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原子弹往事:核临界试验装置(5)

2021-03-24尹瑞涛

兵器知识 2021年2期
关键词:中子夫人装置

尹瑞涛

炸弹模型,模拟第一个内爆式核武器,用此组件取得的次临界测量值设计出比“胖子”原子弹更先进的核武器

“恶魔核心”导致的两起致命事故发生后,洛斯阿拉莫斯实验室禁止试验人员直接操纵裂变材料,开发了遥控试验设施。与此同时,人们认识到临界性试验对于整个武器计划的继续是必要的。因此,实验室通过的准则强调,人员安全是“第一优先事项,保障裂变材料的安全、多功能性以及试验的可重复性是重要目标”。没有经过实验室管理层审查和批准,不得进行任何临界试验。在试验获得批准之前,对每一类试验的操作程序都进行详细的准备和评审。专门指定一个人来监控试验的安全性,当试验安全性有问题的时候,任何一个组员都可以停止试验。

第一个托普希临界装置。浓缩铀核心嵌入到由部分天然铀组成的反射层里,被提升到主反射体的一个空腔里

最初,遥控临界试验设施由一个称为Kiva的临界组装实验室组成,该实验室距离控制室0.4千米。一个隔离区提供了辐射防护,每当遥控临界装置被操作时,它都会让人们远离辐射。Kiva于1947年4月开始运行,用作武器安全指导的次临界测量。在武器部件的搬运、储存和运输过程中,以及在武器的装配和操作过程中,必须避免意外临界,因此试验指导是非常必要的。

在早期的核武器中,当量受到临界安全极限的限制,每一个高当量的裂变核心都要经过测试,以确保满足这些限制。随着武器设计变得越来越精细,洛斯阿拉莫斯实验室研制出了多种远程操作临界试验装置。

炸弹模型装置

炸弹模型装置是第一台遥控组装装置,其尺寸与“胖子”原子弹相似,它由路易斯·斯洛廷设计。炸弹模型在赤道处分裂,上半球升起,以便进入一个中心区域,该区域可容纳各种可裂变材料进行操作,装置可被远程关闭。如果临界状态比预期的更接近,它将自动分离(称之为紧急停堆)。炸弹模型试验是亚临界中子倍增测量。在临界装置的启动中,要引入一个外中子源,通过测量外中子源的倍增因子来获得系统的亚临界反应性。在临界安全的试验检验中,常用亚临界中子倍增法来获得易裂变材料系统的亚临界度。中子计数器的响应与临界以下的裕度有关,计数率过高会引发紧急停堆。炸弹模型试验有几个目的:证明内爆武器部件的安全性,确认生产核心的预期反应性,并为新的内爆式核武器设计提供指导。

“彗星”临界试验装置

Flattop臨界装置

Flattop临界装置结构图

托普希(Topsy)装置

托普希装置主要由一个铀核组成,位于一个厚的天然铀反射层中。表面有半英寸台阶的球形核被提升到一个更大尺度的球形反射器内的空腔中。天然铀的控制棒进入反射器内的空腔。一个径向孔(称为光孔)直径为半英寸,穿过反射器,带有适当的填充物,可进行内部测量。

托普希装置可以提供快中子数据,用于检查当时正在开发的高速机器的强大计算技术。这些技术用于武器和快堆设计。随着核武器设计变得复杂,这些中子测量在辅助武器设计中的作用变得越来越重要。

“彗星”装置

1948年后,托普希不再用于亚临界试验,实验室研制出了“彗星”装置。“彗星”承担着对枪式核武器及其部件进行安全测试的重任。它也被用来为设计新的武器提供试验数据。“彗星”装置是由液压油缸组成的机器,支撑一个“A”框架。下部的反射器外壳含有包含着裂变物质的球体,它们放置在铝制气缸上面。“A”形框架支撑着一根螺纹杆,上面的反射器半球悬挂。这个装置可以堆放大量的活性材料,几乎达到临界状态。使用“彗星”进行的安全和设计测试一直持续了很长时间。

Flattop临界装置

Flattop临界试验装置用于在球面几何学中提供基准中子测量,具有许多不同的裂变驱动器材料。装置使用球形结构,适配器和质量调节镶块的零件位于左侧。Flattop包括高浓缩铀球形芯,天然铀反射器,支撑结构,液压系统和仪表以及控制系统。天然铀反射器直径12.8毫米。孔通过反射器和核心,这允许将12毫米热管放置在堆芯中。铀核由一个直径为121毫米的球体组成,含有93.15%的铀235,重量16.2千克。额外高浓缩铀件使堆芯总质量达到18千克。一种天然铀组成的球安装在一个钢制的桌子上,由一个落地式底座支撑。反射器组件由两个可伸缩的四分之一球体(每个250千克)和一个固定的半球组成。

“戈黛瓦夫人”安全运行时的状态

技术区TA-18地图

TA-18区基瓦1号楼的全景突出显示为“戈黛瓦之家”

“戈黛瓦夫人”临界装置

“戈黛瓦夫人”装置本质上是一个非屏蔽脉冲核反应堆,最初位于新墨西哥州圣达菲附近的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)。它是18号技术区(TA-18)内众多临界装置之一。具体来说,它被用于产生中子和伽马射线以辐照测试样品,并启发了类似的反应堆的发展。

在试验临界状态时,及时停止是很重要的。不受控制的连锁反应可能导致真正的核爆炸。早在1942年,在芝加哥建造第一座核反应堆时就使用了镉控制棒(安全棒)。镉吸收中子,在反应堆“紧急制动”的情况下,有必要迅速将棒引入堆芯。这是一个受过专门训练的准备好斧头的人的责任。应急棒被挂在绳子上,绳子在适当的时候被斧头砍断了。

临界设备事实上都是相同的原始核反应堆,链式反应不是一直保持,而是在很短的时间内开始的。后来这种装置被称为“脉冲反应器”。“戈黛瓦夫人”的设计灵感来源于1952年Jemima裝置试验。它的设计理念是,一旦发生事故,就有可能“仓促逃离”连锁反应。它由两组铀盘组成:一组固定不动,另一组上升到铀板上,形成放射性物质的总质量,接近临界值。1952年4月18日,由于计算错误,额外的铀板被“充电”到设备上,装置进入临界状态,导致了1.5×1016次裂变的偏移,自动紧急停堆,但没有损坏。不过,爆炸并未发生。释放出的能量使底部的铀块与上部的铀块分开,之后连锁反应自动停止。

1954年2月的事故对支撑杆造成的损坏

“戈黛瓦夫人”装置的“教父”被认为是奥托·弗里希教授。弗里希于1943年加入曼哈顿计划,但他对该计划最重要的贡献在1940年。弗里希和鲁道夫·佩尔斯提出了弗里希·佩尔斯备忘录,阐述了产生原子爆炸的过程。这份备忘录包含了有关制造原子弹所需铀-235临界质量大小的新计算,加速了英国和美国制造原子弹的速度。

1943年,弗里希移居美国,与洛斯阿拉莫斯的物理学家一起帮助制造炸弹。弗里希被任命为临界装配小组的组长,负责确定制造临界质量所需的浓缩铀的确切数量,即维持核反应的铀的质量。他的成果不胜枚举:中子行为的研究,铀核裂变能量的计算,以及核爆炸所需铀临界质量的估计。然而,这个装置看起来更像一个两米长的机械骨架,里面有一颗“裂变核”。选择这种设计是为了尽量减少中子的反射,因为中子反射可能导致连锁反应失控。

拿斧子的人在拆除四个脉冲反应堆之一的平顶反应堆

奥托·弗里希教授

“戈黛瓦夫人”的“心脏”是一个浓缩铀235球(浓度93.7%),直径约17厘米,总重53千克,分为三部分。相比之下,落在广岛的“小男孩”铀装药的质量是64.1千克。为了在球体表面进行“微调”,制作了14个凹槽,其中插入了重量从50克到100克不等的小型铀盘。在试验过程中,部分球体被连接在一起,一根铀棒被迅速插入顶部管子并从较大的可裂变物质的空腔中取出,引发连锁反应,从而产生了伽马射线和中子的爆发。这一阶段是远程进行的,但“戈黛瓦夫人”的维护特别是铀盘的添加,是手动完成的。

1957年事故发生后,“戈黛瓦夫人”的部件融化了,左为触发反应的铀棒

尽管与1940年代徒手进行的试验相比有了重大进步,但新的临界设备仍然极其危险。1954年的一天,弗里希差点遇难:他就在“戈黛瓦夫人”组装好的“核心”旁。一个铀块掉了下来,增加了反应的总量,导致整个装置启动。人体反射的中子比碳化钨或铍少得多,但也有少量中子足以引发连锁反应。弗里希仔细地进行试验,总是盯着那些在中子输出增加时会短暂闪烁的灯。弗里希从眼角看到,在试验过程中闪烁的灯在稳定地发光。他伸出手来,把一些铀块从机器上敲到了地上,灯熄灭了。弗里希的白衬衫和他身体里的水把中子反弹回装置,引发了反应,在他俯下身注意到灯火的时候,他受到了大量的辐射。弗里希在指示灯的灯光下注意到了这一点,并设法做出反应,将球弹开并撕碎。再耽搁一会就会导致他死亡。

“戈黛瓦夫人”II装置

“戈黛瓦夫人”在运行中并非没有意外。第一次发生在1954年2月3日,铀零件略有翘曲,但不足以妨碍进一步操作。第二次,1957年2月12日,更为极端,发生了意外的临界偏移,造成装置损坏,金属框架严重翘曲和氧化,并损坏了轻型支架,设备自动关闭,但对人员的影响很小。

在某些情况下,“戈黛瓦夫人”装置产生的脉冲提供了一种替代昂贵的现场测试的方法。因此,“戈黛瓦夫人”装置最终扩展应用到桑迪亚国家实验室的快速爆炸反应堆、橡树岭国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、白沙导弹靶场和阿伯丁试验场。

为了在1957年取代“戈黛瓦夫人”,一种新的装置被制造出来——“戈黛瓦夫人”II。其设计和工作原理与前代产品相似。“戈黛瓦夫人”II建造在一座混凝土建筑内,位于距离控制室四分之一英里(400米)的峡谷中。

在这张“戈黛瓦夫人”II 的照片的顶部, 一个圆柱形的金属笼包围着球形的铀块

“戈黛瓦夫人”II现在使用的是带有切口的铀圆柱体,而不是球,从底部插入一个直径较小的圆柱体(所谓的安全块)。铀的总质量增加到57千克。触发棒被插入主缸中钻的三个通道中的一个,另外两个用于控制棒。此外,在主缸中钻一个横向通道,用于辐照样品和材料。核心被金属网包围着。这台机器是完全远程控制的,不需要手动封闭铀块,就像“戈黛瓦”的第一台那样,重量是由控制棒调节的。触发棒的位置被提前校准,整个试验持续大约40毫秒。这里使用的不是一个拿着斧头的人,而是辐射传感器,在适当的时候包括一个气动系统,可以降低内筒并停止反应。

1959年,洛斯阿拉莫斯同意向国防部承包商免费提供“戈黛瓦夫人”II,每月2天,承担着其独特的辐射测试。

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