苏联：从原子弹到氢弹

王继新

美国在氢弹发展思路上颇多曲折，但其最终抢占了先机，而苏联在氢弹设计上虽然得到了美国情报，但其在原理设计上大费周章，甚至误入歧途，至今仍有许多争议。今天回过头来看，苏联氢弹设计之路既是一场人类的智力竞赛，也是一场世界情报战历史上的典范。

理论探索

早在1945年苏联就开始探索轻元素聚变能的利用问题。1946年6月在莫斯科的苏联科学院化学物理所的一些理论物理学家，包括康巴涅茨与季亚科夫，在泽利多维奇指导下正式开展轻元素释放核能可能性的理论研究。

1946年，在泽尔托维奇和哈里东的“利用轻元素的核能源”报告中，阐述了苏联研制热核武器的思想。在早期探索之后，来自美国的情报对苏联定下氢弹研制的决心和理论突破都产生了重要作用。1948年3月，苏联从著名核间谍富奇斯处获得了一批美国氢弹发展的重要资料。根据此资料，苏联部长会议作出1989-773号决议，在科学院物理研究所和KB-11设计局分别建立组织，以研究制造氢弹的可能性。

第一个小组在阿尔扎马斯-16核武器设计局组建，由泽尔托维奇领导。1948年6月，苏联部长会议通过决议责成阿尔扎马斯16研究氘与氚混合物的点火与燃烧理论，核实从情报中获得的数据，并开始研制氢弹的试验装置，代号叫PDC-6，并要求苏联物理所参加进来。苏联开始探索的氢弹模型叫“管子”，基本思想是用一个威力很大的裂变爆炸装置去点燃液氘圆柱。泽尔托维奇计划将液态氘放在裂变物质和球形弹药的引爆弹药之间的环形层内。但后来计算结果显示，氘的温度和密度不足以产生热核反应。“管子”模型牵涉到复杂的物理过程，要迅速对其可行性作出判断超出了当时的计算条件和能力，因为苏联到1953年才有第1台国产电子计算机“箭”（每秒2000次运算）。从“管子”模型的构成和原理可以看出，这条途径实际上受到美国“经典超级”思想的影响。

另一个小组是库尔恰托夫组织的理论小组，负责氢弹理论研究。1948年6月物理所成立了特别小组，由塔姆领导，成员有别列尼克与萨哈罗夫，后来金兹堡与罗曼诺夫很快加入了这个组。一开始给这个组规定的任务是核实与改进泽利多维奇组关于氘的核爆轰计算。但不久，到了9-10月，萨哈罗夫提出了自己的方案：由轻物质（氘、氚及它们的混合物）与重物质（铀）组成的非均匀结构，叫做“夹层饼”模型。即以铀膜环绕热核燃料，其中铀重核止住轻核的飞散，为热核反应创造有利条件。这个构型又被称作单级氢弹，实际上就是在原子弹外包裹了热核材料，利用原子弹爆炸产生的冲击波压缩热核材料，并利用爆炸产生的能量来点燃热核材料。原子弹爆炸后的主要能量是由x射线的方式释放，但由于热核材料的原子序数低，对x射线的不透明度很小，因此能量利用效率很低。为此在热核材料外加入铀，以吸收x射线再释放，并兼做推层，提高能量利用效率。热核反应释放出的高能中子还能使铀产生裂变，进一步提高了核武器的威力。

为了降低热核武器的点火温度，同时减少昂贵的氚材料使用量，1949年3月，金兹堡提出“夹层饼”中用便宜的氘化锂6作热核材料主装药。原子弹爆炸产生的裂变中子与锂核反应可以产生氚，随后氘氚发生聚变释能。这一建议对热核武器研制具有重大意义：除简化结构外，更重要的是锂6放射中子时形成了氚，而氘和氚混合物的热核反应的临界温度比氚核热核反应的临界温度要低。当时他还不知道氘一氚反应截面，在他知道了这个数据后，又在同年9月发表氘化锂6-铀系统中的爆燃波报告，认为夹层饼“是在实际中唯一值得考虑的系统”。氘化锂6由于是固体化合物，无需低温贮存，所以在以后的氧弹研制中，尽管泽尔托维奇的“管子”（PDC-6T）和萨哈罗夫的“夹层饼”（PDC-6c）两套方案平行并进，但“夹层饼”由于其实际可行而更受重视。1950年2月，苏联最终决定开始研制氢弹试验装置，其中PDC-6c被选为优先项目，要求爆炸当量达到1兆吨，重量小于5吨。

情报的作用

按照西方观点，无论苏联的原子弹计划还是氢弹发展似乎都与美国的核武器计划纠缠不清。而与氢弹发展关系最为紧密的当属富奇斯间谍案。

富奇斯1911年出生于德国，很早就加入德国共产党。由于曾和纳粹起过激烈冲突，成了盖世太保的目标，为了保命，他于1933年逃到英国。过了数年，他在英国布里斯托大学获得博士学位，指导教授是诺贝尔奖得主莫特。二战爆发后，富奇斯成为英国公民，同时被网罗参与英国核能“埃诺尔莫兹”计划；这时他开始为苏联传送情报，因为他认定“西方国家故意放任纳粹德国与苏联互打至死”，所以毫不犹疑地将机密泄给苏联。1944年夏天，富奇斯又成了英国参与“曼哈顿计划”的代表团成员，派驻美国洛斯阿拉莫斯国家实验室。洛斯阿拉莫斯国家实验室一共有来自美国和欧洲的12名诺贝尔物理学奖获得者参加了第一枚原子弹的研制。在洛斯阿拉莫斯实验室，富奇斯把美国研制原子弹的有关情报不断地报告给苏联。在苏联首枚核弹爆炸后，美国联邦调查局截获了苏联人民内务委员会纽约分部的部分电报，发现了富奇斯这只大“鼹鼠”，并立即通报英国方面。英国军情五处立即将富奇斯逮捕，1950年，他被判处监禁。1959年富奇斯被释放。他拒绝了重新进行核武器研究的工作，而是选择到东德从事教育工作。1988年，富奇斯离世。“苏联原子弹之父”库尔恰托夫评价道：“富奇斯的情报使我们在许多方面进行了革命性的思考和重新计划，使我们在极短的时间内解决了许多重要的问题。”

1947年9月底，富奇斯报告说，美国芝加哥大学的专家费米和泰勒正在研制更具毁灭性的武器——氢弹，并说明了其构造原理。这让苏联领导人意识到未来将面对比原子弹威力更大的武器，于是，在斯大林的直接命令下立即启动了这方面的研究。富奇斯的报告称：费米和泰勒于1946年初就已经确认了“超级炸弹”的可行性，并提到了需要使用氚。实际上，泰勒和费米最早于1941年就讨论了制造热核武器的可能性。1946年4月，泰勒在洛斯阿拉莫斯实验室主持召开了一次会议，回顾了二战期间关于热核武器的理论研究成果，形成了“超级炸弹”的经典构型，富奇斯参加了这次会议。1948年3月，富奇斯再次向苏联提供了“超级炸弹”的详细情报。情报中给出了“超级炸弹”经典构型的结构图：热核装药是液体氘-氚混合物，构型为一个管子，而且没有分级结构。这一情报最有价值的部分是提到了热核装料需要高压缩比，但没有说该如何实现这种压缩，因为此时美国人也还在研究中。富奇斯提到的可能途径包括用常规炸药压缩（如同原子弹起爆那样）和利用辐射内爆。辐射内爆是指利用原子弹爆炸产生的x射线辐射传能来压缩材料，这个概念是富奇斯和冯诺依曼于1946年最早想出来的。因此，早在1948年苏联人就已经通过富奇斯知道了辐射内爆这一可能的途径，但是他们一直没有能够从物理上理解这一原理的重要性——实际上美国人也是到1951年才认识到的。此外富奇斯的情报还提供了一些热核反应的截面数据。

从目前俄罗斯方面的解密信息来看，苏联的氢弹计划从开始的确得到了情报工作的帮助，但是在以后的发展中情报工作似乎只起到了反作用，反而阻碍了苏联首先实现氢弹理论的突破。1950年3月，美国总统杜鲁门下令全速研制“超级炸弹”，但到当年底美国科学家就已经发现经典构型是不可行的。而苏联人当时并不知道这一点，泽尔托维奇小组仍在经典构型上继续探索。而与此同时，美国人在1951年3月发现了乌拉姆一泰勒构型，取得了氢弹理论的重大突破。而苏联科学家从富奇斯手中弄到的那份资料曾让美国人进入过死胡同。由泽利多维奇领导的小组仅为检查这份错误百出的资料就浪费了6年时光。此外，苏联情报部门还提供过一份关于丹麦物理学家、现代物理学创始人之一尼尔斯·珀尔认为“超级炸弹”根本不现实的资料。但都没有引起苏联人的重视。因此俄罗斯历史学者坚持认为，苏联氢弹是在其科学家自主基础上发展的，美国情报并没发挥决定性的作用。

苏联人的方案

实际上，对于氢弹，苏联科学家有自己的一套想法，只是要把这套想法的前景证明给已经被来自美国氢弹情报先入为主的斯大林和贝利亚很不容易，且要冒大风险。但苏联人还是通过自己的聪明才智克服了种种障碍，从情报歧途中挣扎了出来，这中间关键的人物就是以后被称为苏联氢弹之父的萨哈罗夫，萨哈罗夫起初只是泽利多维奇小组里的一名普通工作人员。1949年，其提出了“分层”设想，使用铀作为有效的核材料，而在生产武器级钚的过程中铀向来被看作垃圾。假如用这类“废料”轰击能量含量10倍于裂变中子的热核聚变中子的话，每获得1000吨当量能量的代价可减少许多倍。热核燃料离子化收缩现象是苏联第一颗氢弹的理论基础，这种收缩现象至今仍被称为“萨（萨哈罗夫）化现象”。而苏联物理学家金兹堡提出的锂氘化合物作为热核燃料的想法也直接超越了美国科学家。

在研究美国情报久拖不决的情况下，苏联最终决定重新考量美国人的思路。1950年初，贝利亚担任主席的专门委员会做出了一个关于加速工作的决定，即按照萨哈罗夫的结构加紧研制100万吨当量的氢弹，并且把氢弹试验的时间定为1954年。1949年3月，苏联科学院物理研究所确定了用氘化锂6作热核燃料的最终设计方案，即PDC-6C“夹层饼”方案。

在第一颗原子弹试验成功以后，库尔恰托夫根本不允许他研究所的助手们松懈下来，只休息了一个星期就把工作重点转向了聚变弹的研究。这项研究很快就成了头等重要的任务。其中，萨哈罗夫善于钻研，建立了全新的研究思路，实验严谨，很快就进入了方案设计。

在研制氢弹的过程中，苏联把加强原子弹的威力、提高裂变材料的利用率、提高裂变温度、裂变材料混用的方法和比例等问题的解决放在前面，并且与完善原子弹相结合。这样，比较好地克服了改进原子弹与研究氢弹争人力、财力的冲突，能使原子弹及时装备部队，又能顺利地研究、解决氢弹研制中的各种问题。苏联很早就把研究聚变材料的重点放在了氘化锂6上，没有像美国人那样在氘、氚气体的处理上花费太多的时间，因此相关问题的解决就比较顺利。

苏联科学家们在研究轻原子核反应机理时发现：人类最有希望利用的聚变反应的固体物质只有锂，但是，锂参加聚变反应需要很高的温度，难于达到。裂变弹研制成功以后，科学家们进一步发现：原子弹可以创造所需的高温条件，它在反应时放出的中子还可与锂反应生出氚来。有了氚，聚变反应就能顺利进行。对于增加爆炸释放的能量来讲，利用锂6是最理想的。在氘化锂6中，再加入装有中子源的裂变材料，很多问题就解决了：裂变材料的爆炸不但提供了压缩氘和锂6所需的能量，使氘和锂6达到更高的温度和密度，还提供了大量中子与锂6作用生成氚，氚与氘发生聚变，形成了良好的造氚循环。在氢弹的爆炸过程中，随时造氚，就地使用，无需冷藏，没有放射性废物，速度和效率极高，既科学又经济。造出的氚与氘反应，放出大量能量，使温度急剧升高，在极高的温度下，氘和锂6直接进行聚变反应，释放能量。由此可见，利用氘化锂6做热核材料真是一举多得，轻而易举地实现了氘、氚和氘、锂6两种释放能量最多的聚变反应，而且可以达到很高的利用率。氘化锂6在获取上比较容易，动用的人力和财力不是很大。所以，苏联氢弹的研究工作进展既快又没有引起外界的关注，悄悄地进行着。

氢弹试验

苏联对研制氢弹可谓全力以赴。无论是斯大林逝世还是逮捕贝利亚，都未能阻止这项工作的继续。在初期理论突破后，苏联于1951年2月决定开始大规模研制热核武器。为了验证氢弹理论研究成果，苏联于1951年9月、10月进行了两次原子弹爆炸试验。第一次为地爆，威力约2.5万吨TNT当量，裂变装料是钚。第二次为空爆，威力约5万吨TNT当量，裂变装料是铀和钚的高效混合弹芯。在试验中证实了裂变引爆聚变装料的理论依据，解决了不少具体的技术问题，尤其是解决裂变弹与聚变弹之间的环节，即用一层一层的裂变反应连续释放出巨大的能量，使部分氘化锂6装料产生瞬间聚变反应，提高爆炸威力达1/3以上。

1951年5月，美国代号为“乔治”的核试验首次实现了热核反应，验证了辐射内爆原理的可行。1952年11月，美国首个采用泰勒一乌拉姆构型制造的分级氢弹装置“迈克”爆炸成功。但当时美国没有公开此次试验的当量数据，苏联也没有对美国在太平洋核试验的落尘进行放化分析，因此并不知道这次核试验的真实威力和装药、结构。苏联人以为美国人的氢弹也是用“夹层饼”结构实现的。为此苏联人加快了氢弹试验步伐。

1953年6月，苏联科学家完成了PDC-6c试验装置的研制与装配。1953年8月12日，苏联在今哈萨克斯坦东北部城市塞米巴拉金斯克的一处靶场上进行了首次氢弹试验。这是苏联进行的第4次核试验。这颗代号为PDC-6c的氢弹爆炸当量高达40万吨TNT威力，是美国或苏联第一颗原子弹威力的20倍。与美国“迈克”不同，这是一枚采用固体氘化锂6而不是液态氘一氚的所谓“干”式氢弹，因此可以说此时的苏联氢弹发展相比美国而言实现了跨越，走在了美国人的前面。萨哈罗夫也因PDC-6c的爆炸成功而被称作苏联的氢弹之父。试验成功以后，苏联杰出的核物理学家、第一颗原子弹研制工作的组织者和领导者、时年50岁的苏联科学院院士库尔恰托夫，对年仅32岁的青年物理学家萨哈罗夫毕恭毕敬地说：“多亏你，你是苏联的救星！”

极限的追求

氢弹试验后，美国马上采集到了苏联进行氢弹试验的空气样品，通过对落尘放化分析，美国原子能委员会确认苏联爆炸的是一个“热核装置”。由于这颗氢弹的威力比较小，美国人仍看不起，认为它只能勉强算是热核装置，当量比他们的大裂变弹还小，仅有“迈克”的1/30。

虽然苏联的氢弹威力远小于美国的氢弹，但对华盛顿造成的震动一点也不亚于第一颗原子弹造成的震动。一是这颗弹使用固态的氘化锂6，实用性能优于美国的巨型弹，二是氘化锂6金属材料的来源广泛、经济、稳定、不带放射性，易于运输、保管，明显优于以液态氘、氚混合物作为聚变材料的“迈克”，这使美国人有了强烈的危机意识。美国空军要求“要在最早而又切实的时间内取得投掷热核武器的能力”。而苏联方面则决定尽快提高热核武器的威力。到1953年底，苏联人决定放弃“管子”构型，集中精力研究改进型“夹层饼”。然而，由于单级氢弹固有缺陷，当量最多只能提高到1兆吨，仍然远远低于美国的氢弹。由于原理的局限，苏联人在大威力武器化的氢弹研制上再次落后于美国，而且他们也意识到单纯通过改进“夹层饼”的思路是无法达到美国人的水准的。尽管在1954年1月，泽尔托维奇和萨哈罗夫等人已提出了两级氢弹构型的设想，但苏联一直没有意识到辐射内爆这一他们早就知道的原理是通向其赶超美国的可行途径。

1954年的3、4月间（美国“强盗”试验之后），苏联人终于发现辐射内爆（萨哈罗夫称之为“第三设想”才是氢弹的真正关键。这实际就是美国人采用的泰勒一乌拉姆构型，这一构型的氢弹物理过程比原子弹复杂得多，由雷管起爆到核爆终结，涉及一系列复杂物理过程。这需要非常复杂的计算才能验证是否可行——首先是物理上可行，然后是工程上可行。而且这种计算量太大，需要计算机，无论是当年的美国，还是以后的中国、法国都利用了计算机工具来验证这一过程，而苏联仅凭手动计算机来实现这一计算过程的可能性微乎其微，但苏联人最终实现了这一目标，甚至至今仍有人怀疑，苏联人还是通过间谍手段实现这一过程的。这个验证和继续探索“第三设想”的过程足足花了苏联人一年多时间。随后从完成理论设计到制造并试验成功核装置只花了半年。从1954年3-4月苏联人“发现”辐射内爆到1955年6月完成两级氢弹试验装置PDC-37的理论方案，以及同年11月22日爆炸成功，前后共花了19个月时间。作为对比，美国从1951年5月的乔治试验确认辐射内爆原理的可行性到1952年11月“迈克”试验成功花了18个月。而中国于敏小组从1965年11-12月突破氢弹原理方案到1966年12月首次氢弹原理试验也只花了一年。法国从1967年9月经英国指点确认辐射内爆，到1968年8月第一颗氢弹试验成功花了11个月。相比之下，苏联的速度显得有些慢了，可见苏联人在这一阶段的艰难程度。

所谓“第三设想”结构实际就是热核和核部件与战斗弹药在物理上要彼此分开，利用核爆炸的放射对热核燃料进行预热和压缩。在“第三设想”基础上研制的第一颗热核炸弹PDC-37于1955年11-月22日试验成功。当时利用图16飞机在塞米巴拉金斯克靶场上空投下这颗设计威力高达360万吨当量的氢弹。这颗氢弹的破坏半径竟达350千米，试验期间有人伤亡，塞米巴拉金斯克城也遭到一定破坏。而美国直到1956年5月21日才进行了同类试验。

到1958年，苏联在核试验次数和弹头最大威力方面仍落后美国。核试验次数，苏联共进行了70次，美国进行了160次：核弹头威力，苏联最大爆炸威力不足1000万吨，美国却达到1500万吨，这促使苏联加快研制超大威力的氢弹。为了适应赫鲁晓夫“核威慑”的需要，苏联在分析了以往核试验的经验和设计资料的基础上，先研制了一个上亿吨当量的核弹，后因没有有效运载的手段付诸试验而作罢。尔后又改进，研制出了一个所谓的“大伊万”氢弹。它的设计威力约为5800万吨TNT威力，弹体总质量达26吨。要保证这么重的炸弹试验成功并不容易，为确保飞机投弹以后驾驶员的安全，设计局还特意为它制作了一个面积1600平方米的巨型降落伞。

1961年10月30日上午，已经装好“大伊万”炸弹的图95飞机，从距试验场1000千米以外的摩尔曼斯克市的奥列尼亚机场起飞。11时，飞机到达新地岛以东的喀拉海上空，投下“大伊万”。“大伊万”在距海面约4000米的高度上爆炸。试验场的负责人库德里亚夫采夫描述到：“一道强烈的闪光，留给人们的感觉是比100万个太阳还亮，尽管人们距爆炸点有250千米远，大家的眼睛还是感到一种强烈的刺激，就像在大火炉旁边一样灼热。与此同时，舰艇、陆地、图-95、图-16A、伊尔-14飞机之间的无线电联系全中断了，1小时后才得以恢复，电磁扰动3次传遍地球。彤红的蘑菇云腾空升至70千米的高空，然后随风飘向北方。”这是世界上爆炸威力最大的一次核试验。

世纪争论

虽然苏联早已全面掌握了氢弹技术，但是关于苏联人的氢弹启蒙至今仍争论不休。1952年有人撰文认为，由于泰勒一乌拉姆构型过于复杂，因此其只能是人类历史上的“偶然”发现，而这种偶然让苏联人短时间内再次遭遇几乎是不可能的，但是泰勒本人则不这样认为，他认为泰勒-乌拉姆构型是对各种已经提出来的想法的进一步研究的必然结果，因此泰勒怀疑富奇斯可能早已把辐射内爆原理告诉了苏联人，而苏联人完全可能在1951年泰勒-乌拉姆构型提出之前就已经找到了类似的构型。如果苏联能将富奇斯的情报更早更广泛地公开，让更多的苏联科研人员讨论，苏联人完全有可能在美国人之前制定出泰勒一乌拉姆构型方案。

实际上，虽然苏联在1953年12月放弃以“经典超级”构型为原型的“管子”工作，但在美国1950年底肯定“经典超级”这条路走不通时，富奇斯已离开洛斯·阿拉莫斯，所以苏联人不可能从富奇斯这里知道“经典超级”后来被否定的情况。

在PDC-6C试验后，美国科学家贝特和费米等分析讨论过这次试验结果，认为它只是一个用一层铀和一层氘化锂交替放置的、与美国“闹钟”设计一样的、用炸药压缩的单级装置。1982年5月，贝特在接受采访时指出，这次试验装置不是真正的氢弹，因为热核燃料燃烧指标没达到，它只是一个“大的助爆裂变弹”。根据苏联人后来提供的情况，这次试验的威力为40万吨，单级，用了相当多的氚、聚变份额15%-20%，重5吨。如果以氢弹设计的三要素：原理、材料与构型来分析，苏联这次试验只有材料——氘化锂是符合标准的，而其原理与构型都与后来的“真正”氢弹不一样。应该说1954年3月美国进行的“强盗”大威力氢弹试验使苏联科学家意识到还存在更有效的设计氢弹的技术途径，这促成了“第三设想”结构方案的出现。虽然直到“第三设想”方案时，苏联人才真正掌握氢弹技术，但从这点可以看出，苏联发现氢弹秘密是独立的。

[编辑/旭日]