原子彈往事：核臨界事故(1)

尹瑞濤

原子彈爆炸的場景

為日本準備的第三枚原子彈

眾所周知，1945年8月6日和8月9日，美國分別向日本的廣島和長崎投擲了一枚原子彈，爆炸當時造成了至少100000人當場死亡，在接下的一段時間內又相繼造成了數萬人死亡，這加快了日本軍國主義政府投降的進程。在原子彈轟炸長崎以后，不到一周的時間，8月15日，日本向盟軍投降，第二次世界大戰結束。2002年，駕駛飛機向廣島投擲原子彈的飛行員保羅·提貝茲向英國報紙透露了一個秘密，美軍本來還打算向日本扔下第三枚原子彈！他描述到：“第一枚扔下去之后的兩三天里，美國沒有聽到日本的任何動靜，第二枚扔下去幾天之后他們依然保持沉默。然后我接到了當時空軍太平洋戰略指揮部的參謀部長柯蒂斯·李梅將軍的電話：“你還有那些玩意嗎？”我說“有”。他說：“把它帶到這里來，叫你的人做好準備，過幾天把它投出去！”然后，正當我們準備把那枚原子彈運到提尼安島的時候，戰爭結束了。”

世界上前三個钚核的鎂合金外殼。左起：“三位一體”核試驗營地，赫伯·萊爾與“小玩意兒”原子彈的核心;路易斯·阿爾瓦雷茨在提尼安島提著“胖子”原子彈的核心;1946年早期，洛斯·阿拉莫斯科學實驗室的“惡魔核心”

這第三枚原子彈所用的裂變核心就是“惡魔核心”，它本來計劃于當年8月13日被扔到日本，但在長崎爆炸后日本帝國迅速投降，這個核心沒有被立即用于軍事方面。相反，在戰爭結束后，在新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯國家實驗室工作的物理學家決定用剩下的這枚代號“魯弗斯”（Rufus）的核彈核心來計算核心達到臨界狀態需要什么條件。然而，這枚核心卻在此后奪去了兩位科學家的生命，因此它得到了“惡魔核心”的稱謂。

關于钚和钚核心

钚（Pu）是一種放射性元素，是原子能工業的一種重要原料，可作為核燃料和核武器的裂變劑。钚核是內爆式核武器的核心（可用最少物料達到臨界質量的形狀是球形），通常由兩塊半球形裂變材料和包圍在兩半球赤道交界面上的中子反射體組成;內爆過程中，反射體可有效減少從赤道面泄出的中子流量。在美國第一次“三位一體”核試驗中，內爆裝置基本上就是“惡魔核心”，只是少了中子反射環而已。50年代的設計中，核心材料多為鈾235或摻雜少量钚，60年代及以后主要用純钚。

士兵與钚核心合影

“惡魔核心”是二戰期間制造的第三個可裂變核材料的核心，它包含兩塊钚鎵合金半球（其中钚的同素異形體為相）以及一個防中子流泄露的圓環，共重6.2千克，直徑8.9厘米。因為具有放射性，“惡魔核心”永遠是熱乎乎的。1945年的中子反射環為碳化鎢磚塊，而1946的中子反射球殼由鈹制成。彈芯周圍的鈹有兩個作用，一是充當惰層，二是將中子擋回彈芯，增加鏈式反應。因為如果沒有很重的鈹層的話，钚彈芯在開始裂變后會迅速膨脹，很快密度會下降到臨界以下。在早期的核武器中，只有20%左右的裂變材料發生了裂變，其它都被炸飛了。因為钚易腐蝕，所以后期處理時在其表面鍍了鎳。“惡魔核心”的總質量僅比無中子反射體時的臨界質量小5%左右，然后在實驗中通過調節反射程度，而得知需要多少中子被反射才能使核心達到引發鏈式反應的超臨界狀態（把本來向外擴散的中子反彈回來，就增加了由中子觸發的鏈式反應的概率），最終直接用于裂變核武器即俗稱的原子彈。超臨界（supercriticality）不是原子彈爆炸的狀態，而是裂變材料能自發維持鏈式反應的狀態，充要條件是有中子指數地產生去引發后續反應。中子有兩種增殖方式，一是鈾或钚原子核被前一個中子轟擊分裂后釋放出，二是分裂后較輕核在衰變時釋放出。前者生成得非常快，而后者耗時數微秒至數分鐘。

“胖子”（Fat Man）的是第二次世界大戰時美國在日本長崎投擲的原子彈的名稱。它是人類歷史上第二次使用的核武器，亦是至今為止最后一次使用的核武器。“胖子”長3.25米，直徑1.52米，重4 545千克。釋放的能量約相等于2萬噸的TNT烈性炸藥，即大概為8.4×1013焦耳，比投擲在廣島的首枚原子彈稍多。由于長崎地勢多山，造成的損害比平坦的廣島較低。約4萬人直接死于“胖子”的原爆，約25000人受傷。約7000平方米之建筑物被夷平。之后數以萬人死于核子塵埃放射引起的癌癥。

美軍在運輸“胖子”原子彈

“胖子”結構示意圖

哈里·K·達格利安

哈里·K·達格利安（左二）在“三位一體”核試驗裝配現場

“胖子”是內爆式钚彈。處于低臨界的球形钚，被放置在空心的球狀炸藥內，周圍接上了32枚同時起爆的雷管。雷管接通起爆后，產生強大的內推壓力，擠壓球形钚。當钚的密度增加至超臨界狀況，引發起核子連鎖反應，造成核爆。由于內爆式钚彈是一種嶄新的設計，因此美國在使用前，先在1945年7月16日新墨西哥州試爆了另一枚同一模式，稱為“小玩意”（Gadget）的原子彈。結果試驗非常成功，得到的當量達2萬噸，比原先預計高出2～4倍。

喪命于“惡魔核心”的哈里·K·達格利安

哈里·K·達格利安是一名亞美尼亞裔美國人，1921年5月4日，他出生于美國東北部康涅狄格州的沃特伯里，他的父親是哈里·克里科爾特·達格利安，母親是瑪格麗特·羅斯·達格利安。他是這個家庭中的第一個孩子，他還有一個妹妹叫海倫和一個弟弟愛德華。此后，他們舉家搬遷到康涅狄格州新倫敦市（NewLondon）的一個海邊小社區，在那里，達格利安上完了小學和初中。在此期間，他的父親先是一名X射線技術員，后來成為勞倫斯紀念醫院的X射線監管員。童年時期的哈里·K·達格利安似乎對一切事物都表現出了濃厚的興趣，早在哈博小學讀書時，他就參加了學校的管弦樂隊，在里面演奏小提琴。作為哈博小學最為優秀的學生，他榮獲了銀杯。他對數學以及科學有著強烈的熱愛，毫無疑問，這受到了他父親以及叔叔的影響，也得到了他們的培養。他的叔叔叫加拉貝德K·達格利安，是一名博士，在新倫敦市郊區的康涅狄格學院擔任物理與天文學教授，他也是這個學院的創辦人。另外，加拉貝德K·達格利安教授也是一名公共事務的發言人。

1938年，17歲的哈里·K·達格利安從伯克利高中畢業，數學取得了班級第一名，之后他進入了麻省理工學院開始本科數學專業學習。然而，僅僅在麻省理工學院學習了兩年以后，他對物理學特別是正在興起的粒子物理領域表現出了濃厚的興趣。于是，他轉學到了位于印第安納州希拉法葉市的普渡大學（我國的“兩彈元勛”鄧稼先也曾在此攻讀博士學位）。1942年，他在這里獲得了科學學士學位。此后，他繼續在此學習研究生課程。在這期間，他擔任了一段時間的物理學助教。為了掙取更多的錢，他也曾經在餐廳做過侍者。

1943年對于普渡大學的5名物理學家和他們的家人來說是個非同尋常的年份，這一年春天，“曼哈頓計劃”正在緊鑼密鼓地實施，后來成為美國“原子彈之父”的羅伯特·奧本海默博士忙于為洛斯·阿拉莫斯科學實驗室招聘科學研究人員。1943年春天，普渡大學的馬歇爾·格萊克·霍洛韋教授應邀到洛斯·阿拉莫斯科學實驗室舉辦了一次講座，奧本海默趁著這個機會招聘了馬歇爾·格萊克·霍洛韋教授的團隊。返回普渡大學后，霍洛韋教授向校方表示，自己的團隊在完成氘氚反應截面的研究之后，就將團隊轉移到洛斯·阿拉莫斯科學實驗室。哈里·K·達格利安此時是一名年輕的研究生，也屬于霍洛韋教授團隊，他的主要工作是幫助完成團隊在普渡大學的收尾工作。隨后，他比霍洛韋教授團隊的其他成員稍晚到達了洛斯·阿拉莫斯科學實驗室。同一時期，普渡大學全校的教工和研究生有2/3以上都在從事核物理探究。

1942年6月19日和20日，現代物理難題會議在普渡大學新物理大樓舉行，與會人員合影留念，達格利安也在其中

馬歇爾·格萊克·霍洛韋教授（1912.11.23～1991.6.18）

達格利安（圖中最右邊）和他的兩位朋友在普渡大學新物理樓前

洛斯·阿拉莫斯科學實驗室與歐米伽臨界事故

按照霍洛韋教授的安排，四人于1943年秋季到達洛斯·阿拉莫斯科學實驗室，這一年用于“曼哈頓計劃”的歐米伽實驗基地也建立了。哈里·K·達格利安留在普渡大學幫助校方重建普渡加速器，使其能夠產生10MeV的氘。另一方面，對哈里·K·達格利安本人來說，他也需要繼續在大學里面完成研究生學業，通常來說這需要兩年的時間。完成課程以后，他才能全身心地到洛斯·阿拉莫斯科學實驗室開展他的博士論文項目研究。他可能于1944年春末到了洛斯·阿拉莫斯，起初他在歐米伽實驗室的“沸水器”低功率核反應堆研究小組，該研究小組成立于1943年8月，屬于洛斯·阿拉莫斯科學實驗室的實驗物理部門。該反應堆由羅伯特·巴赫爾提出，以補充其它測量鏈式反應臨界質量的研究。通過利用液態鈾，“沸水器”反應堆幫助科學家學會了如何最好地制造原子彈。

“沸水器”反應堆是世界上第一個均質液體燃料反應堆。之所以命名“沸水器”，是因為看起來好像液體燃料沸騰了。氣泡是通過裂變的能量過程將水分解成氫氣和氧氣的結果。這個名稱也有助于掩蓋設備的真實性質，利于保密。

1943年8月，一個“沸水器”小組在洛斯·阿拉莫斯的實驗物理部門組裝“沸水器”反應堆。第一臺“沸水器”反應堆由于其低功率輸出而被昵稱為LOPO，于1944年5月9日與恩里科·費米一起控制。通過將宮含鈾一235的鈾酰硫酸鹽溶解在水中來制備液體燃料。混合物中的水也可以作為核反應的調節劑，將中子減速到可能發生裂變的速度。在裂變過程中釋放的中子以大約1/10光速的速度移動，并且使它們減速，這增加了它們撞擊附近鈾原子并因此傳播鏈式反應的可能性。該反應堆用于進行與原子彈構造有關的計算。估算“沸水器”的臨界質量使理論部門首次對其臨界質量計算的準確性進行了真正的驗證。在這上面進行的實驗確定了一個稱為瞬發周期的量，它與裂變后中子發射的時間長度、中子的特征以及裂變核心的特征有關。該值可用于預測原子彈的效率。“沸水器”也用于其它理論實驗，包括冷卻和屏蔽、溫度變化對臨界的影響以及控制桿之間的運動效果。

歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯教授與普渡大學的加速器，該加速器用于“曼哈頓計劃”

洛斯·阿拉莫斯“沸水器”核反應堆，不銹鋼球中包含濃縮的硫酸鈾酰溶液

“沸水器”核反應堆結構圖

隨后，達格利安加入了奧托·羅伯特·弗里希領導的臨界裝配小組，該小組也在歐米伽實驗室。這些研究包括著名的“騷動惡龍尾巴”的試驗。奧托·羅伯特·弗里希小組研究鈾和钚的中子倍增。換句話說，這些元素在核衰變過程中自然輻射出中子，但如果有足夠多的放射性元素足夠接近，這些中子就會引起鏈式反應，因為中子會使更多的中子擺脫其它原子。然而，除了擁有足量的鈾或钚之外，還有另一種方法來達到臨界狀態可以將來自材料的中子反射回自身，就像具有較厚材料的鏡子一樣，直到發生自持反應裂變。盡管在達到臨界狀態后可能不會發生爆炸，但是一定會發出致命的核輻射。

到1944年，弗里希領導洛斯·阿拉莫斯的臨界裝配小組，開始了一系列危險的近臨界測試。據報道，物理學家理查德·費曼在評論這一風險時表示，這些實驗“就像在沉睡惡龍的尾巴上搔癢一樣”（注：在西方文化中，龍是一種兇惡的動物）。雖然實驗有喚醒惡龍的可能，但是實驗仍在繼續。

該小組裝配了一個钚核，用于裝備世界上首枚原子彈“小玩意”（qabage）。1945年7月16日，在新墨西哥州阿拉莫戈多沙漠“三位一體”的核試驗中，這枚原子彈成功爆炸，達格利安也參與了這次核試。

達格利安參與了轟炸日本的兩枚原子彈的研制，兩枚原子彈威力巨大，然而從毀傷效應來說，它們的效率并不理想。畢竟它們是世界上研制出來的第二枚與第三枚原子彈。當時美國核武器科學家們攻關的主要問題是如何提高核材料的利用率，充分利用核燃料。投向日本的兩枚原子彈核材料利用率非常低，“小男孩”大約1.3%，“胖子”的核材料利用率也不過17%。

當時，美國是世界上唯一一個擁有原子彈的國家，但美國政府具有很強的憂患意識，他們意識到美國的優勢不會保持很久。對手擁有核武器之后，如果美國要想在與核武裝對手的戰爭之中幸存下來，美國一方面必須不斷生產核武器，另一方面需要改進現有的核武器，提高其效率，而后者正是達格利安所做試驗的目的。

1945年8月21日，達格利安在歐米伽實驗基地進行了一系列關于臨界質量的試驗，這枚試驗的對象就是世界上第三枚钚核（Pu-239，或者稱為49金屬），所要做的就是在钚核的周圍放置不同數量的碳化鎢，碳化鎢充當中子反射器。

當天早上，他在一個正方形（每邊長37.78厘米）基座上構建了中空的立方體，周圍用碳化鎢磚（尺寸為5.4厘米×5.4厘米×10.8厘米）圍繞著钚球。按照這種裝配方式，當放完第五層磚塊并且在第六層中央再放兩塊磚時候，裝置就會達到臨界狀態。那天下午，達格利安在一個邊長為32.38厘米的正方形基座上構建了一個類似的中空立方體，用碳化鎢磚塊圍繞著钚球，然后他照著此前的做法，依次放置磚塊，當放到五層磚塊時，這個裝置達到了臨界狀態。然而，更為精確的放置方式還需要進一步探究確認，以將钚球完全包裹在一個更小的立方體中。究竟需要多少塊磚以及磚在什么方向能夠反射足夠的中子并使核心達到臨界狀態？達格利安拆除了下午的試驗裝置，將钚球放回到了儲藏室。他開始規劃下一次的臨界試驗，在筆記上做了一些記錄后，他決定下一次試驗在邊長為26.99厘米的正方形基座上進行。

美國政府頒發給“曼哈頓計劃”3500名人員的肩章

歐米伽臨界事故發生現場圖

歐米伽臨界事故發生現場圖

吃過晚飯后，達格利安來到2號階梯式講堂聽了一堂科學講座。此時，他開始考慮當晚返回歐米伽實驗基地進行第三次臨界試驗的事情，而不是按照當初他計劃的第二天上午進行。他非常清楚自己這樣做是違反實驗室的操作規定的。晚上9：10，講座結束了，他下定決心徑直向歐米伽實驗基地走去，他究竟為何這樣堅決，個中原因至今尚未可知。他于9：30到了實驗基地。

進入實驗室后，他看見了列兵羅伯特·J·海默利，他是特種工程先遣隊的一名保安，他向著行走的達格利安打了一聲招呼：“你好，哈里！”

達格利安立即開始了試驗，他將钚球從儲藏室拿出來，進行計劃中的裝配。實驗過程中，有3個輻射計數器正在運行，包括一臺連有記錄儀的中子計數器，這是一種類似于蓋革計數器的劑量監測儀器作為指示，在超過警戒劑量時，這種儀器就能夠發出“咔噠”聲。達格利恩一邊設法接近臨界條件，一邊認真觀察指示燈和儀表。他很快完成了四層碳化鎢磚的鋪設，當他開始放置第五塊磚時，他放慢了節奏，至此他已經完成了試驗的一半。正當他嘗試著用左手將另一塊磚放到钚球上方時，劑量監測儀器發出了“咔噠”的聲音，儀器指針瘋狂搖擺，這警示他此時可能已經處于超臨界狀態。他決定停止試驗，正當他開始撤回左手的時候，突然，這塊磚從他手中脫落，掉在了裝置中心的钚球上。出于本能，他用右手將這塊磚從裝置中拿出來，他立即感覺到了一陣刺骨的疼痛，并看到一束藍光圍繞著钚球。時間是晚上9：55。

達格利安所用的钚球是一個鍍鎳的钚球，由碳化鎢支座支撐，并由碳化鎢磚底座包圍。在測試過程中，首先將中子源置于中空球心（由兩個半球組成）中，并在頂部用匹配的碳化鎢覆蓋。在該圖的配置中，該裝置處于次臨界狀態。碳化鎢的作用是將中子“反射”回到钚的中心球體，從而促使裂變增加，同時釋放出更多的中子。達格利安當時的情況是，當碳化鎢磚從手中掉下來時，意外添加了更多的中子反射層，導致裝置處于臨界狀態。

當事故發生時，海默利正坐在離裝置大約3.7米（12英寸）處，背對著裝置，他轉過身來，看著試驗裝置。此時，達格利安高大的身軀軟弱無力地站著，雙臂垂在身體兩側，他思緒萬千，一方面感到尷尬，另一方面又非常擔心自己可能造成的后果，但他仍試圖理性地評估當前局勢。他決定將組件部分拆卸成更穩定的配置，之后把情況告訴了海默利。碰巧，另一個研究生剛到了歐米伽實驗基地，她開車把達格利安送到洛斯·阿拉莫斯的醫院，而海默利則留在后面，提醒斯塔納中士，他當時在歐米伽的一個受保護的辦公區，與剛剛發生事故的實驗室隔著一堵5英尺厚的混凝土墻。

急性放射病

在事故發生時，列兵海默利29歲，入院時，他被限制在床上觀察了兩天。在臥床休息一天后，他的血壓恢復正常（120/80），并且在任何時候都沒有出現急性放射病的典型癥狀。他在第三天被允許出院。暴露于核輻射10個月后，海默利的身體狀況沒有變化，完全正常，他也沒有主觀性的抱怨。海默利的短期和相對良性癥狀與他受到的全身照射劑量較低有關，他估計受到了31倫琴的軟X射線（相當于80千伏）和少于1倫琴的伽馬射線。海默利于1978年死于急性粒細胞白血病，享年62歲。

相比之下，據估計，達格利安全身的輻射暴露量為480倫琴的軟X射線和110倫琴的伽馬射線，510倫琴的中子輻射（這相當于1×101次核裂變）。因為輻射暴露的分布不均勻，特別是上身，尤其是手部接受的輻射劑量比較大，導致了額外的并發癥。由于他是用左手拿著掉下來的磚頭，左手可能受到了5000～15000雷姆（倫琴當量每人）的劑量;用來推開磚頭的右手，暴露的劑量則更加高，大約在20000到40000雷姆的范圍內。

達格利安紀念碑

事故發生9天后達格利安的手

這一事實從他剛到醫院時的狀況可以明顯看出，他的手幾乎立即腫脹和麻木。然而，最主要的癥狀是從接觸后90分鐘開始，他感到強烈而持續的惡心。在第一天，達格利安出現嚴重惡心和反復發作的嘔吐，有時持續不斷。惡心持續到了第二天，雖然沒有嘔吐，但他不得不忍受長時間的打嗝。在最初的兩天之后，他的食欲恢復了，然而，其它癥狀卻很快變得明顯。

事故發生約36小時后，他的右手無名指上出現了一個小水泡，指甲床呈藍色，說明血液循環不良。在一天的時間內，手掌和手背以及手指之間出現了許多水泡并迅速增加，而且膨脹疼痛。左手和腹部的皮膚也開始發紅（產生紅斑），到第四天已經變成強烈的藍紫色。

從這一點上來說，右手受傷將被證明是一個復雜的癥狀譜的先兆，皮膚和內臟受損的程度變得更為不祥，因為變紅的前臂內表面向上延伸，現在包括頸部和面部，導致這些區域的皮膚層逐漸消失（脫皮）。在達格利安的整個病程中，經他的允許，所有這些損傷都被拍照記錄下來，并且其中一些生動的照片被包含在后來出版的醫學報告中。

暴露后第十天，達格利安進食后出現惡心和腹痛。從第12天開始，他經常腹瀉。

在第15天接受輸血和靜脈輸液后，直腸溫度為105華氏度（40.6攝氏度），達格利安臉色蒼白，皮膚感到寒冷和濕冷。由于恐懼，他的呼吸速度變得迅速并且淺，血壓驟降到70/50，心跳速度達到每分鐘250次（心動過速）。但是，這些癥狀在一天后自發消失。

在他去世前幾天，他變得失去理智，在生命的最后一天陷入昏迷。達格利安于1945年9月15日星期六下午4：30去世，他在歐米伽事故發生后存活了26天。到最后，他的外表發生了巨大的變化，因為從第6天開始他的體重明顯減輕，而且情況越來越糟。此外，他的腹部和下胸部的所有表皮都已經失去，以及他的上胸部的毛發、胡須脫去。他的死亡證明列出了導致他死亡的直接原因是“上肢和軀干嚴重燒傷”。

在去世前，他將遺體捐獻給科學，這樣科學家們就可以研究輻射對人體的影響。后來，他的遺體返回到了他的家鄉新倫敦，葬于雪松林公墓（Cedar GroveCemetery）。

紀念與緬懷

哈里·達格利安后來成為被稱為“曼哈頓計劃”的絕密原子彈開發項目的一部分，作為其中的一位成員，幫助其他科學家，為第二次世界大戰的勝利結束做出了自己的貢獻。

2000年5月20日（武裝部隊日），超過一百名家庭成員、朋友、城市政府官員和旁觀者聚集在康涅狄格州新倫敦，以紀念小哈里·K·達格利安的精神。

【編輯/何懿】