区，在那里，达格利安上完了小学和初中。在此期间，他的父亲先是一名X射线技术员，后来成为劳伦斯纪念医院的X射线监管员。童年时期的哈里·K·达格利安似乎对一切事物都表现出了浓厚的兴趣，早在哈博小学读书时，他就参加了学校的管弦乐队，在里面演奏小提琴。作为哈博小学最为优秀的学生，他荣获了银杯。他对数学以及科学有着强烈的热爱，毫无疑问，这受到了他父亲以及叔叔的影响，也得到了他们的培养。他的叔叔叫加拉贝德K·达格利安，是一名博士，在新伦敦市郊区的康涅狄格学院担任物理与天文学教授，他也是这个学院的创办人。另外，加拉贝德K·达格利安教授也是一名公共事务的发言人。

1938年，17岁的哈里·K·达格利安从伯克利高中毕业，数学取得了班级第一名，之后他进入了麻省理工学院开始本科数学专业学习。然而，仅仅在麻省理工学院学习了两年以后，他对物理学特别是正在兴起的粒子物理领域表现出了浓厚的兴趣。于是，他转学到了位于印第安纳州希拉法叶市的普渡大学（我国的“两弹元勋”邓稼先也曾在此攻读博士学位）。1942年，他在这里获得了科学学士学位。此后，他继续在此学习研究生课程。在这期间，他担任了一段时间的物理学助教。为了挣取更多的钱，他也曾经在餐厅做过侍者。

1943年对于普渡大学的5名物理学家和他们的家人来说是个非同寻常的年份，这一年春天，“曼哈顿计划”正在紧锣密鼓地实施，后来成为美国“原子弹之父”的罗伯特·奥本海默博士忙于为洛斯·阿拉莫斯科学实验室招聘科学研究人员。1943年春天，普渡大学的马歇尔·格莱克·霍洛韦教授应邀到洛斯·阿拉莫斯科学实验室举办了一次讲座，奥本海默趁着这个机会招聘了马歇尔·格莱克·霍洛韦教授的团队。返回普渡大学后，霍洛韦教授向校方表示，自己的团队在完成氘氚反应截面的研究之后，就将团队转移到洛斯·阿拉莫斯科学实验室。哈里·K·达格利安此时是一名年轻的研究生，也属于霍洛韦教授团队，他的主要工作是帮助完成团队在普渡大学的收尾工作。随后，他比霍洛韦教授团队的其他成员稍晚到达了洛斯·阿拉莫斯科学实验室。同一时期，普渡大学全校的教工和研究生有2/3以上都在从事核物理探究。

1942年6月19日和20日，现代物理难题会议在普渡大学新物理大楼举行，与会人员合影留念，达格利安也在其中

马歇尔·格莱克·霍洛韦教授（1912.11.23～1991.6.18）

达格利安（图中最右边）和他的两位朋友在普渡大学新物理楼前

洛斯·阿拉莫斯科学实验室与欧米伽临界事故

按照霍洛韦教授的安排，四人于1943年秋季到达洛斯·阿拉莫斯科学实验室，这一年用于“曼哈顿计划”的欧米伽实验基地也建立了。哈里·K·达格利安留在普渡大学帮助校方重建普渡加速器，使其能够产生10MeV的氘。另一方面，对哈里·K·达格利安本人来说，他也需要继续在大学里面完成研究生学业，通常来说这需要两年的时间。完成课程以后，他才能全身心地到洛斯·阿拉莫斯科学实验室开展他的博士论文项目研究。他可能于1944年春末到了洛斯·阿拉莫斯，起初他在欧米伽实验室的“沸水器”低功率核反应堆研究小组，该研究小组成立于1943年8月，属于洛斯·阿拉莫斯科学实验室的实验物理部门。该反应堆由罗伯特·巴赫尔提出，以补充其它测量链式反应临界质量的研究。通过利用液态铀，“沸水器”反应堆帮助科学家学会了如何最好地制造原子弹。

“沸水器”反应堆是世界上第一个均质液体燃料反应堆。之所以命名“沸水器”，是因为看起来好像液体燃料沸腾了。气泡是通过裂变的能量过程将水分解成氢气和氧气的结果。这个名称也有助于掩盖设备的真实性质，利于保密。

1943年8月，一个“沸水器”小组在洛斯·阿拉莫斯的实验物理部门组装“沸水器”反应堆。第一台“沸水器”反应堆由于其低功率输出而被昵称为LOPO，于1944年5月9日与恩里科·费米一起控制。通过将宫含铀一235的铀酰硫酸盐溶解在水中來制备液体燃料。混合物中的水也可以作为核反应的调节剂，将中子减速到可能发生裂变的速度。在裂变过程中释放的中子以大约1/10光速的速度移动，并且使它们减速，这增加了它们撞击附近铀原子并因此传播链式反应的可能性。该反应堆用于进行与原子弹构造有关的计算。估算“沸水器”的临界质量使理论部门首次对其临界质量计算的准确性进行了真正的验证。在这上面进行的实验确定了一个称为瞬发周期的量，它与裂变后中子发射的时间长度、中子的特征以及裂变核心的特征有关。该值可用于预测原子弹的效率。“沸水器”也用于其它理论实验，包括冷却和屏蔽、温度变化对临界的影响以及控制杆之间的运动效果。

欧内斯特·奥兰多·劳伦斯教授与普渡大学的加速器，该加速器用于“曼哈顿计划”

洛斯·阿拉莫斯“沸水器”核反应堆，不锈钢球中包含浓缩的硫酸铀酰溶液

“沸水器”核反应堆结构图

随后，达格利安加入了奥托·罗伯特·弗里希领导的临界装配小组，该小组也在欧米伽实验室。这些研究包括著名的“骚动恶龙尾巴”的试验。奥托·罗伯特·弗里希小组研究铀和钚的中子倍增。换句话说，这些元素在核衰变过程中自然辐射出中子，但如果有足够多的放射性元素足够接近，这些中子就会引起链式反应，因为中子会使更多的中子摆脱其它原子。然而，除了拥有足量的铀或钚之外，还有另一种方法来达到临界状态可以将来自材料的中子反射回自身，就像具有较厚材料的镜子一样，直到发生自持反应裂变。尽管在达到临界状态后可能不会发生爆炸，但是一定会发出致命的核辐射。

到1944年，弗里希领导洛斯·阿拉莫斯的临界装配小组，开始了一系列危险的近临界测试。据报道，物理学家理查德·费曼在评论这一风险时表示，这些实验“就像在沉睡恶龙的尾巴上搔痒一样”（注：在西方文化中，龙是一种凶恶的动物）。虽然实验有唤醒恶龙的可能，但是实验仍在继续。

该小组装配了一个钚核，用于装备世界上首枚原子弹“小玩意”（qabage）。1945年7月16日，在新墨西哥州阿拉莫戈多沙漠“三位一体”的核试验中，这枚原子弹成功爆炸，达格利安也参与了这次核试。

达格利安参与了轰炸日本的两枚原子弹的研制，两枚原子弹威力巨大，然而从毁伤效应来说，它们的效率并不理想。毕竟它们是世界上研制出来的第二枚与第三枚原子弹。当时美国核武器科学家们攻关的主要问题是如何提高核材料的利用率，充分利用核燃料。投向日本的两枚原子弹核材料利用率非常低，“小男孩”大约1.3%，“胖子”的核材料利用率也不过17%。

当时，美国是世界上唯一一个拥有原子弹的国家，但美国政府具有很强的忧患意识，他们意识到美国的优势不会保持很久。对手拥有核武器之后，如果美国要想在与核武装对手的战争之中幸存下来，美国一方面必须不断生产核武器，另一方面需要改进现有的核武器，提高其效率，而后者正是达格利安所做试验的目的。

1945年8月21日，达格利安在欧米伽实验基地进行了一系列关于临界质量的试验，这枚试验的对象就是世界上第三枚钚核（Pu-239，或者称为49金属），所要做的就是在钚核的周围放置不同数量的碳化钨，碳化钨充当中子反射器。

当天早上，他在一个正方形（每边长37.78厘米）基座上构建了中空的立方体，周围用碳化钨砖（尺寸为5.4厘米×5.4厘米×10.8厘米）围绕着钚球。按照这种装配方式，当放完第五层砖块并且在第六层中央再放两块砖时候，装置就会达到临界状态。那天下午，达格利安在一个边长为32.38厘米的正方形基座上构建了一个类似的中空立方体，用碳化钨砖块围绕着钚球，然后他照着此前的做法，依次放置砖块，当放到五层砖块时，这个装置达到了临界状态。然而，更为精确的放置方式还需要进一步探究确认，以将钚球完全包裹在一个更小的立方体中。究竟需要多少块砖以及砖在什么方向能够反射足够的中子并使核心达到临界状态？达格利安拆除了下午的试验装置，将钚球放回到了储藏室。他开始规划下一次的临界试验，在笔记上做了一些记录后，他决定下一次试验在边长为26.99厘米的正方形基座上进行。

美国政府颁发给“曼哈顿计划”3500名人员的肩章

欧米伽临界事故发生现场图

欧米伽临界事故发生现场图

吃过晚饭后，达格利安来到2号阶梯式讲堂听了一堂科学讲座。此时，他开始考虑当晚返回欧米伽实验基地进行第三次临界试验的事情，而不是按照当初他计划的第二天上午进行。他非常清楚自己这样做是违反实验室的操作规定的。晚上9：10，讲座结束了，他下定决心径直向欧米伽实验基地走去，他究竟为何这样坚决，个中原因至今尚未可知。他于9：30到了实验基地。

进入实验室后，他看见了列兵罗伯特·J·海默利，他是特种工程先遣队的一名保安，他向着行走的达格利安打了一声招呼：“你好，哈里！”

达格利安立即开始了试验，他将钚球从储藏室拿出来，进行计划中的装配。实验过程中，有3个辐射计数器正在运行，包括一台连有记录仪的中子计数器，这是一种类似于盖革计数器的剂量监测仪器作為指示，在超过警戒剂量时，这种仪器就能够发出“咔哒”声。达格利恩一边设法接近临界条件，一边认真观察指示灯和仪表。他很快完成了四层碳化钨砖的铺设，当他开始放置第五块砖时，他放慢了节奏，至此他已经完成了试验的一半。正当他尝试着用左手将另一块砖放到钚球上方时，剂量监测仪器发出了“咔哒”的声音，仪器指针疯狂摇摆，这警示他此时可能已经处于超临界状态。他决定停止试验，正当他开始撤回左手的时候，突然，这块砖从他手中脱落，掉在了装置中心的钚球上。出于本能，他用右手将这块砖从装置中拿出来，他立即感觉到了一阵刺骨的疼痛，并看到一束蓝光围绕着钚球。时间是晚上9：55。

达格利安所用的钚球是一个镀镍的钚球，由碳化钨支座支撑，并由碳化钨砖底座包围。在测试过程中，首先将中子源置于中空球心（由两个半球组成）中，并在顶部用匹配的碳化钨覆盖。在该图的配置中，该装置处于次临界状态。碳化钨的作用是将中子“反射”回到钚的中心球体，从而促使裂变增加，同时释放出更多的中子。达格利安当时的情况是，当碳化钨砖从手中掉下来时，意外添加了更多的中子反射层，导致装置处于临界状态。

当事故发生时，海默利正坐在离装置大约3.7米（12英寸）处，背对着装置，他转过身来，看着试验装置。此时，达格利安高大的身躯软弱无力地站着，双臂垂在身体两侧，他思绪万千，一方面感到尴尬，另一方面又非常担心自己可能造成的后果，但他仍试图理性地评估当前局势。他决定将组件部分拆卸成更稳定的配置，之后把情况告诉了海默利。碰巧，另一个研究生刚到了欧米伽实验基地，她开车把达格利安送到洛斯·阿拉莫斯的医院，而海默利则留在后面，提醒斯塔纳中士，他当时在欧米伽的一个受保护的办公区，与刚刚发生事故的实验室隔着一堵5英尺厚的混凝土墙。

急性放射病

在事故发生时，列兵海默利29岁，入院时，他被限制在床上观察了两天。在卧床休息一天后，他的血压恢复正常（120/80），并且在任何时候都没有出现急性放射病的典型症状。他在第三天被允许出院。暴露于核辐射10个月后，海默利的身体状况没有变化，完全正常，他也没有主观性的抱怨。海默利的短期和相对良性症状与他受到的全身照射剂量较低有关，他估计受到了31伦琴的软X射线（相当于80千伏）和少于1伦琴的伽马射线。海默利于1978年死于急性粒细胞白血病，享年62岁。

相比之下，据估计，达格利安全身的辐射暴露量为480伦琴的软X射线和110伦琴的伽马射线，510伦琴的中子辐射（这相当于1×101次核裂变）。因为辐射暴露的分布不均匀，特别是上身，尤其是手部接受的辐射剂量比较大，导致了额外的并发症。由于他是用左手拿着掉下来的砖头，左手可能受到了5000～15000雷姆（伦琴当量每人）的剂量;用来推开砖头的右手，暴露的剂量则更加高，大约在20000到40000雷姆的范围内。

达格利安纪念碑

事故发生9天后达格利安的手

这一事实从他刚到医院时的状况可以明显看出，他的手几乎立即肿胀和麻木。然而，最主要的症状是从接触后90分钟开始，他感到强烈而持续的恶心。在第一天，达格利安出现严重恶心和反复发作的呕吐，有时持续不断。恶心持续到了第二天，虽然没有呕吐，但他不得不忍受长时间的打嗝。在最初的两天之后，他的食欲恢复了，然而，其它症状却很快变得明显。

事故发生约36小时后，他的右手无名指上出现了一个小水泡，指甲床呈蓝色，说明血液循环不良。在一天的时间内，手掌和手背以及手指之间出现了许多水泡并迅速增加，而且膨胀疼痛。左手和腹部的皮肤也开始发红（产生红斑），到第四天已经变成强烈的蓝紫色。

从这一点上来说，右手受伤将被证明是一个复杂的症状谱的先兆，皮肤和内脏受损的程度变得更为不祥，因为变红的前臂内表面向上延伸，现在包括颈部和面部，导致这些区域的皮肤层逐渐消失（脱皮）。在达格利安的整个病程中，经他的允许，所有这些损伤都被拍照记录下来，并且其中一些生动的照片被包含在后来出版的医学报告中。

暴露后第十天，达格利安进食后出现恶心和腹痛。从第12天开始，他经常腹泻。

在第15天接受输血和静脉输液后，直肠温度为105华氏度（40.6摄氏度），达格利安脸色苍白，皮肤感到寒冷和湿冷。由于恐惧，他的呼吸速度变得迅速并且浅，血压骤降到70/50，心跳速度达到每分钟250次（心动过速）。但是，这些症状在一天后自发消失。

在他去世前几天，他变得失去理智，在生命的最后一天陷入昏迷。达格利安于1945年9月15日星期六下午4：30去世，他在欧米伽事故发生后存活了26天。到最后，他的外表发生了巨大的变化，因为从第6天开始他的体重明显减轻，而且情况越来越糟。此外，他的腹部和下胸部的所有表皮都已经失去，以及他的上胸部的毛发、胡须脱去。他的死亡证明列出了导致他死亡的直接原因是“上肢和躯干严重烧伤”。

在去世前，他将遗体捐献给科学，这样科学家们就可以研究辐射对人体的影响。后来，他的遗体返回到了他的家乡新伦敦，葬于雪松林公墓（Cedar GroveCemetery）。

紀念与缅怀

哈里·达格利安后来成为被称为“曼哈顿计划”的绝密原子弹开发项目的一部分，作为其中的一位成员，帮助其他科学家，为第二次世界大战的胜利结束做出了自己的贡献。

2000年5月20日（武装部队日），超过一百名家庭成员、朋友、城市政府官员和旁观者聚集在康涅狄格州新伦敦，以纪念小哈里·K·达格利安的精神。

【编辑/何懿】