印度核武之路 八：三重門之佛爺笑了（下）



在印度打開核武第一重門之前，有必要科普一下核武的設計和難點：

核武的設計基於鈾235(鈈239)的核裂變，

 

裂變反應生成的中子數是入射中子數量的2~3倍，這一特點保證了實現自持鏈式反應的
可能性，進而產生了臨界質量(critical mass)的概念。核爆時在外力的作用下，鈾（鈈）核
瞬時超臨界(prompt supercritical)，中子數量以幾何級數增長（1，2，4，8，16。。。），
理論上在1毫秒內翻倍100多次，除去逃逸泄漏的，剩下的中子與鈾核作用，所釋放的
180MeV全加起來, 就是理論上核武的巨大能量。

扯句題外話，不知道大家對翻倍100次有什麼樣的概念。據說國際象棋就是在印度那片兒
發明的，國王說要重重地賞賜這個發明者，他問這個發明者想要什麼，發明者說你就給我
大米粒兒吧，棋盤上有64個格子，第一格放一粒，第二格放兩粒，第三格放四粒。。。
國王說明白了，讓我的大臣帶你去領大米吧。結果沒翻多少格就翻不下去了，仔細算下來，
全世界的大米都填不滿那64個格子。這才翻了多少啊就頂不住了。

實際上因為瞬時爆發的核反應產生了高溫（千萬度）高壓（百萬大氣壓），核材料也是
瞬間膨脹，飛散，核材料中只有部分 - 甚至是很少的一部分進行了裂變反應，能量的釋放
也相應的大大少於理論值（美軍在廣島投放的小男孩，是“槍式”設計，爆炸當量~2萬噸
TNT, 造成十萬人死亡，可實際上只有~2%的鈾進行了裂變反應）。 所以核武設計的核心
就是想盡辦法讓已經起爆的鈾（鈈）核壓緊的時間越長越好，提高核材料的利用率。

經過前人不懈的“探索”，最合理，最流行的裂變核武設計是內爆式（Implosion），印度
也是這一選擇。由於找不到印度核爆裝置的圖紙，只能以美國的“胖子”為例，進行分析：


 

內爆鼻祖 --- 美國1945年“胖子”核彈示意圖。

看圖說話---由內向外，核彈組成主要的有兩大部分：

第一部分是最裡面的核心裝置(pit)，包括鈈核（Pu core），中子發生器(neutron initiator)，
金屬鈾238做的阻擋層(tamper)和硼10塑料層。
先說鈈核。鈈的提煉前面說過，由反應堆的乏燃料而來，之後的加工過程還會遇到
一些問題需要解決：

 

首先金屬鈈隨着溫度的不同，材料結構會發生變化，形成不同的相（Phase）。密度
也會不同。核爆的臨界質量一定，密度越大，體積越小，對內爆，中子輸運都有利，
所以理想的選擇是阿爾法相的鈈（圖中最高點）。但是阿爾法鈈的結構不穩定，易碎，
熱壓過程會發生相變（Phase transition），容易開裂，產生裂紋，造成局部的不均勻性。
這一點是核武的大忌，所以只能放棄。經過摸索，解決的辦法是選用摻入3%鎵的
德爾塔鈈（圖中最低點），不論是澆鑄，熱壓的熱加工還是車銑鑽刨磨的機加工都
沒有問題。而且還有另外的好處，鈈有放射性，本身會產生阿爾法衰變，伴隨的
阿爾法衰變熱和其他一些加工，儲運過程的過熱現象都不會引起德爾塔鈈發生相變。
（咱們現在一句話摻入3%鎵，當年可是費了多大的力氣才明白的，要不這方面的
情報那麼值錢呢）

其次鈈還是一種化學上活性很強的金屬，並且劇毒。為了保護鈈，也為了保護操作人員，
鈈的表面必須鍍金或鍍鎳。經過這一系列處理，最後的成品就是壘球大小的鈈核。

 


中子發生器（Neutron Initiator）顧名思義 --- 產生中子，並在最恰當的時刻產生中子。
由於宇宙射線的轟擊，核材料的自發裂變，天然本底里有中子存在，我們當然不希望
核材料達到臨界後靠天吃飯，不知道哪一刻，那一點會開始鏈式反應。而且內爆過程
中鏈式反應發生過早或過晚都會讓效果大打折扣。所以必須設計一個能夠控制的中子源
放在鈈核中心，在內爆的最佳時刻發揮作用，啟動鏈式反應。中子發生器因此應運而生。

第一代的中子發生器是一種稱作“頑童（Urchin）設計”的東西，主要是兩種材料組成：
釙210（polonium-210）， 鈹（beryllium-9）。

釙210是個好東西，劇毒，毒性是氰化物的2000億倍，（去年用鉈下毒的那女的怎麼樣了？）
絕對是殺人滅口的利器，2006年在英國一個克格勃的叛徒就是用它幹掉的，轟動一時。

不過頑童要的是它另一個特點 --- 釙210是釙的放射性同位素，自發衰變產生大量的
阿耳法粒子，而阿耳法粒子和鈹反應會產生中子。33年查德威克就是用釙210轟擊鈹靶
發現了中子。核武研製者受到啟發，先用鈹做一個直徑不到1厘米的小球，表面劃出
很多溝，鍍上鎳，塗上金箔（阻擋阿耳法粒子），然後抹上薄薄的一層釙210。之後
再用鈹做一個同心的“蛋殼”，直徑~2厘米。同樣的步驟處理蛋殼的內面，再把蛋殼
罩在鈹蛋黃的外面。中子發生器就做好了。
頑童的工作原理是這樣的 --- 內爆產生的巨大壓力把鈈核擠到了中心，把蛋殼，蛋黃都
壓碎了，釙，鈹摻混接觸，發生反應產生了中子 --- 任務完成。這裡面的尺寸，重量，
配比，形狀的選取，設計需要通過計算和試驗進行優化，以達到最佳效果（由於釙210的
半衰期只有180天，釙，鈹中子發生器的壽命很短，必須在核爆前現做，造成第一代
核武的使用，儲存非常不便，維護費用也非常昂貴）。

金屬鈾238做的阻擋層在裂變彈里有兩個主要的作用，一個副作用。第一個主要的作用
是利用它的高密度，大質量阻擋，延遲鈈核反應後的膨脹和飛散。計算顯示為達到這個
目的，阻擋層只需要幾厘米，可實際上要厚上幾倍，原因就是第二個主要作用 --- 反射
中子。鈾238和中子的質量比是238：1，所以鈈核泄露的中子散射到鈾238，能量不夠的，
基本像撞牆一樣反射回去（reflection），減少了中子泄露。這樣做的好處就是實現同樣的
爆炸效果，有反射層的鈈核臨界質量減少了~30%！（可以算算省了多少錢）。進一步，
當散射的中子能量足夠高，副作用就出來了，中子不用反射，直接和鈾238裂變反應，
造成的結果很讓人“驚喜”，增加了20%的核爆威力！

阻擋層再往外，包裹的硼塑料主要是為了增加穩定性。硼是很好的中子吸收劑，硼塑料層
可以吸收中子，降低鈈核的中子天然本底。本底中由外界宇宙射線通過反應產生的中子，
硼塑料可以過濾一部分；內在鈈的自發裂變產生的快中子一部分被鈈自身吸收，一部分
逃逸到硼塑料以外的高爆炸藥層，就會被炸藥里的氫原子慢化，反射回來，一出一進，
很好的被硼塑料吸收掉。

第二部分內爆系統(Implosion system)有三部分：
1．    最外層是產生向心衝擊波的“爆炸透鏡”（explosive lens）和起爆裝置（detonator）
2．    中間是加強衝擊波效果的高爆炸藥層（booster explosive）
3．    內層是進一步改善衝擊波性能的鋁質的“推體”（pusher）
此一部分的目的就是產生球面對稱得向心衝擊波。

這裡面最重要的概念是爆炸透鏡。爆炸透鏡的發明，極大的改變了核武的設計思路，
使內爆式成為可能，鈈彈成為可能，後續的熱核武器的出現也成為可能。為此這裡
簡單說兩句提出這一獨創性概念的數學家，馮。紐曼（ Von Neumann）。

 

如果你想給什麼是天才舉例子，提一下馮紐曼，決不會有任何人敢質疑。他其實不僅是
數學家，只要是動腦子的，數理化，文史哲，他樣樣精通。先羅列他曾經做出重要貢獻的
研究領域（看着就眼暈）：
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.

馮紐曼從小就顯示出天才本色，六歲流利使用拉丁語，古希臘語，八歲精通了微積分。
由於他的父親非常反對“少年班”教育，希望他過正常人的生活，使他15歲才正式
學習高等微積分，22歲才拿到博士學位。馮紐曼具有過目不忘的記憶力 - 曾經他的
一位朋友開玩笑，問他雙城記是如何開頭的，馮紐曼沒有一絲遲疑開始背誦，直到
十幾分鐘後他的朋友在目瞪口呆中不得不打斷他。而他的心算能力讓和他共事的
天才們嘆為觀止：
馮紐曼的好友，前面提到的維格納（nobel physics prize laureate）讚嘆：
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，氫彈之父泰勒寫到：
von Neumann effortlessly outdid anybody I ever met, I never could keep up with him。。。
（這話怎麼有些當年葉帥“儕輩跟隨愧望塵”的味道呢）

馮紐曼還是個狂熱分子，這樣的天才自從加入曼哈頓工程，就被武器研發所吸引，
除了參與核彈設計，馮紐曼還負責為美軍推薦核彈的轟炸目標（他挑的第一位是京都），
同時為獲得最大殺傷力，計算出核彈起爆的最佳高度。對於核武的使用，馮紐曼也
從來沒有表示過任何的道德負擔，對於戰後奧本海默不停嘮叨的負罪感，他嘲笑說：

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

戰後馮紐曼不滿意裂變彈的威力，受泰勒的影響，對熱核武器發生興趣，他在泰勒之前
首先對熱核武器進行了理論計算。美軍以他的計算為基礎，進行了實驗，儘管沒有成功，
還是為泰勒幾年後找到正確的方向提供了寶貴的數據。馮紐曼非常反共，積極鼓吹在
蘇聯無還手之力以前儘快使用核武對蘇作戰。也可能是天意，57年熱愛核武的馮紐曼
患癌症去世，而病因與參加核爆試驗受到過度劑量的輻射有關。去世前馮紐曼是美國
洲際導彈的研發負責人，如果他多活幾年，可能就是洲際導彈之父了。


 

 感嘆完天才，回來接着討論爆炸透鏡。如圖所示，每一塊透鏡由兩種炸藥組成：
淺黃色的是高速（燃燒速度）炸藥，深黃色的是低速炸藥，兩種炸藥的界面是拋物面，
如同光學凸透鏡聚焦光線，爆炸透鏡利用兩種炸藥的燃燒速度差，將起爆處（紅色）
產生的外凸型的衝擊波變成內凹的球面衝擊波，以達到向心內爆的要求。

爆炸透鏡說起來容易，做起來難（在理論指導下，美國人在一年內作了2萬次爆炸
試驗才成功， 曾幾次差點放棄）。為了實現儘可能均勻的衝擊波，首先炸藥材料的
顆粒大小要均勻，不同炸藥的摻混也要均勻；摻混後的炸藥不能有裂縫，氣孔，
做成的不同透鏡組密度必須具有高度的一致性；其次球面裝配後的整個配合公差不能
超過0。8毫米。炸藥之間不能有縫隙存在，其中透鏡快，慢炸藥間的拋物線面的
配合一致性尤為重要。

擁有完美的爆炸透鏡之後，下一步就是開發與之匹配的具有高度同時性（synchronization）
的精確起爆裝置。起爆信號從一點發出後，必須在很小誤差內（微秒級）同時到達球面
所有的起爆裝置（美國是32個，中國是256個，印度是12個），起爆後也必須在
很小的誤差範圍內（<1毫秒）炸藥同時開始燃燒。這些要求加在一起，解決的辦法
就是高壓時序電路。高壓電路本身的難點不說，讓人頭痛的是靜電保護，要是靜電
引起了核彈missfire, 那可就SB了。所以各國的保護電路都非常複雜，慎之又慎。
（偏偏印度採用了最不保險的設計，很有勇氣）

爆炸透鏡產生的向心衝擊波，還需要進一步均勻，同時加大能量。中間的高爆炸藥層
內層的鋁質推體就是為此而設置的。高爆炸藥層不用說，鋁質推體解釋一下：當衝擊波
撞擊到鋁表面時，由於鋁相對比較“軟”，可以展平一些不均勻性；鋁和炸藥存在
密度差，會產生反射波，反射波的存在提高了衝擊波身後的背壓，也就加大了衝擊波的
向心壓力。

 


“胖子”組裝剖面圖

這兩大部分的介紹，只是蜻蜓點水，不能充分的體現為研製核武大殺器，
曾經有多少最優秀，最聰明的人廢寢忘食，提出過多少奇思妙想，進行了多少
枯燥繁瑣的試驗，從一次次的失敗走向一次次失敗，挖空心思，嘔心瀝血，
最後成功。用人類的智慧凝聚出了這一非人類的終極武器。

不過從以上簡而又簡的科普大概能體會到，不提能夠實用的核武器，僅僅是核爆裝置
本身的設計，製造，測試以及最終的試驗，有一系列的物理，工程，工藝的問題需要
解決。而解決這些問題所需的資源，能力和決心不是一般的國家能夠具備的，尤其是
幾十年前。在那個年月的時代背景下，發展核武需要有巨大的付出，同時也有巨大的回報。

技術背景介紹完畢，書歸正傳。在蹉跎了多年之後，67年印度核武（應該稱PNE）的
研發終於走上正軌，項目代號“Smiling Buddha”，秘密進行。團隊的總負責人為拉賈，
團隊主要分為兩大部分，分工如下：

1．    BARC(Bhabha atomic research center) Team    
負責人：拉賈（Raja Ramanna）
•    核武系統設計（nuclear system design）         
負責人：Pajagopala Chidambaram，Satinder Kumar Sikka
•    電子起爆系統（Electronic Detonation System）     
負責人：Pranab Rebatiranjan Dastidar, Sekharipuram Narayana Aiyer Seshadri
•    中子發生器（Neutron Initiator）                
負責人：Vasudev K. Iya，T.S. Murthy，C.V. Sundaram
•    鈈核製造（Plutonium Core Fabrication）
            負責人：P.R.Roy
•    系統集成（System Integration）
            負責人：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）
•    高效炸藥內爆系統（High Explosive Implosion System ）
負責人： Nagapattinam Sambasiva Venkatesan（Director of Terminal Ballistics Research Laboratory (TBRL)）
•    起爆設計（Detonator Development Team ）
負責人：Waman Dattatreya Patwardhan at the Explosive Research and Development laboratory (ERDL)
為了保密，據印度官方的報道，從67年開始到74年PNE核爆，核武項目一共只有75位
核科學家，工程師參與（質疑？）。。。在此項目之外，只有3個人知道：英迪拉甘地
和她的兩位秘書。印度的總統，議會，國防部長都被蒙在鼓裡。

印度的PNE項目不斷進步，發展到71年又是一分水嶺：
首先是3月打到9月，在美國的威脅和干預下不得不停止，以印度大勝而告終的
第二次印巴戰爭。這次戰爭巴基斯坦一敗塗地，戰後布托上台，忍辱蒙羞與英迪拉
簽訂停戰協議，宣布東巴獨立為孟加拉以換回10萬戰俘，這種經歷當然很受刺激，
簽字之後布托對巴基斯坦核科學家們宣布：我們就是吃草也要發展核武!
（得，又得開另一個系列，呵呵）

而印度這邊士氣大振，英迪拉的聲望如日中天。印度的軍事勝利，中國的袖手旁觀，
美國赤裸裸的挑釁和恐嚇，都堅定了英迪拉和印度核科學家們把PNE進行到底的決心。

其次反核武的維克去世，取而代之的是核武的堅定支持者塞特納（Homi Sethna）。
塞特納既是出色的科學家也是與人奮鬥的政客，他和拉賈為爭奪領導權一直斗到退休
寫回憶錄。不過對人不對事，對PNE項目一直積極參與，鼎力支持。掌權後為了避免
國際上對印度核武發展的懷疑，把維克建立的導彈，火箭部門從核能部分出去
獨立為航天部。

 


最後PNE項目在拉賈的帶領下，歷盡艱難，到71年核爆裝置的設計和理論計算基本定型。
印度的技術路線遵循了美國的內爆思路，加上了一些印度“特色”：比如爆炸透鏡不是
美國的“足球面”，而是12片“蓮花瓣”。起爆裝置用的是火花塞，中子發生器設計成
蓮花狀，歷時3年才成功。。。

理論不斷發展的同時各種試驗也全面展開，其中比較重要的是驗證鈈核設計的試驗。
為此需要建造脈衝堆以研究瞬時超臨界情況下鈈材料，快裂變，快中子的各種特性。
脈衝堆的思路來自曼哈頓的“龍試驗”（dragon experiment），對於核武的研發，這一實驗
是必不可少的。而印度的脈衝堆技術來自於蘇聯杜布納核試基地，69年立項Purnima
 ( Plutonium Reactor for Neutron Investigation in Multiplying Assemblies)，用所有辛苦積攢的鈈
（~18公斤）製作堆芯，72年3月達到臨界，5月開始進行實驗。通過這個堆進行的
實驗，為核科學家們提供了鈈核設計的寶貴數據。但是這個堆很短命，73年1月拉賈
下令把它拆了 --- 因為需要這個堆里的鈈。

70年鳳凰廠發生嚴重泄漏，全廠停工。清理善後工作嚴重滯後，拖到72年底拉賈
意識到短期內復工是不可能了，鈈材料的獲得出了大問題。為了保證鈈核的製造，
不得不忍痛拆掉立了大功的脈衝堆。

72年在脈衝堆的驗證下核爆裝置設計完畢，金屬鈈的加工製造技術也基本成熟。
9月7日英迪拉參觀BARC，拉賈適時的給領導展示了核爆裝置的模型，英迪拉
當即批准製造核爆裝置並指示準備核爆試驗。73年底核爆裝置製造完畢（主要
是中子發生器拖了後腿），74年2月用核爆裝置進行了最後的兩次試驗：

第一次實驗鈈核部分，要達到臨界來驗證鈈核部分的參數，尤其是臨界條件下中子流的
分布。這種試驗有一定危險性，"tickling the dragon's tail"。這一次很成功，實驗證明推導的
臨界公式完全正確。

第二次是“cold test”，檢驗爆炸透鏡的威力和均勻性。用高密度的重金屬球（某國用鎢）
取代鈈核，其他條件相同進行內爆試驗，結果也很令人滿意。

這時科學家們知道，now it is time for real.

所有的實驗室檢測驗證完畢，人員物資開始向核試驗基地轉移。




早在67年拉賈就選中了位於印巴邊界沙漠裡一個叫伯克蘭（Pokhran）的地方作為核爆
試驗場。伯克蘭原來是陸軍的武器試驗場，不過也有少數平民住着。由於68年聯合國
通過了禁止地上核實驗的條約，為了避免國際輿論的譴責，印度只能進行地下的核爆試驗。
73年5月開始拉賈聯繫駐紮在Jodhpur的61工程兵營前往伯克蘭進行礦道挖掘，當兵的
哪知道拉賈啊，心想你是那根蔥啊，讓大爺給你挖坑？根本不理他。拉賈沒轍，反映到
總理那裡，總理一個電話把西部軍區的軍頭臭罵了一頓。軍頭們立刻下令 --- 工程兵們
被告知為實驗場挖水井。6月份冒着酷暑（地表溫度~70度）顛顛的轟到沙漠裡挖坑，
一直挖到74年1月，“老天開眼”，第一口井出水了！兵爺們正準備收攤呢，命令
又來了，到歷史紀錄證明更乾旱的地方再挖，一定要挖出一個沒水的井！這回從2月
挖到5月12號，新的“乾井”符合了要求。

74年2月萬事俱備，幾位主要的科學家，兩位秘書和英迪拉開碰頭會，做出了進行
核試驗的最終決定。英迪拉問科學家們需要多長時間準備，拉賈回答：3個月。
因此核試驗時間就訂在5月以後。由於印度總統5月初要出訪中美洲，為了不讓總統
受到國際輿論攻擊，核試驗的時間推到總統回國之後。接着核武系統設計的負責人
Pajagopala Chidambaram提到5月中已經訂好他要嫁女，不能更改。印度的結婚可是
重大事件，如果女兒婚禮上，印度著名的核科學家老爹不在，一是對所有親友很不禮貌，
二是可能引起懷疑。綜合各方因素，最後時間定在5月最早的可能時間18日---印度的佛誕節。

5月13日全部組件運到離井口40米，臨時搭建的木板房裡開始組裝，由於沙漠的高溫，
造成組件膨脹，尺寸對不上，第一天裝配失敗。第二天天不亮開始第二次嘗試，出了
一個小事故：吊裝爆炸透鏡時，掉下了一塊100多公斤的透鏡，把科學家們嚇得半死。
大夥戰戰兢兢的忙到夜裡，終於1。5米直徑，總重1400公斤的核爆裝置完成了裝配。
15日清晨放到了井底。科學家下井進行了最後的檢查，確認無任何問題後，入夜前
乾井用水泥和沙子封口。

5月18日萬里無雲。清晨，所有的PNE團隊成員，西部軍區的領導，工兵營的營長
聚集在距井口5公里的觀察室里準備見證印度的這一歷史時刻。此時忐忑，激動的
心情難以用筆墨形容。

核爆時間定在8：00am。但是最後不得不推遲了5分鐘，因為一位工程師對高速照相機
做完最後的檢查後，在往回開的路上吉普拋錨了。派人“營救”他耽誤了時間。

8：05am，拉賈按下了起爆按鈕，遠方沙漠的地平線上瞬時冒出了一個“鼓包”，隨後
塌陷成直徑~50米，深10餘米的“火山口”，伴隨而起的沙塵飛揚，好像沙漠裡點燃了
黃褐色的狼煙，沖天而起。




核爆成功！

WE DID IT!

觀察室內沸騰了，科學家們熱淚盈眶，互相祝賀，印度終於擁有了PNE!
興奮的人群中塞特納首先想到要給總理報告這一大好消息，他第一個拿起觀察室內
臨時架設的電話，撥通了總理秘書的號碼：

忙音？不通？

試了十幾遍，不是不通就是掉線。西部軍區的軍頭此時也回過味來，親自駕車帶着
塞特納來到伯克蘭村，找到村西的公用電話，這時塞特納發現，總理的電話號碼沒帶!
軍頭被這個老九這麼不靠譜激怒了，搶過電話，大聲呼叫接線員，給我接總理！
警惕性高的印度接線員當然不理睬電話那邊瘋子的叫喊，該看報的看報，該喝茶的喝茶。
折騰將近一個小時，將軍的一片赤誠感動了印度大神，在將軍不懈的咆哮下終於某位
客服撐不住了，電話總算接到了首相府，當秘書Dhar那熟悉的聲音響起，塞特納和將軍
激動地對着話筒大喊：

Buddha is smilling!

秘書微微一笑：謝謝二位，十分鐘前已經有人通知我了。。。

二人相視，疑惑不解，回頭向村內望去，只見晨曦中工兵營長那猥瑣的身影從村東的
公用電話亭閃現出來，越來越高大。。。。。。


 
塞特納，兩位秘書陪同英迪拉視察核爆現場