印度核武之路 八：三重门之佛爷笑了（下）



在印度打开核武第一重门之前，有必要科普一下核武的设计和难点：

核武的设计基于铀235(钚239)的核裂变，

 

裂变反应生成的中子数是入射中子数量的2~3倍，这一特点保证了实现自持链式反应的
可能性，进而产生了临界质量(critical mass)的概念。核爆时在外力的作用下，铀（钚）核
瞬时超临界(prompt supercritical)，中子数量以几何级数增长（1，2，4，8，16。。。），
理论上在1毫秒内翻倍100多次，除去逃逸泄漏的，剩下的中子与铀核作用，所释放的
180MeV全加起来, 就是理论上核武的巨大能量。

扯句题外话，不知道大家对翻倍100次有什么样的概念。据说国际象棋就是在印度那片儿
发明的，国王说要重重地赏赐这个发明者，他问这个发明者想要什么，发明者说你就给我
大米粒儿吧，棋盘上有64个格子，第一格放一粒，第二格放两粒，第三格放四粒。。。
国王说明白了，让我的大臣带你去领大米吧。结果没翻多少格就翻不下去了，仔细算下来，
全世界的大米都填不满那64个格子。这才翻了多少啊就顶不住了。

实际上因为瞬时爆发的核反应产生了高温（千万度）高压（百万大气压），核材料也是
瞬间膨胀，飞散，核材料中只有部分 - 甚至是很少的一部分进行了裂变反应，能量的释放
也相应的大大少于理论值（美军在广岛投放的小男孩，是“枪式”设计，爆炸当量~2万吨
TNT, 造成十万人死亡，可实际上只有~2%的铀进行了裂变反应）。 所以核武设计的核心
就是想尽办法让已经起爆的铀（钚）核压紧的时间越长越好，提高核材料的利用率。

经过前人不懈的“探索”，最合理，最流行的裂变核武设计是内爆式（Implosion），印度
也是这一选择。由于找不到印度核爆装置的图纸，只能以美国的“胖子”为例，进行分析：


 

内爆鼻祖 --- 美国1945年“胖子”核弹示意图。

看图说话---由内向外，核弹组成主要的有两大部分：

第一部分是最里面的核心装置(pit)，包括钚核（Pu core），中子发生器(neutron initiator)，
金属铀238做的阻挡层(tamper)和硼10塑料层。
先说钚核。钚的提炼前面说过，由反应堆的乏燃料而来，之后的加工过程还会遇到
一些问题需要解决：

 

首先金属钚随着温度的不同，材料结构会发生变化，形成不同的相（Phase）。密度
也会不同。核爆的临界质量一定，密度越大，体积越小，对内爆，中子输运都有利，
所以理想的选择是阿尔法相的钚（图中最高点）。但是阿尔法钚的结构不稳定，易碎，
热压过程会发生相变（Phase transition），容易开裂，产生裂纹，造成局部的不均匀性。
这一点是核武的大忌，所以只能放弃。经过摸索，解决的办法是选用掺入3%镓的
德尔塔钚（图中最低点），不论是浇铸，热压的热加工还是车铣钻刨磨的机加工都
没有问题。而且还有另外的好处，钚有放射性，本身会产生阿尔法衰变，伴随的
阿尔法衰变热和其他一些加工，储运过程的过热现象都不会引起德尔塔钚发生相变。
（咱们现在一句话掺入3%镓，当年可是费了多大的力气才明白的，要不这方面的
情报那么值钱呢）

其次钚还是一种化学上活性很强的金属，并且剧毒。为了保护钚，也为了保护操作人员，
钚的表面必须镀金或镀镍。经过这一系列处理，最后的成品就是垒球大小的钚核。

 


中子发生器（Neutron Initiator）顾名思义 --- 产生中子，并在最恰当的时刻产生中子。
由于宇宙射线的轰击，核材料的自发裂变，天然本底里有中子存在，我们当然不希望
核材料达到临界后靠天吃饭，不知道哪一刻，那一点会开始链式反应。而且内爆过程
中链式反应发生过早或过晚都会让效果大打折扣。所以必须设计一个能够控制的中子源
放在钚核中心，在内爆的最佳时刻发挥作用，启动链式反应。中子发生器因此应运而生。

第一代的中子发生器是一种称作“顽童（Urchin）设计”的东西，主要是两种材料组成：
钋210（polonium-210）， 铍（beryllium-9）。

钋210是个好东西，剧毒，毒性是氰化物的2000亿倍，（去年用铊下毒的那女的怎么样了？）
绝对是杀人灭口的利器，2006年在英国一个克格勃的叛徒就是用它干掉的，轰动一时。

不过顽童要的是它另一个特点 --- 钋210是钋的放射性同位素，自发衰变产生大量的
阿耳法粒子，而阿耳法粒子和铍反应会产生中子。33年查德威克就是用钋210轰击铍靶
发现了中子。核武研制者受到启发，先用铍做一个直径不到1厘米的小球，表面划出
很多沟，镀上镍，涂上金箔（阻挡阿耳法粒子），然后抹上薄薄的一层钋210。之后
再用铍做一个同心的“蛋壳”，直径~2厘米。同样的步骤处理蛋壳的内面，再把蛋壳
罩在铍蛋黄的外面。中子发生器就做好了。
顽童的工作原理是这样的 --- 内爆产生的巨大压力把钚核挤到了中心，把蛋壳，蛋黄都
压碎了，钋，铍掺混接触，发生反应产生了中子 --- 任务完成。这里面的尺寸，重量，
配比，形状的选取，设计需要通过计算和试验进行优化，以达到最佳效果（由于钋210的
半衰期只有180天，钋，铍中子发生器的寿命很短，必须在核爆前现做，造成第一代
核武的使用，储存非常不便，维护费用也非常昂贵）。

金属铀238做的阻挡层在裂变弹里有两个主要的作用，一个副作用。第一个主要的作用
是利用它的高密度，大质量阻挡，延迟钚核反应后的膨胀和飞散。计算显示为达到这个
目的，阻挡层只需要几厘米，可实际上要厚上几倍，原因就是第二个主要作用 --- 反射
中子。铀238和中子的质量比是238：1，所以钚核泄露的中子散射到铀238，能量不够的，
基本像撞墙一样反射回去（reflection），减少了中子泄露。这样做的好处就是实现同样的
爆炸效果，有反射层的钚核临界质量减少了~30%！（可以算算省了多少钱）。进一步，
当散射的中子能量足够高，副作用就出来了，中子不用反射，直接和铀238裂变反应，
造成的结果很让人“惊喜”，增加了20%的核爆威力！

阻挡层再往外，包裹的硼塑料主要是为了增加稳定性。硼是很好的中子吸收剂，硼塑料层
可以吸收中子，降低钚核的中子天然本底。本底中由外界宇宙射线通过反应产生的中子，
硼塑料可以过滤一部分；内在钚的自发裂变产生的快中子一部分被钚自身吸收，一部分
逃逸到硼塑料以外的高爆炸药层，就会被炸药里的氢原子慢化，反射回来，一出一进，
很好的被硼塑料吸收掉。

第二部分内爆系统(Implosion system)有三部分：
1．    最外层是产生向心冲击波的“爆炸透镜”（explosive lens）和起爆装置（detonator）
2．    中间是加强冲击波效果的高爆炸药层（booster explosive）
3．    内层是进一步改善冲击波性能的铝质的“推体”（pusher）
此一部分的目的就是产生球面对称得向心冲击波。

这里面最重要的概念是爆炸透镜。爆炸透镜的发明，极大的改变了核武的设计思路，
使内爆式成为可能，钚弹成为可能，后续的热核武器的出现也成为可能。为此这里
简单说两句提出这一独创性概念的数学家，冯。纽曼（ Von Neumann）。

 

如果你想给什么是天才举例子，提一下冯纽曼，决不会有任何人敢质疑。他其实不仅是
数学家，只要是动脑子的，数理化，文史哲，他样样精通。先罗列他曾经做出重要贡献的
研究领域（看着就眼晕）：
set theory, functional analysis, quantum mechanics, ergodic theory, geometry, fluid dynamics, economics,
 linear programming, game theory, computer science, numerical analysis, hydrodynamics,  statistics,
nuclear physics ，thermonuclear bomb design.

冯纽曼从小就显示出天才本色，六岁流利使用拉丁语，古希腊语，八岁精通了微积分。
由于他的父亲非常反对“少年班”教育，希望他过正常人的生活，使他15岁才正式
学习高等微积分，22岁才拿到博士学位。冯纽曼具有过目不忘的记忆力 - 曾经他的
一位朋友开玩笑，问他双城记是如何开头的，冯纽曼没有一丝迟疑开始背诵，直到
十几分钟后他的朋友在目瞪口呆中不得不打断他。而他的心算能力让和他共事的
天才们叹为观止：
冯纽曼的好友，前面提到的维格纳（nobel physics prize laureate）赞叹：
seeing von Neumann's mind at work, one had the impression of a perfect instrument whose gears
were machined to mesh accurately to a thousandth of an inch.

他的另一位好友，氢弹之父泰勒写到：
von Neumann effortlessly outdid anybody I ever met, I never could keep up with him。。。
（这话怎么有些当年叶帅“侪辈跟随愧望尘”的味道呢）

冯纽曼还是个狂热分子，这样的天才自从加入曼哈顿工程，就被武器研发所吸引，
除了参与核弹设计，冯纽曼还负责为美军推荐核弹的轰炸目标（他挑的第一位是京都），
同时为获得最大杀伤力，计算出核弹起爆的最佳高度。对于核武的使用，冯纽曼也
从来没有表示过任何的道德负担，对于战后奥本海默不停唠叨的负罪感，他嘲笑说：

someone confesses a sin in order to take credit for it.

战后冯纽曼不满意裂变弹的威力，受泰勒的影响，对热核武器发生兴趣，他在泰勒之前
首先对热核武器进行了理论计算。美军以他的计算为基础，进行了实验，尽管没有成功，
还是为泰勒几年后找到正确的方向提供了宝贵的数据。冯纽曼非常反共，积极鼓吹在
苏联无还手之力以前尽快使用核武对苏作战。也可能是天意，57年热爱核武的冯纽曼
患癌症去世，而病因与参加核爆试验受到过度剂量的辐射有关。去世前冯纽曼是美国
洲际导弹的研发负责人，如果他多活几年，可能就是洲际导弹之父了。


 

 感叹完天才，回来接着讨论爆炸透镜。如图所示，每一块透镜由两种炸药组成：
浅黄色的是高速（燃烧速度）炸药，深黄色的是低速炸药，两种炸药的界面是抛物面，
如同光学凸透镜聚焦光线，爆炸透镜利用两种炸药的燃烧速度差，将起爆处（红色）
产生的外凸型的冲击波变成内凹的球面冲击波，以达到向心内爆的要求。

爆炸透镜说起来容易，做起来难（在理论指导下，美国人在一年内作了2万次爆炸
试验才成功， 曾几次差点放弃）。为了实现尽可能均匀的冲击波，首先炸药材料的
颗粒大小要均匀，不同炸药的掺混也要均匀；掺混后的炸药不能有裂缝，气孔，
做成的不同透镜组密度必须具有高度的一致性；其次球面装配后的整个配合公差不能
超过0。8毫米。炸药之间不能有缝隙存在，其中透镜快，慢炸药间的抛物线面的
配合一致性尤为重要。

拥有完美的爆炸透镜之后，下一步就是开发与之匹配的具有高度同时性（synchronization）
的精确起爆装置。起爆信号从一点发出后，必须在很小误差内（微秒级）同时到达球面
所有的起爆装置（美国是32个，中国是256个，印度是12个），起爆后也必须在
很小的误差范围内（<1毫秒）炸药同时开始燃烧。这些要求加在一起，解决的办法
就是高压时序电路。高压电路本身的难点不说，让人头痛的是静电保护，要是静电
引起了核弹missfire, 那可就SB了。所以各国的保护电路都非常复杂，慎之又慎。
（偏偏印度采用了最不保险的设计，很有勇气）

爆炸透镜产生的向心冲击波，还需要进一步均匀，同时加大能量。中间的高爆炸药层
内层的铝质推体就是为此而设置的。高爆炸药层不用说，铝质推体解释一下：当冲击波
撞击到铝表面时，由于铝相对比较“软”，可以展平一些不均匀性；铝和炸药存在
密度差，会产生反射波，反射波的存在提高了冲击波身后的背压，也就加大了冲击波的
向心压力。

 


“胖子”组装剖面图

这两大部分的介绍，只是蜻蜓点水，不能充分的体现为研制核武大杀器，
曾经有多少最优秀，最聪明的人废寝忘食，提出过多少奇思妙想，进行了多少
枯燥繁琐的试验，从一次次的失败走向一次次失败，挖空心思，呕心沥血，
最后成功。用人类的智慧凝聚出了这一非人类的终极武器。

不过从以上简而又简的科普大概能体会到，不提能够实用的核武器，仅仅是核爆装置
本身的设计，制造，测试以及最终的试验，有一系列的物理，工程，工艺的问题需要
解决。而解决这些问题所需的资源，能力和决心不是一般的国家能够具备的，尤其是
几十年前。在那个年月的时代背景下，发展核武需要有巨大的付出，同时也有巨大的回报。

技术背景介绍完毕，书归正传。在蹉跎了多年之后，67年印度核武（应该称PNE）的
研发终于走上正轨，项目代号“Smiling Buddha”，秘密进行。团队的总负责人为拉贾，
团队主要分为两大部分，分工如下：

1．    BARC(Bhabha atomic research center) Team    
负责人：拉贾（Raja Ramanna）
•    核武系统设计（nuclear system design）         
负责人：Pajagopala Chidambaram，Satinder Kumar Sikka
•    电子起爆系统（Electronic Detonation System）     
负责人：Pranab Rebatiranjan Dastidar, Sekharipuram Narayana Aiyer Seshadri
•    中子发生器（Neutron Initiator）                
负责人：Vasudev K. Iya，T.S. Murthy，C.V. Sundaram
•    钚核制造（Plutonium Core Fabrication）
            负责人：P.R.Roy
•    系统集成（System Integration）
            负责人：Jitendra Nath Soni，Anil Kakodkar

2．    DRDO (Defense Research and Development Organization) Team：
DRDO coordinator: B.D. Nag Chaudhuri （Director of the DRDO and science advisor to the Minister of Defense）
•    高效炸药内爆系统（High Explosive Implosion System ）
负责人： Nagapattinam Sambasiva Venkatesan（Director of Terminal Ballistics Research Laboratory (TBRL)）
•    起爆设计（Detonator Development Team ）
负责人：Waman Dattatreya Patwardhan at the Explosive Research and Development laboratory (ERDL)
为了保密，据印度官方的报道，从67年开始到74年PNE核爆，核武项目一共只有75位
核科学家，工程师参与（质疑？）。。。在此项目之外，只有3个人知道：英迪拉甘地
和她的两位秘书。印度的总统，议会，国防部长都被蒙在鼓里。

印度的PNE项目不断进步，发展到71年又是一分水岭：
首先是3月打到9月，在美国的威胁和干预下不得不停止，以印度大胜而告终的
第二次印巴战争。这次战争巴基斯坦一败涂地，战后布托上台，忍辱蒙羞与英迪拉
签订停战协议，宣布东巴独立为孟加拉以换回10万战俘，这种经历当然很受刺激，
签字之后布托对巴基斯坦核科学家们宣布：我们就是吃草也要发展核武!
（得，又得开另一个系列，呵呵）

而印度这边士气大振，英迪拉的声望如日中天。印度的军事胜利，中国的袖手旁观，
美国赤裸裸的挑衅和恐吓，都坚定了英迪拉和印度核科学家们把PNE进行到底的决心。

其次反核武的维克去世，取而代之的是核武的坚定支持者塞特纳（Homi Sethna）。
塞特纳既是出色的科学家也是与人奋斗的政客，他和拉贾为争夺领导权一直斗到退休
写回忆录。不过对人不对事，对PNE项目一直积极参与，鼎力支持。掌权后为了避免
国际上对印度核武发展的怀疑，把维克建立的导弹，火箭部门从核能部分出去
独立为航天部。

 


最后PNE项目在拉贾的带领下，历尽艰难，到71年核爆装置的设计和理论计算基本定型。
印度的技术路线遵循了美国的内爆思路，加上了一些印度“特色”：比如爆炸透镜不是
美国的“足球面”，而是12片“莲花瓣”。起爆装置用的是火花塞，中子发生器设计成
莲花状，历时3年才成功。。。

理论不断发展的同时各种试验也全面展开，其中比较重要的是验证钚核设计的试验。
为此需要建造脉冲堆以研究瞬时超临界情况下钚材料，快裂变，快中子的各种特性。
脉冲堆的思路来自曼哈顿的“龙试验”（dragon experiment），对于核武的研发，这一实验
是必不可少的。而印度的脉冲堆技术来自于苏联杜布纳核试基地，69年立项Purnima
 ( Plutonium Reactor for Neutron Investigation in Multiplying Assemblies)，用所有辛苦积攒的钚
（~18公斤）制作堆芯，72年3月达到临界，5月开始进行实验。通过这个堆进行的
实验，为核科学家们提供了钚核设计的宝贵数据。但是这个堆很短命，73年1月拉贾
下令把它拆了 --- 因为需要这个堆里的钚。

70年凤凰厂发生严重泄漏，全厂停工。清理善后工作严重滞后，拖到72年底拉贾
意识到短期内复工是不可能了，钚材料的获得出了大问题。为了保证钚核的制造，
不得不忍痛拆掉立了大功的脉冲堆。

72年在脉冲堆的验证下核爆装置设计完毕，金属钚的加工制造技术也基本成熟。
9月7日英迪拉参观BARC，拉贾适时的给领导展示了核爆装置的模型，英迪拉
当即批准制造核爆装置并指示准备核爆试验。73年底核爆装置制造完毕（主要
是中子发生器拖了后腿），74年2月用核爆装置进行了最后的两次试验：

第一次实验钚核部分，要达到临界来验证钚核部分的参数，尤其是临界条件下中子流的
分布。这种试验有一定危险性，"tickling the dragon's tail"。这一次很成功，实验证明推导的
临界公式完全正确。

第二次是“cold test”，检验爆炸透镜的威力和均匀性。用高密度的重金属球（某国用钨）
取代钚核，其他条件相同进行内爆试验，结果也很令人满意。

这时科学家们知道，now it is time for real.

所有的实验室检测验证完毕，人员物资开始向核试验基地转移。




早在67年拉贾就选中了位于印巴边界沙漠里一个叫伯克兰（Pokhran）的地方作为核爆
试验场。伯克兰原来是陆军的武器试验场，不过也有少数平民住着。由于68年联合国
通过了禁止地上核实验的条约，为了避免国际舆论的谴责，印度只能进行地下的核爆试验。
73年5月开始拉贾联系驻扎在Jodhpur的61工程兵营前往伯克兰进行矿道挖掘，当兵的
哪知道拉贾啊，心想你是那根葱啊，让大爷给你挖坑？根本不理他。拉贾没辙，反映到
总理那里，总理一个电话把西部军区的军头臭骂了一顿。军头们立刻下令 --- 工程兵们
被告知为实验场挖水井。6月份冒着酷暑（地表温度~70度）颠颠的轰到沙漠里挖坑，
一直挖到74年1月，“老天开眼”，第一口井出水了！兵爷们正准备收摊呢，命令
又来了，到历史纪录证明更干旱的地方再挖，一定要挖出一个没水的井！这回从2月
挖到5月12号，新的“干井”符合了要求。

74年2月万事俱备，几位主要的科学家，两位秘书和英迪拉开碰头会，做出了进行
核试验的最终决定。英迪拉问科学家们需要多长时间准备，拉贾回答：3个月。
因此核试验时间就订在5月以后。由于印度总统5月初要出访中美洲，为了不让总统
受到国际舆论攻击，核试验的时间推到总统回国之后。接着核武系统设计的负责人
Pajagopala Chidambaram提到5月中已经订好他要嫁女，不能更改。印度的结婚可是
重大事件，如果女儿婚礼上，印度著名的核科学家老爹不在，一是对所有亲友很不礼貌，
二是可能引起怀疑。综合各方因素，最后时间定在5月最早的可能时间18日---印度的佛诞节。

5月13日全部组件运到离井口40米，临时搭建的木板房里开始组装，由于沙漠的高温，
造成组件膨胀，尺寸对不上，第一天装配失败。第二天天不亮开始第二次尝试，出了
一个小事故：吊装爆炸透镜时，掉下了一块100多公斤的透镜，把科学家们吓得半死。
大伙战战兢兢的忙到夜里，终于1。5米直径，总重1400公斤的核爆装置完成了装配。
15日清晨放到了井底。科学家下井进行了最后的检查，确认无任何问题后，入夜前
干井用水泥和沙子封口。

5月18日万里无云。清晨，所有的PNE团队成员，西部军区的领导，工兵营的营长
聚集在距井口5公里的观察室里准备见证印度的这一历史时刻。此时忐忑，激动的
心情难以用笔墨形容。

核爆时间定在8：00am。但是最后不得不推迟了5分钟，因为一位工程师对高速照相机
做完最后的检查后，在往回开的路上吉普抛锚了。派人“营救”他耽误了时间。

8：05am，拉贾按下了起爆按钮，远方沙漠的地平线上瞬时冒出了一个“鼓包”，随后
塌陷成直径~50米，深10余米的“火山口”，伴随而起的沙尘飞扬，好像沙漠里点燃了
黄褐色的狼烟，冲天而起。




核爆成功！

WE DID IT!

观察室内沸腾了，科学家们热泪盈眶，互相祝贺，印度终于拥有了PNE!
兴奋的人群中塞特纳首先想到要给总理报告这一大好消息，他第一个拿起观察室内
临时架设的电话，拨通了总理秘书的号码：

忙音？不通？

试了十几遍，不是不通就是掉线。西部军区的军头此时也回过味来，亲自驾车带着
塞特纳来到伯克兰村，找到村西的公用电话，这时塞特纳发现，总理的电话号码没带!
军头被这个老九这么不靠谱激怒了，抢过电话，大声呼叫接线员，给我接总理！
警惕性高的印度接线员当然不理睬电话那边疯子的叫喊，该看报的看报，该喝茶的喝茶。
折腾将近一个小时，将军的一片赤诚感动了印度大神，在将军不懈的咆哮下终于某位
客服撑不住了，电话总算接到了首相府，当秘书Dhar那熟悉的声音响起，塞特纳和将军
激动地对着话筒大喊：

Buddha is smilling!

秘书微微一笑：谢谢二位，十分钟前已经有人通知我了。。。

二人相视，疑惑不解，回头向村内望去，只见晨曦中工兵营长那猥琐的身影从村东的
公用电话亭闪现出来，越来越高大。。。。。。


 
塞特纳，两位秘书陪同英迪拉视察核爆现场