原子彈往事：核臨界事故(3)

尹瑞濤

斯洛廷得到的獎章。上方環繞的文字為“曼哈頓計劃”，中間為字母“A”，下方為“炸彈”，底部為洛斯·阿拉莫斯實驗室

離開洛斯·阿拉莫斯

因在“曼哈頓計劃”中做出的貢獻，路易斯·斯洛廷收到了兩枚小小的圓的、由鉛和銀制成的紀念獎章。它們中間刻有一個占主導地位的大寫的“A”，上下分別刻著“曼哈頓計劃”（Manhattan Project）和“炸彈”（BOMB）的文字。1945年8月日本投降后，斯洛廷終于向家人講述了他戰時的職業。斯洛廷的父親了解到他兒子在原子彈研究中的角色時非常震驚，斯洛廷對父親的回應是“我們必須趕在德國人之前得到它”。他的家人回憶說，盡管他看上去對這個項目很熱心，但他對自己所做的事情感到有些不安。斯洛廷的密友菲利普·莫里森回憶起他們兩人經常談論戰爭與和平。

1946年3月，斯洛廷給芝加哥大學放射生物學和生物物理學研究所的雷蒙德·E·澤克爾教授寫了一封信，信中他揭示了自己所面臨的困境：“我參與了海軍的測試，這讓我很反感。我不得不這樣做的原因是，我是留在這里的少數幾個有經驗的核彈組裝人員之一。”

鈹制球殼反射钚核裂變中子示意圖

1940 年代洛斯·阿拉莫斯實驗室的主門

1946年，在獲得美國國籍后，斯洛廷被安排前往馬紹爾群島參加7月1日在比基尼環礁舉行的“十字路口行動”核試驗。之后，他計劃在當年秋天回到芝加哥大學，恢復和平時期對生物物理學和放射生物學的研究。

斯洛廷做核試驗的目的

1946年，盡管二戰結束了，可是對核武器的研制來說，也僅僅邁出了第一步。所以，參加了曼哈頓計劃工作的一些科學家對核武器的研究并沒有停止。

原子彈的小型化和高爆性是科學家追求的目標，而彈藥的臨界質量是最重要的參數之一。原子彈的原理就是利用高濃度的鈾、钚等核素在達到臨界質量，利用中子點火，極短時間發生核鏈式裂變、釋放出大量的核能。臨界質量（臨界體積）是一個變數，與材料的種類、濃度、溫度、壓強、幾何形狀、中子反射屏蔽等等因素有關。如果忽略臨界質量這一參數，一味地增加藥量，則核材料的利用效率太低，也違背研制原子彈的小型化和高爆性的初衷。

斯洛廷所做的實驗就是在更多因素確定的情況下，測試钚臨界質量與鈹制半球殼（一種中子反射物料，能夠使钚核中的中子密度達到觸發核鏈式反應的水平）反射中子的關系。比如，鈹制半球殼全部用來反射中子時，對逃逸的中子反射能力最強，如果在鈹制半球不完全反射中子的情況下，鏈式反應還能夠發生，說明钚核素的臨界質量還有減小的空間。斯洛廷就是通過實驗找出钚核素能夠發生鏈式反應的最小臨界質量。當然原子彈的創新改進計算數據在先，但是最重要的環節還是實驗。

斯洛廷事故發生的地點，代號TA-18-0001

雷默·施賴伯組裝了“胖子”原子彈的钚核心，1946年他領導了“十字路口行動”核試驗钚核心裝配小組

影視劇復現實驗過程的場景

在實驗室里，斯洛廷被同事公認是一個實驗專家，在很多次實驗里，他都是穿著標志性的藍色牛仔褲和牛仔靴子。盡管當時在臨界實驗的遠程操作控制方面已經做了一些工作，但這些裝置還沒有完全達到可以進行臨界組裝研究任務的程度，因此，還必須繼續進行手動實驗。他在實驗方案中很魯莽，他會在沒有加必要的墊片的情況下進行臨界性測試，以防止球體完全關閉。他徒手抓住上半個球體，只用平頭螺絲刀的刀身將其降下，這樣他就可以接近臨界點，他成功地完成了20多次實驗。

斯洛廷參與的這些實驗也并非沒有危險，他的同事哈里·達格利安就死于臨界組裝實驗。當時也在洛斯·阿拉莫斯的諾貝爾物理學家得主恩里科·費米警告斯洛廷，如果他繼續進行臨界實驗，一年后他就會死。此時，斯洛廷已經從奧托·弗里希手中接過了臨界組裝小組的領導權。

臨界事故的背景

1946年5月21日，星期二，天氣晴朗，就像在洛斯·阿拉莫斯的大多數日子一樣。當天上午，包括斯洛廷在內的幾名科學家參加了在帕哈里托基地舉行的一個小組領導會議，該基地距離洛斯·阿拉莫斯3英里。當會議結束的時候，來訪者被帶到了各個實驗室參觀。參觀的地方包括邊遠實驗室，在主體建筑的南邊就是斯洛廷所在的小組的實驗室，這個小組由雷默·E·施賴伯博士領導。實驗室是一間光禿禿的粉刷成白色的房間，長12.2米，寬8米，靠近房間中心有一張金屬桌子，靠近出口匝道的東面墻邊有一個柜臺，還有稀疏的、不引人注意的臨界裝配實驗設備。

中午，斯洛廷與朋友兼同事菲利普·莫里森在第18技術區（TA-18）的Chili Con Carne餐廳共進午餐。

施賴伯和他23歲的助手西奧多·P·帕爾曼當天吃完午飯后去了帕哈里托實驗基地，進行“十字路口行動”用的起爆器和活性材料的現場檢查。他們攜帶了5個起爆器裝在3個特殊的船運箱中，斯洛廷在當天上午已經安排好了3個钚核心。

他們大約在13：30到達，在钚核心的旁邊放了倍增測量儀，從那天早上開始一直在運行中。由于在臨界實驗中使用的放射源干擾了他們的現場檢查測量，他們等了一個小時才開始工作。后來發現在早上的測量中，一個鈹殼被意外地漏掉了，所以必須部分重復進行倍增測量。

14：30左右，施賴伯和帕爾曼開始對AU-18起爆器進行計數。與此同時，阿爾文·庫什曼·格雷夫斯進來了，他是一名物理學博士，他和斯洛廷呆在一起。施賴伯和帕爾曼大約在下午15：15完成了計數，施賴伯戴上了橡膠手套然后開始把起爆器從箱子里拿出來檢查。與此同時，格雷夫斯和斯洛廷討論了臨界裝配工作。斯洛廷離開后，格雷夫斯就會接管他的這項工作，這是格雷夫斯從未見過的實驗。斯洛廷說：“我現在向你演示一下如何？”格雷夫斯表示同意。因為他要離開了，斯洛廷希望這是他最后一次做這個實驗。

實驗現場還原

現場的一些設備儀器

實驗復原的演示人員在做準備

斯洛廷在臨界實驗過程中使用的放射源所發出的中子不會影響施賴伯的檢查，所以斯洛廷就開始了他的實驗。施賴伯在認真檢查起爆器，每隔一段時間環顧四周，以下是他的觀察結果。

鈹反射球放在房間里靠近北端的一張矮鋼桌上的。斯洛廷站在面向南面的桌子前，格雷夫斯站在他身后的右邊，他輕輕地挪動了一下身子向前傾，想看得更清楚一些。實驗室的成員馬里恩·愛德華·西斯利基在格雷夫斯后面左邊停了下來。施賴伯和他的助手帕爾曼一起在房間東側大約4.6米遠的長臺邊忙于自己的工作，面朝外面，帕爾曼仍然俯身在柜臺上。房間里還有幾個人：斯坦利·艾倫·克萊恩、德懷特·史密斯·楊，以及實驗室的保安帕特里克·克利里。他們站在操作臺周圍，距離不一，看著斯洛廷在中間的桌子上做實驗。

斯洛廷工作的桌子上裝有各種探測器，一些操作計數器和其它驅動埃斯特林·安格斯記錄器。這些都是在組裝開始前都已經測試過的。克萊思和西斯利基正在運行這些儀器，以便提供明確的信息。

臨界實驗裝置

實驗配置如下：它包括一個鍍鎳的钚核，重約5.9千克，像一塊灰色的金屬卷曲的石頭。它是3枚原子彈中的一枚的爆炸核心，這3枚原子彈將被運到南太平洋的馬紹爾群島比基尼環礁參加“十字路口行動”核試驗。钚核心放在下部的鈹制半殼里，钚核心鍍有一層鎳，這能防止污染和α射線的逸出。這些钚核異常溫暖，但觸摸它們本身無害。鈹是一種能反射逃逸中子的金屬，能將中子反射回到活性金屬中以保持裂變反應。下部的鈹制球殼直徑33厘米，有一個匹配的鈹制上半球殼，半徑為23厘米，殼上有一個孔，通過這個孔可以緩慢移動。實驗中要把兩塊鈹制半球殼套在钚核心的外面。兩塊鈹制半球殼用于逃逸中子的反射，把這些中子反射回去，去再次撞擊钚核引發鏈式裂變。中子數目少時，難以撞擊到钚核。當然，上半球殼永遠不允許接觸下半球殼，否則將立即達到臨界狀態。為了防止這種情況發生，兩半球之間被放置了兩個墊片，來阻擋上部鈹半球與下部鈹半球完全接觸閉合。然而，為了接近臨界狀態，斯洛廷必須移除這些墊片，并使用螺絲刀作為楔子，用手將球體操縱到接近臨界狀態。

實驗的技術要點是把這個上半球殼逐漸降下，直到它幾乎接觸到下半球殼。當反射球殼包圍核心時，它們會越來越多地反彈泄露的中子。所以在某一點上，钚核內可裂變用的中子總數會稍微超過逃逸的中子數。一個緩慢的、可控的鏈式反應就啟動了，就像汽車的發動機空轉一樣，可以推動到更高的速度，但是非常危險。如果這兩個半球殼相距不到3毫米，那么就會瞬間達到超臨界狀態，一種快速、不受控制的反應“快速爆發”就會接踵而至。需要說明的是，這不會發生核爆炸，因為在產生熱量后，這些部件會膨脹，變得不那么致密，因此又會恢復到次臨界狀態。裂變核心要變成炸彈，它的組成部分就必須以某種方式拼合在一起足夠長時間而不會膨脹。但在一毫秒內，將會釋放出大量的自由中子流，伽馬射線和β射線，以及一股熱浪。

臨界事故的發生

斯洛廷用左手翹起的大拇指插進孔中，用張開的手指抓住上半球殼，像一個左撇子拿著保齡球一樣。上半球殼的一側靠在底部半球殼上，另一側放在一把螺絲刀的刀桿上，并用右手握著螺絲刀頂住上半球殼以維持上下兩個鈹半球殼間的空隙（改變半球殼的角度，從而調節反射面積的大小）。螺絲刀的刀身仍能把這兩個部分保持在3毫米以上的間隙。當蓋革計數器不停地響時，他上下搖動著螺絲刀來回轉動，使外殼在斜面上逐漸向下，更靠近下部的外殼。使用螺絲刀操作并不是實驗計劃的標準規定，本身就是違規操作。

中空半球中間的小球就是钚核心

裝置俯視圖

斯洛廷扣住中間的孔，拿起鈹制上半球殼

斯洛廷用一只螺絲刀撬開半球反射器

上下半球殼接觸

斯洛廷繪制的事故發生時在場的8人所在的位置

影視劇還原發生事故后的慌亂場景

施賴伯以為斯洛廷的實驗要達到臨界狀態會比較慢，所以就繼續研究起爆器，想著當中子倍增測量儀指到某個關鍵的值時，再轉身去看。大約50年后他這樣描述了這起事故：“斯洛廷所做的是把一個鈹半球放在位于下部的鈹半球上，用螺絲刀把它們分開。這種方式的目的是把它降低到一個很小的間隙直到裝置達到臨界狀態，然后就可以在那一點上阻止它。他可以搖動螺絲刀使反應成倍增長或停止。但是螺絲刀滑了。兩個鈹半球完全合上了，這使它迅速達到超臨界狀態。它被钚核心和鈹的膨脹所阻止，但它足以發射出致命的放射性物質。”

斯洛廷繼續通過空隙操縱著半球，使裝置以緩慢的速度接近臨界質量，就像試飛員拉緊飛機性能的外部極限一樣。觀察者們既能聽到，也能看到這一場景。斯洛廷操作時，輻射計數器和記錄儀都已經打開，格雷夫斯站在他的身后觀察各個步驟。當裝置接近臨界狀態時，蓋革計數器探測到的伽馬輻射就會增加，蓋革計數器的跳變速度更快，中子監測儀在一卷紙上用紅墨水繪出輻射增加的曲線。

15：20，施賴伯被一些突然躁動的聲音驚擾，同時格雷夫斯聽到螺絲刀刀桿從縫隙中抽出時的咔嗒聲，斯洛廷右手的螺絲刀滑落，向外滑了不到3厘米，左手掌握著的上半球殼迅速下落與下半球貼合在一起套住了钚核心，钚核心立馬接受了大量的中子發射，系統瞬間達到臨界，引起臨界反應并釋放出一股硬性輻射。

在一毫秒內，一道藍色的光圍繞著這個裝置，蓋革計數器的指針不停地盤旋顫抖;中子監測器的紅色墨水線迅速上升：房間里的人感到一股熱浪襲來。斯洛廷嘴里感覺到一股酸味，左手感到被燒傷的劇痛。在接下來的幾毫秒里，斯洛廷移動他的左手，把鈹殼從桌上拉起掀掉在地板上。時間仍然是15：20，但是他的命運卻發生了劇變。“好吧，我死定了！”斯洛廷對自己說。“多希望這是一場噩夢！”他想。但不幸的是，事實并非如他所想。物理學家現在知道，在斯洛廷和任何人的反應能起作用之前，鏈式反應事實上已經結束了，是被熱膨脹制止的。但他的行為仍然是有紀律的，本能地做當時他認為必要的事情：拆開裝配阻止鏈式反應。他的身體就站在那里，掩護著格雷夫斯，這無疑救了他。另外一些人，雖然當時沒人知道怎么采取措施，但都已經遠離致命輻射的范圍。

房間布置及臨界事故發生時每個人距離臨界裝置的位置

斯洛廷的同事雷默·施賴伯（Raemer Schreiber）后來回憶說：“盡管房間窗戶光照充足，頭頂的燈照明良好，藍色的閃光在房間里仍然清晰可見。閃光主要集中在上部半球的孔周圍和兩球間隙周圍。斯洛廷的左手拿著上半球，完全處于發光區。總計閃光的持續時間不會超過十分之幾秒。斯洛廷反應很快，他把外殼扔掉了。時間大約是下午3點20。”充滿屋子的藍光是因為放射性物質激發了空氣中的電子，這些電子釋放出高能光子，閃耀出藍色的光芒。在場的所有人都受到了強烈的輻射，主要是核反應產生的中子和γ射線。

藍光發出的那一瞬間，屋子里的人驚聲大ⅡU，他們爭先恐后地跑出門口。事故發生幾秒鐘后，只有斯洛廷、格雷夫斯和施賴伯留在房間里。斯洛廷嘗試在靠近钚核心的各種物品上使用輻射探測器檢測放射性——毛刷、空可口可樂瓶、錘子和卷尺，以推測出每個人身上的輻射量。但事實證明，由于探測器本身受到嚴重污染，很難獲得準確的讀數。隨后，斯洛廷、格雷夫斯和施賴伯三人都立即跑到走廊。帕哈里托的機械師沃特在他們離開后打算關上外門。他被警告不要進去，也不要在附近呆太久。

斯洛廷、格雷夫斯和施賴伯跟著帕爾曼到了主實驗室大樓。斯洛廷叫了輛救護車，當他們靜靜地等待救護車的時候，他畫了一張草圖，上面顯示了事故發生的那一刻在場的每個人的大致位置，以便醫生們能夠確定在場的每個人所受的輻射程度。在斯洛廷的建議下，施賴伯拿著輻射計返回到剛才發生事故的實驗室。施賴伯把一些膠片劑量儀貼在反射器上，他還帶了瓦特表。房間是相當熱，儀表在裝置附近滿刻度運行，所以施賴伯沒有多逗留，他拿了斯洛廷和他自己的夾克衫離開了。

斯洛廷又打了一個電話給他的朋友和同事菲利普·莫里森。莫里森后來回憶說，“斯洛廷告訴我，我們出了事故，裝置達到了臨界狀態，你最好趕過來。我已經打電話給醫院了。有一束藍色的光芒。”莫里森立刻知道情況很糟糕。

致命的輻射

據后來的測算，在不到一秒鐘的時間里，裂變反應的總數約為3萬億次，比第一顆原子彈小100萬倍，但仍足以發出一次明顯的放射性爆發。斯洛廷遭受到了一股約2 100雷姆（或21希沃特）劑量的中子、γ射線和X射線輻射，這至少相當于致死劑量的兩倍。唯一能與之相類比的情況就是在切爾諾貝利核事故發生后就站在核反應堆旁邊。據測算，斯洛廷所受的輻射劑量相等于在原子彈爆炸時距彈1463米時所受的輻射量。在場的其他人分別受到了360、250、160、110、65、47和37雷姆的輻射。

斯洛廷一離開實驗室就嘔吐，這是一種人體受強度極高的離子化輻射所產生的普遍征狀。當斯洛廷坐在路旁等汽車來送他們到醫院去的時候，他鎮靜地對身邊的也是受到嚴重輻射的伙伴阿爾文·格雷弗斯說：“你會完全恢復健康的，而我是一點希望也沒有了。”斯洛廷的同事將他緊急送院，但由于受輻照劑量過大，輻射已對他造成無可挽回的傷害。由洛斯·阿拉莫斯國家實驗室公布的報告中這樣描述他的病情“就像受到了三維曬傷（身體內部也受到了嚴重的輻射傷害）”。

斯洛廷實驗室內的中子計數器記錄帶后來也被置之不顧了，從記錄帶上看到那條細紅線已經上升到測量的上限了。由此可見，這災難性時刻的輻射是如此的強烈，以致于儀表都不能繼續進行記錄了。

洛斯·阿拉莫斯醫院

不到一小時，這8個人就被安置在洛斯·阿拉莫斯醫院的3個相鄰的病房里。

在他們安頓下來的時候，來自這個項目的輻射生物學家和物理學家包括菲利普·莫里森在內，正趕往實驗室做測量，他們嘗試對事故進行復雜的學術重建，尋找線索，探究到底是哪種射線和亞原子粒子擊中了這些人，擊中了哪里，強度是多大，用了多長時間。當時還沒有一套轉換規則可以將這些劑量轉化為生理學效應。

斯洛廷剛進醫院時的手

斯洛廷紀念碑的碑文

在醫院里的一段時間，護士們四下忙碌著給他們測量體溫、采集血液。她們從這些人的口袋里拿出硬幣、領帶夾、皮帶扣、戒指、手表以及其它任何金屬物品，通過測量它們的誘發放射性可以為測量劑量尋找另一個線索。

斯洛廷在救護車上嘔吐過一次。格雷夫斯還沒有表現出癥狀，他在不停地懷疑，“它真的變得臨界了嗎？”“情況有多糟？”“我要開始嘔吐了嗎？”他們被單獨留下時，斯洛廷對他說：“阿爾文，對不起，我把你牽扯進來了。恐怕我活下去的機會不到五十分之一。我希望你能更好。”

下午六點左右，一名輻射生物學家賴特·蘭厄姆博士來到病房，他把護士們收集的金屬物品都撿起來。9個月前他從哈里·達格利安那里收集了一堆類似的物品，后來斯洛廷幫他做一些輻射分析方面的數學計算。

不久之后，莫里森在從帕哈里托實驗室回來的路上順道趕未了，他和斯洛廷談論了劑量。在某種意義上來講，這是他們當時唯一可以談論的話題，因為急性放射病沒有解藥，即使到了現在也沒有，斯洛廷能夠存活的希望十分渺茫。

當天晚上六點半，也就是事故發生后3小時，斯洛廷的左手又胖發紅。穿過鈹殼的拇指麻木而刺痛，它的指甲床是黑色的，后來變得越來越痛。這是一只最接近钚核心的手，科學家后來估計它已經接收到超過15000雷姆的低能量X射線輻射。

到星期三下午，也就是事故發生24小時后，斯洛廷的左手一直腫脹，皮膚看起來好像要破了，右手也腫了。斯洛廷的下腹在臨界裝置正對面，也開始變紅。其它方面他感覺很好，看起來很高興，并且已經停止嘔吐，他看上去好像恢復了，就像九個月前達格利安的狀況一樣。因為一個有機體的細胞是強壯的，即使受到這樣的損傷，它也會恢復起來，并能持久直到它們必須復制自己。到了星期三晚上，斯洛廷左手拇指形成了一個巨大的、腫得很厲害的水泡。

到了星期四，在手掌上和所有的手指之間更多的水泡形成了，像餅干一樣大，左臂、右手和前臂的一部分也腫了。因為在事故發生的一毫秒內，兩雙手都被藍色光芒包圍，它們簡直就像被“煮熟了”。星期四晚上有一個化學家、物理學家和生物學家參加的會議，他們認為斯洛廷受到的劑量大約是達格利安的4倍。為了拯救斯洛廷，物理系的學生們拿著鉛筆繼續計算了3天時間。

星期四也是軍方就此次事故召開新聞發布會的日子，因為洛斯·阿拉莫斯仍然是一個軍隊哨所。為了防止公眾對核輻射歇斯底里，他們和達格利安事故發生后一樣，發布了一份含糊其辭的聲明：發生事故的實驗室的相關技術人員目前狀況良好。

星期四，由于發表了一份公開聲明，斯洛廷也被允許與家人聯系。他的父母于星期六中午抵達洛斯·阿拉莫斯醫院，斯洛廷仍處于明顯的潛伏期。

事故發生后的第五天，斯洛廷的白細胞數量暴跌，白細胞——血液中的救生員——已經停止自我繁殖并且都快死了。

隨后，斯洛廷很快進入了類似中毒的狀態：打個不恰當的比方，他就像是曾被放在微波爐里。他的身體正在溶解成原生質的碎片。

5月28日，星期二，控制其正常凝血的血液中的血小板驟然下降，之后身體各部分功能完全崩潰，到了星期三他已經神志不清了。到了傍晚，他已經昏迷了。

5月30日，星期四，上午11時，也就是事故發生后的第九天，斯洛廷在遭受百般痛苦的折磨后去世，那年他只有35歲。

[編輯/何懿]