原子弹往事：核临界事故(3)

尹瑞涛

斯洛廷得到的奖章。上方环绕的文字为“曼哈顿计划”，中间为字母“A”，下方为“炸弹”，底部为洛斯·阿拉莫斯实验室

离开洛斯·阿拉莫斯

因在“曼哈顿计划”中做出的贡献，路易斯·斯洛廷收到了两枚小小的圆的、由铅和银制成的纪念奖章。它们中间刻有一个占主导地位的大写的“A”，上下分别刻着“曼哈顿计划”（Manhattan Project）和“炸弹”（BOMB）的文字。1945年8月日本投降后，斯洛廷终于向家人讲述了他战时的职业。斯洛廷的父亲了解到他儿子在原子弹研究中的角色时非常震惊，斯洛廷对父亲的回应是“我们必须赶在德国人之前得到它”。他的家人回忆说，尽管他看上去对这个项目很热心，但他对自己所做的事情感到有些不安。斯洛廷的密友菲利普·莫里森回忆起他们两人经常谈论战争与和平。

1946年3月，斯洛廷给芝加哥大学放射生物学和生物物理学研究所的雷蒙德·E·泽克尔教授写了一封信，信中他揭示了自己所面临的困境：“我参与了海军的测试，这让我很反感。我不得不这样做的原因是，我是留在这里的少数几个有经验的核弹组装人员之一。”

铍制球壳反射钚核裂变中子示意图

1940 年代洛斯·阿拉莫斯实验室的主门

1946年，在获得美国国籍后，斯洛廷被安排前往马绍尔群岛参加7月1日在比基尼环礁举行的“十字路口行动”核试验。之后，他计划在当年秋天回到芝加哥大学，恢复和平时期对生物物理学和放射生物学的研究。

斯洛廷做核试验的目的

1946年，尽管二战结束了，可是对核武器的研制来说，也仅仅迈出了第一步。所以，参加了曼哈顿计划工作的一些科学家对核武器的研究并没有停止。

原子弹的小型化和高爆性是科学家追求的目标，而弹药的临界质量是最重要的参数之一。原子弹的原理就是利用高浓度的铀、钚等核素在达到临界质量，利用中子点火，极短时间发生核链式裂变、释放出大量的核能。临界质量（临界体积）是一个变数，与材料的种类、浓度、温度、压强、几何形状、中子反射屏蔽等等因素有关。如果忽略临界质量这一参数，一味地增加药量，则核材料的利用效率太低，也违背研制原子弹的小型化和高爆性的初衷。

斯洛廷所做的实验就是在更多因素确定的情况下，测试钚临界质量与铍制半球壳（一种中子反射物料，能够使钚核中的中子密度达到触发核链式反应的水平）反射中子的关系。比如，铍制半球壳全部用来反射中子时，对逃逸的中子反射能力最强，如果在铍制半球不完全反射中子的情况下，链式反应还能够发生，说明钚核素的临界质量还有减小的空间。斯洛廷就是通过实验找出钚核素能够发生链式反应的最小临界质量。当然原子弹的创新改进计算数据在先，但是最重要的环节还是实验。

斯洛廷事故发生的地点，代号TA-18-0001

雷默·施赖伯组装了“胖子”原子弹的钚核心，1946年他领导了“十字路口行动”核试验钚核心装配小组

影视剧复现实验过程的场景

在实验室里，斯洛廷被同事公认是一个实验专家，在很多次实验里，他都是穿着标志性的蓝色牛仔裤和牛仔靴子。尽管当时在临界实验的远程操作控制方面已经做了一些工作，但这些装置还没有完全达到可以进行临界组装研究任务的程度，因此，还必须继续进行手动实验。他在实验方案中很鲁莽，他会在没有加必要的垫片的情况下进行临界性测试，以防止球体完全关闭。他徒手抓住上半个球体，只用平头螺丝刀的刀身将其降下，这样他就可以接近临界点，他成功地完成了20多次实验。

斯洛廷参与的这些实验也并非没有危险，他的同事哈里·达格利安就死于临界组装实验。当时也在洛斯·阿拉莫斯的諾贝尔物理学家得主恩里科·费米警告斯洛廷，如果他继续进行临界实验，一年后他就会死。此时，斯洛廷已经从奥托·弗里希手中接过了临界组装小组的领导权。

临界事故的背景

1946年5月21日，星期二，天气晴朗，就像在洛斯·阿拉莫斯的大多数日子一样。当天上午，包括斯洛廷在内的几名科学家参加了在帕哈里托基地举行的一个小组领导会议，该基地距离洛斯·阿拉莫斯3英里。当会议结束的时候，来访者被带到了各个实验室参观。参观的地方包括边远实验室，在主体建筑的南边就是斯洛廷所在的小组的实验室，这个小组由雷默·E·施赖伯博士领导。实验室是一间光秃秃的粉刷成白色的房间，长12.2米，宽8米，靠近房间中心有一张金属桌子，靠近出口匝道的东面墙边有一个柜台，还有稀疏的、不引人注意的临界装配实验设备。

中午，斯洛廷与朋友兼同事菲利普·莫里森在第18技术区（TA-18）的Chili Con Carne餐厅共进午餐。

施赖伯和他23岁的助手西奥多·P·帕尔曼当天吃完午饭后去了帕哈里托实验基地，进行“十字路口行动”用的起爆器和活性材料的现场检查。他们携带了5个起爆器装在3个特殊的船运箱中，斯洛廷在当天上午已经安排好了3个钚核心。

他们大约在13：30到达，在钚核心的旁边放了倍增测量仪，从那天早上开始一直在运行中。由于在临界实验中使用的放射源干扰了他们的现场检查测量，他们等了一个小时才开始工作。后来发现在早上的测量中，一个铍壳被意外地漏掉了，所以必须部分重复进行倍增测量。

14：30左右，施赖伯和帕尔曼开始对AU-18起爆器进行计数。与此同时，阿尔文·库什曼·格雷夫斯进来了，他是一名物理学博士，他和斯洛廷呆在一起。施赖伯和帕尔曼大约在下午15：15完成了计数，施赖伯戴上了橡胶手套然后开始把起爆器从箱子里拿出来检查。与此同时，格雷夫斯和斯洛廷讨论了临界装配工作。斯洛廷离开后，格雷夫斯就会接管他的这项工作，这是格雷夫斯从未见过的实验。斯洛廷说：“我现在向你演示一下如何？”格雷夫斯表示同意。因为他要离开了，斯洛廷希望这是他最后一次做这个实验。

实验现场还原

现场的一些设备仪器

实验复原的演示人员在做准备

斯洛廷在临界实验过程中使用的放射源所发出的中子不会影响施赖伯的检查，所以斯洛廷就开始了他的实验。施赖伯在认真检查起爆器，每隔一段时间环顾四周，以下是他的观察结果。

铍反射球放在房间里靠近北端的一张矮钢桌上的。斯洛廷站在面向南面的桌子前，格雷夫斯站在他身后的右边，他轻轻地挪动了一下身子向前倾，想看得更清楚一些。实验室的成员马里恩·爱德华·西斯利基在格雷夫斯后面左边停了下来。施赖伯和他的助手帕尔曼一起在房间东侧大约4.6米远的长台边忙于自己的工作，面朝外面，帕尔曼仍然俯身在柜台上。房间里还有几个人：斯坦利·艾伦·克莱恩、德怀特·史密斯·杨，以及实验室的保安帕特里克·克利里。他们站在操作台周围，距离不一，看着斯洛廷在中间的桌子上做实验。

斯洛廷工作的桌子上装有各种探测器，一些操作計数器和其它驱动埃斯特林·安格斯记录器。这些都是在组装开始前都已经测试过的。克莱思和西斯利基正在运行这些仪器，以便提供明确的信息。

临界实验装置

实验配置如下：它包括一个镀镍的钚核，重约5.9千克，像一块灰色的金属卷曲的石头。它是3枚原子弹中的一枚的爆炸核心，这3枚原子弹将被运到南太平洋的马绍尔群岛比基尼环礁参加“十字路口行动”核试验。钚核心放在下部的铍制半壳里，钚核心镀有一层镍，这能防止污染和α射线的逸出。这些钚核异常温暖，但触摸它们本身无害。铍是一种能反射逃逸中子的金属，能将中子反射回到活性金属中以保持裂变反应。下部的铍制球壳直径33厘米，有一个匹配的铍制上半球壳，半径为23厘米，壳上有一个孔，通过这个孔可以缓慢移动。实验中要把两块铍制半球壳套在钚核心的外面。两块铍制半球壳用于逃逸中子的反射，把这些中子反射回去，去再次撞击钚核引发链式裂变。中子数目少时，难以撞击到钚核。当然，上半球壳永远不允许接触下半球壳，否则将立即达到临界状态。为了防止这种情况发生，两半球之间被放置了两个垫片，来阻挡上部铍半球与下部铍半球完全接触闭合。然而，为了接近临界状态，斯洛廷必须移除这些垫片，并使用螺丝刀作为楔子，用手将球体操纵到接近临界状态。

实验的技术要点是把这个上半球壳逐渐降下，直到它几乎接触到下半球壳。当反射球壳包围核心时，它们会越来越多地反弹泄露的中子。所以在某一点上，钚核内可裂变用的中子总数会稍微超过逃逸的中子数。一个缓慢的、可控的链式反应就启动了，就像汽车的发动机空转一样，可以推动到更高的速度，但是非常危险。如果这两个半球壳相距不到3毫米，那么就会瞬间达到超临界状态，一种快速、不受控制的反应“快速爆发”就会接踵而至。需要说明的是，这不会发生核爆炸，因为在产生热量后，这些部件会膨胀，变得不那么致密，因此又会恢复到次临界状态。裂变核心要变成炸弹，它的组成部分就必须以某种方式拼合在一起足够长时间而不会膨胀。但在一毫秒内，将会释放出大量的自由中子流，伽马射线和β射线，以及一股热浪。

临界事故的发生

斯洛廷用左手翘起的大拇指插进孔中，用张开的手指抓住上半球壳，像一个左撇子拿着保龄球一样。上半球壳的一侧靠在底部半球壳上，另一侧放在一把螺丝刀的刀杆上，并用右手握着螺丝刀顶住上半球壳以维持上下两个铍半球壳间的空隙（改变半球壳的角度，从而调节反射面积的大小）。螺丝刀的刀身仍能把这两个部分保持在3毫米以上的间隙。当盖革计数器不停地响时，他上下摇动着螺丝刀来回转动，使外壳在斜面上逐渐向下，更靠近下部的外壳。使用螺丝刀操作并不是实验计划的标准规定，本身就是违规操作。

中空半球中间的小球就是钚核心

装置俯视图

斯洛廷扣住中间的孔，拿起铍制上半球壳

斯洛廷用一只螺丝刀撬开半球反射器

上下半球壳接触

斯洛廷绘制的事故发生时在场的8人所在的位置

影视剧还原发生事故后的慌乱场景

施赖伯以为斯洛廷的实验要达到临界状态会比较慢，所以就继续研究起爆器，想着当中子倍增测量仪指到某个关键的值时，再转身去看。大约50年后他这样描述了这起事故：“斯洛廷所做的是把一个铍半球放在位于下部的铍半球上，用螺丝刀把它们分开。这种方式的目的是把它降低到一个很小的间隙直到装置达到临界状态，然后就可以在那一点上阻止它。他可以摇动螺丝刀使反应成倍增长或停止。但是螺丝刀滑了。两个铍半球完全合上了，这使它迅速达到超临界状态。它被钚核心和铍的膨胀所阻止，但它足以发射出致命的放射性物质。”

斯洛廷继续通过空隙操纵着半球，使装置以缓慢的速度接近临界质量，就像试飞员拉紧飞机性能的外部极限一样。观察者们既能听到，也能看到这一场景。斯洛廷操作时，辐射计数器和记录仪都已经打开，格雷夫斯站在他的身后观察各个步骤。当装置接近临界状态时，盖革计数器探测到的伽马辐射就会增加，盖革计数器的跳变速度更快，中子监测仪在一卷纸上用红墨水绘出辐射增加的曲线。

15：20，施赖伯被一些突然躁动的声音惊扰，同时格雷夫斯听到螺丝刀刀杆从缝隙中抽出时的咔嗒声，斯洛廷右手的螺丝刀滑落，向外滑了不到3厘米，左手掌握著的上半球壳迅速下落与下半球贴合在一起套住了钚核心，钚核心立马接受了大量的中子发射，系统瞬间达到临界，引起临界反应并释放出一股硬性辐射。

在一毫秒内，一道蓝色的光围绕着这个装置，盖革计数器的指针不停地盘旋颤抖;中子监测器的红色墨水线迅速上升：房间里的人感到一股热浪袭来。斯洛廷嘴里感觉到一股酸味，左手感到被烧伤的剧痛。在接下来的几毫秒里，斯洛廷移动他的左手，把铍壳从桌上拉起掀掉在地板上。时间仍然是15：20，但是他的命运却发生了剧变。“好吧，我死定了！”斯洛廷对自己说。“多希望这是一场噩梦！”他想。但不幸的是，事实并非如他所想。物理学家现在知道，在斯洛廷和任何人的反应能起作用之前，链式反应事实上已经结束了，是被热膨胀制止的。但他的行为仍然是有纪律的，本能地做当时他认为必要的事情：拆开装配阻止链式反应。他的身体就站在那里，掩护着格雷夫斯，这无疑救了他。另外一些人，虽然当时没人知道怎么采取措施，但都已经远离致命辐射的范围。

房间布置及临界事故发生时每个人距离临界装置的位置

斯洛廷的同事雷默·施赖伯（Raemer Schreiber）后来回忆说：“尽管房间窗户光照充足，头顶的灯照明良好，蓝色的闪光在房间里仍然清晰可见。闪光主要集中在上部半球的孔周围和两球间隙周围。斯洛廷的左手拿着上半球，完全处于发光区。总计闪光的持续时间不会超过十分之几秒。斯洛廷反应很快，他把外壳扔掉了。时间大约是下午3点20。”充满屋子的蓝光是因为放射性物质激发了空气中的电子，这些电子释放出高能光子，闪耀出蓝色的光芒。在场的所有人都受到了强烈的辐射，主要是核反应产生的中子和γ射线。

蓝光发出的那一瞬间，屋子里的人惊声大ⅡU，他们争先恐后地跑出门口。事故发生几秒钟后，只有斯洛廷、格雷夫斯和施赖伯留在房间里。斯洛廷尝试在靠近钚核心的各种物品上使用辐射探测器检测放射性——毛刷、空可口可乐瓶、锤子和卷尺，以推测出每个人身上的辐射量。但事实证明，由于探测器本身受到严重污染，很难获得准确的读数。随后，斯洛廷、格雷夫斯和施赖伯三人都立即跑到走廊。帕哈里托的机械师沃特在他们离开后打算关上外门。他被警告不要进去，也不要在附近呆太久。

斯洛廷、格雷夫斯和施赖伯跟着帕尔曼到了主实验室大楼。斯洛廷叫了辆救护车，当他们静静地等待救护车的时候，他画了一张草图，上面显示了事故发生的那一刻在场的每个人的大致位置，以便医生们能够确定在场的每个人所受的辐射程度。在斯洛廷的建议下，施赖伯拿着辐射计返回到刚才发生事故的实验室。施赖伯把一些胶片剂量仪贴在反射器上，他还带了瓦特表。房间是相当热，仪表在装置附近满刻度运行，所以施赖伯没有多逗留，他拿了斯洛廷和他自己的夹克衫离开了。

斯洛廷又打了一个电话给他的朋友和同事菲利普·莫里森。莫里森后来回忆说，“斯洛廷告诉我，我们出了事故，装置达到了临界状态，你最好赶过来。我已经打电话给医院了。有一束蓝色的光芒。”莫里森立刻知道情况很糟糕。

致命的辐射

据后来的测算，在不到一秒钟的时间里，裂变反应的总数约为3万亿次，比第一颗原子弹小100万倍，但仍足以发出一次明显的放射性爆发。斯洛廷遭受到了一股约2 100雷姆（或21希沃特）剂量的中子、γ射线和X射线辐射，这至少相当于致死剂量的两倍。唯一能与之相类比的情况就是在切尔诺贝利核事故发生后就站在核反应堆旁边。据测算，斯洛廷所受的辐射剂量相等于在原子弹爆炸时距弹1463米时所受的辐射量。在场的其他人分别受到了360、250、160、110、65、47和37雷姆的辐射。

斯洛廷一离开实验室就呕吐，这是一种人体受强度极高的离子化辐射所产生的普遍征状。当斯洛廷坐在路旁等汽车来送他们到医院去的时候，他镇静地对身边的也是受到严重辐射的伙伴阿尔文·格雷弗斯说：“你会完全恢复健康的，而我是一点希望也没有了。”斯洛廷的同事将他紧急送院，但由于受辐照剂量过大，辐射已对他造成无可挽回的伤害。由洛斯·阿拉莫斯国家实验室公布的报告中这样描述他的病情“就像受到了三维晒伤（身体内部也受到了严重的辐射伤害）”。

斯洛廷实验室内的中子计数器记录带后来也被置之不顾了，从记录带上看到那条细红线已经上升到测量的上限了。由此可见，这灾难性时刻的辐射是如此的强烈，以致于仪表都不能继续进行记录了。

洛斯·阿拉莫斯医院

不到一小时，这8个人就被安置在洛斯·阿拉莫斯医院的3个相邻的病房里。

在他们安顿下来的时候，来自这个项目的辐射生物学家和物理学家包括菲利普·莫里森在内，正赶往实验室做测量，他们尝试对事故进行复杂的学术重建，寻找线索，探究到底是哪种射线和亚原子粒子击中了这些人，击中了哪里，强度是多大，用了多长时间。当时还没有一套转换规则可以将这些剂量转化为生理学效应。

斯洛廷刚进医院时的手

斯洛廷纪念碑的碑文

在医院里的一段时间，护士们四下忙碌着给他们测量体温、采集血液。她们从这些人的口袋里拿出硬币、领带夹、皮带扣、戒指、手表以及其它任何金属物品，通过测量它们的诱发放射性可以为测量剂量寻找另一个线索。

斯洛廷在救护车上呕吐过一次。格雷夫斯还没有表现出症状，他在不停地怀疑，“它真的变得临界了吗？”“情况有多糟？”“我要开始呕吐了吗？”他们被单独留下时，斯洛廷对他说：“阿尔文，对不起，我把你牵扯进来了。恐怕我活下去的机会不到五十分之一。我希望你能更好。”

下午六点左右，一名辐射生物学家赖特·兰厄姆博士来到病房，他把护士们收集的金属物品都捡起来。9个月前他从哈里·达格利安那里收集了一堆类似的物品，后来斯洛廷帮他做一些辐射分析方面的数学计算。

不久之后，莫里森在从帕哈里托实验室回来的路上顺道赶未了，他和斯洛廷谈论了剂量。在某种意义上来讲，这是他们当时唯一可以谈论的话题，因为急性放射病没有解药，即使到了现在也没有，斯洛廷能够存活的希望十分渺茫。

当天晚上六点半，也就是事故发生后3小时，斯洛廷的左手又胖发红。穿过铍壳的拇指麻木而刺痛，它的指甲床是黑色的，后来变得越来越痛。这是一只最接近钚核心的手，科学家后来估计它已经接收到超过15000雷姆的低能量X射线辐射。

到星期三下午，也就是事故發生24小时后，斯洛廷的左手一直肿胀，皮肤看起来好像要破了，右手也肿了。斯洛廷的下腹在临界装置正对面，也开始变红。其它方面他感觉很好，看起来很高兴，并且已经停止呕吐，他看上去好像恢复了，就像九个月前达格利安的状况一样。因为一个有机体的细胞是强壮的，即使受到这样的损伤，它也会恢复起来，并能持久直到它们必须复制自己。到了星期三晚上，斯洛廷左手拇指形成了一个巨大的、肿得很厉害的水泡。

到了星期四，在手掌上和所有的手指之间更多的水泡形成了，像饼干一样大，左臂、右手和前臂的一部分也肿了。因为在事故发生的一毫秒内，两双手都被蓝色光芒包围，它们简直就像被“煮熟了”。星期四晚上有一个化学家、物理学家和生物学家参加的会议，他们认为斯洛廷受到的剂量大约是达格利安的4倍。为了拯救斯洛廷，物理系的学生们拿着铅笔继续计算了3天时间。

星期四也是军方就此次事故召开新闻发布会的日子，因为洛斯·阿拉莫斯仍然是一个军队哨所。为了防止公众对核辐射歇斯底里，他们和达格利安事故发生后一样，发布了一份含糊其辞的声明：发生事故的实验室的相关技术人员目前状况良好。

星期四，由于发表了一份公开声明，斯洛廷也被允许与家人联系。他的父母于星期六中午抵达洛斯·阿拉莫斯医院，斯洛廷仍处于明显的潜伏期。

事故发生后的第五天，斯洛廷的白细胞数量暴跌，白细胞——血液中的救生员——已经停止自我繁殖并且都快死了。

随后，斯洛廷很快进入了类似中毒的状态：打个不恰当的比方，他就像是曾被放在微波炉里。他的身体正在溶解成原生质的碎片。

5月28日，星期二，控制其正常凝血的血液中的血小板骤然下降，之后身体各部分功能完全崩溃，到了星期三他已经神志不清了。到了傍晚，他已经昏迷了。

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

[编辑/何懿]