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50年紀念!再現中國氫彈研製的重要時刻,于敏鄧稼先立下的功勛

50年紀念!再現中國氫彈研製的重要時刻,于敏鄧稼先立下的功勛

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50年前的1967年6月17日,第一顆氫彈爆炸成功。

成功地爆炸第一顆氫彈現場圖片(左)及人民日報的喜報(右)

今天,中華讀書報推送親歷者談氫彈研製過程的文章,再現氫彈研製過程中的一個重要時刻,以紀念50年前的壯舉,並向參與氫彈研製的功勛們表達欽仰之情。

受訪人

蔡少輝(1933-),廣東梅州人。1955年中山大學物理系畢業。1965年秋參加突破氫彈原理「上海百日會戰」時擔任九院理論部科研室副主任。

張鎖春(1940年-),江蘇丹陽人。1963年復旦大學數學系畢業。參加突破氫彈原理「上海百日會戰」的后階段會戰,參與「切片程序」的研製和計算,承擔「氫彈原理試驗模型」和「氫彈試驗模型」的最後定案模型的計算任務。

吳翔(1935-2015),江蘇省常熟市。1957年畢業於北京大學物理系,1960年調入二機部北京九所,參加氫彈原理理論計算,1966年12月參加氫彈原理試驗。

採訪整理

百萬噸級彈頭優化設計仼務

蔡少輝:1965年的夏天,北京天氣很熱。

8月27日,(二機部第九研究設計院)理論部召開全體人員大會,理論部領導適時調整了突破氫彈的途徑和步伐,決定在確保主力11室和12室繼續進行理論探索的前提下,決定把明年進行的小規模加強型爆炸試驗的設計任務交給了1室,並把打算在後年進行的百萬噸級氫航彈熱試驗用的彈頭優化設計任務交給了我們13室。會上鄧稼先和幾位副主任在講話中一致要求我們在國慶節前趕赴上海華東計算技術研究所,以便利用該所國慶假日期間空出的全部機時,集中突擊計算,用當時已經掌握的加強型原理,配以可能取得的最好的核材料為後盾,完成口徑指定、重達數噸、當量百萬噸級的氫航彈優化設計任務。這就是當時被戲稱為「老原理、新應用」的一項突擊任務。說白一點,就是要我們用加強型原理,靠拼材料、拼個頭、拼重量的辦法,優化設計一顆飛機載得動的百萬噸級熱核彈頭。

理論部大會結束以後,13室領導當即決定:除書記吳中祥、副主任徐錫申(他主管狀態方程和輻射平均自由程兩個小組)留守北京外,由室主任兼副書記孫和生(主管炸藥爆轟和流體力學兩個小組)、副主任蔡少輝(主管核反應后物理小組)和剛從南京大學計算數學系調來的副主任彭清泉(主管核反應後計算數學小組),率4個與武器設計直接有關小組的科研人員和為數不多的科研輔助人員,抓緊時間準備於9月底前往上海。我們13室一共一百二十來人,除了一部分人參加「四清」運動外,剩下的五十幾個人都到上海去了。

13室各組接到通知以後,都在抓緊做好出發前的準備工作。核反應后物理組與數學組安排了陳輔之、謝國強等人對當時理論部用於研製加強型反應后的常用計算軟體做了一番調查,並從程序的物理建模、基本假設,到數學推導和差分格式以及與之配套的物理參數等都做了一次徹底的清理。我們除了請彭桓武、黃祖洽、于敏、秦元勛等專家給大家講了他們個人對加強型模型的看法外,還請了1室、12室從事過加強型理論設計的經驗較豐富的年輕人鄒志高、高飛給大家傳授經驗。此外,副組長孟昭利還根據幾位部主任的意見準備了一批到上海計算的模型。實踐表明這些準備工作對我們這次會戰取得決定性勝利起了重要的保證作用。

于敏首功——氫彈設計原理誕生

張鎖春:1965年9月23日,組長吳翔帶領我們蒙特卡洛小分隊四人(雷光耀、胡錦、張鎖春、鄭玉珍)到達上海華東計算所「五班」(九院理論部在華東計算所工作時對外代號),已見到13室先遣小分隊的人在緊張地準備上計算機使用的計算程序,估計他們至少比我們要早到一天,這就是上海「百日會戰」的起始點。

蔡少輝:得益於出差前周密的準備,我很快便從程序的物理假設和方程中查明,造成程序計算中系統中子數不守恆的原因。10月5日我與彭清泉一起主持研究程序改編工作。考慮到當時計算任務緊迫,決定在原來理論部532程序的基礎上作局部修改。葉光立、劉金棟等人在很短的時間內先後完成了1301、1302程序的編製工作,解決了程序計算中的中子數不守恆問題。

與此同時,加強型模型的優化設計工作則按核反應前、後分工,在幾個組長的組織下,有序地進行著。反應后物理小組人員,在副組長孟昭利的帶領下,按選材不同劃分成兩個題目組,分別由陳輔之、張鈞主持,對模型進行優化設計。他們時而匯聚在一起溝通、討論,時而又分頭探索。由於當時計算機的穩定性很差,每次算題除計算員、程序員必需在場之外,還需要有物理專業人員陪伴,以便及時發現和解決問題。因此全體物理和數學專業人員以及科研輔助人員一起混合編組排班,夜以繼日地輪番到機房算題。每去一次機房,大家便抱回一大堆紙帶卷。留在辦公室的人員便忙著畫圖、登記、分析、討論,並準備下一批要算的模型。在強烈的使命感鼓舞下,大家熱情高漲,幹勁沖天,很快就算出了一批模型。從結果看,它們離理論部領導對我們這次出差的要求並不遠,只要加入少許貴重材料,威力就可以提高到100萬噸(而不是像後來某些報道所說的那樣,「威力總上不去,已經很重了,當量只有幾十萬噸」)。但是這批模型的聚變份額都很低,這表明其中的熱核材料並沒有充分燃燒。不過大家對此並沒有太深究。或許是由於當時受到對加強型原理不被看好的思想所影響吧。

面對這批計算結果,于敏並不感到意外。事實上早在原子能研究所輕核理論組進行氫彈應用基礎研究時,就曾經對原子彈中加入聚變材料的加強型原子彈進行過探索。不過那時是在缺乏必要的原子彈知識情況下進行的。當時就發現在加強型原子彈中,聚變材料雖然能起到加強原子彈威力的作用,但由於加強型中聚變材料燃燒不充分,這種加強作用是不充分的。這次于敏受理論部主任會議的委託,率領大家到上海出差,就是要研究如何把加強型原理與現實的原子彈配合起來,完成加強型裝置優化設計任務。于敏有一個特點,不論做什麼事情,要麼不做,要做,就絕不敷衍了事,一定要全力以赴,做得最好。

在上海出差的日日夜夜,于敏總是親自深入計算機房,埋頭於輸出紙帶卷中仔細分析計算結果。為了找出問題所在,繼續前進,他從眾多的計算模型中挑出三個用不同核材料設計的模型,進行深入細緻的系統分析。考慮到與他一起出差的年輕人涉足氫彈探索時間不長,大都缺乏氫彈的基本知識和科研的實踐經驗。為了在工作中提高他們的水平,也為了找出問題所在,于敏決定把他過去4年在原子能研究所探索氫彈機理時積累下來的物理知識,結合眼前加強型優化設計的實踐給大家做了系列報告。

張鎖春:國慶節后的一天,我帶蒙特卡洛組的同事去接班時,還未進入機房的門,突然聽到13室的人在機房裡大叫起來,說是發現了「新大陸」,得到一個意想不到的威力高達300多萬噸的新結果,大家都為此很高興、很興奮!究竟是怎麼達到的?需要作進一步的深入分析。經過分析,查找發現「新大陸」的原因時,竟然是負責計算模型數據準備的「小鬼」劉玉蘭把物理參數填錯了,出現不符合實際的計算結果。但這一錯誤不要緊,卻給科研人員有了意外的提醒,要獲得威力高的氫彈一個最重要的因素是提高輕核材料的密度,設計氫彈應該走高密度這條路。

蔡少輝:10月13日,于敏開始了他在上海持續兩周的一系列報告。通過這樣的學術報告,使大家對加強型的熱核爆震階段和尾燃階段的中子-氚的循環和增殖、粒子能量沉積、火球傳播與激波形成等過程有了深刻的認識。也正是通過這一系列報告,于敏進一步理清了頭緒,通過分析,發現加強型內中子造氚過程太慢。他在報告中明確指出,正是由於加強型內中子-氚循環過程趕不上彈體解體過程,從而導致在這批加強型的熱核爆震階段中,「火球內的能量釋放率比不過能量損耗率,差了幾倍!」 在如此巨大的赤字壓力下,火球的溫度只能每況愈下。于敏說,要擺脫這一困境,「要麼設法減慢火球傳播速度,要麼提高能量釋放率……。」

在他的指導下,大家一邊學著動手分析更多的模型,一邊繼續嘗試改進設計。然而,情況並沒有很大改觀。有人試著人為地提高熱核材料的密度,結果卻十分誘人。顯然,大幅度地提高熱核材料密度是一個關鍵!

于敏問:「你們能辦到嗎?」在場的眾人目光刷的一下轉向搞炸藥爆轟和流體力學的同事們身上。這引來流體力學粗估強手徐華生的一句話:「這麼高的密度要靠炸藥是絕對辦不到的!」是的,要實現如此高的壓縮度,單靠提高炸藥能量利用率的辦法是絕對辦不到的。

于敏緊緊抓住了問題的關鍵,開始了新的思考。怎麼辦?要靠原子能!加強型中的原子彈的能量難道沒有用上嗎?此前人們曾指望原子彈起爆后就能給聚變材料創造自持燃燒所需要的高溫、高密度條件,如今情況並非如此,問題出在哪兒?經過深入細緻分析,問題終於明朗化了。原來在加強型中,原子彈爆炸后出現許多物理因素,有的起好作用,有的起破壞作用。限於彈體的構型,它們不可能很好地配合。如何選用性能合適的材料,採取什麼樣的構型,才能促進起好作用的物理因素,抑制起破壞作用的物理因素?于敏又陷入苦苦的思索之中。

時值深秋,正是上海嘉定縣公社稻子開鐮收割時節,空氣中處處瀰漫著清新的稻穀香。晚飯後,只要工作允許,「五班」的同志總喜歡三三兩兩結伴在田間小道上走走,以尋求難得的短暫身心放鬆。10月29日星期五,我和于敏晚飯後在附近田間小道上散步。當我們談到應如何創造條件讓熱核材料充分燃燒時,于敏直截了當地指出,加強型的構型不利於熱核材料的壓縮和燃燒。他詳細地給我談了他的看法,我被他的嶄新思維所吸引,也被他所列舉的無可辯駁的論據所折服。我說:「那我們馬上就動手干吧?」于敏說:「先算兩個模型看看,一個比較理想一點,另一個比較接近實際。」顯然,這是他經過深思熟慮后想要走的關鍵兩步。那天晚上我們談得很晚,一陣陣秋風襲來,使人感到一些寒意,我們便加快步伐往回走。回到辦公室,我立即找孫和生談起于敏的想法,他十分支持。當即便去和孟昭利一起商量。

在當時情況下,按照于敏的想法,先驗證原子彈能量壓縮是否能使聚變材料自持燃燒。採用模擬原子彈能量通過某種機制瞬間作用在「次級」身上,而通過改變計算模型的外邊界條件的辦法來實現,為此準備了兩個模型。

11月1日晚上,華東計算技術研究所J501機房,在柔和的燈光下,計算組組長湯敏君撥弄著計算機操作台上的鍵鈕,檯面上的小氖燈在歡快地閃爍著。我和孟昭利蹲在機房地板上忙著查閱紙帶卷,檢查輸入、輸出數據是否有差錯。于敏在一旁拿著計算尺和鉛筆不時地在算點什麼又寫點什麼。計算機在忠實地執行著主人的指令,它時而發出美妙的旋律,時而又發出數值求解疊代過程中所特有的沉重循環喘息聲。湯敏君說:「你們聽,現在到了最難闖的階段了,能量方程老疊代不出來,得趕緊縮小時間步長!」只見她又在操作台上撥弄幾下,漸漸地機器又奏出流暢的韻律,人們在喜出望外地交換臉色。紙帶卷上緩緩地輸出令人興奮的數字,一切都是那麼振奮人心!最後的結果正如于敏所料。興奮之餘,臨時又加算了一個材料比例不同的模型,結果也不壞。隔天,另一個模型的計算也取得了完美的結果。至此,兩類共三個模型的計算結果表明,只要能駕馭原子彈的能量,我們就能設計出百萬噸級的氫彈了!

11月5日,華東計算技術研究所主樓五層東側大教室里,13室全體出差人員安靜地圍坐在大黑板前。我簡略地介紹了上述兩類三個模型的計算結果和特點,黑板上列出的數據立即引起台下一片熱烈的議論。

在眾人殷切的目光期待下,于敏登上講台給大家做學術報告。本來在報告開始時,大多數人只是抱著對於敏的設想感到新奇,對計算結果感到意外前來聽講的。隨著報告的深入,大家終於被他那深入淺出的語言,嚴密的邏輯思維,無懈可擊的推理和充分的論據,從原理、材料、構形三要素把大家帶進了氫彈王國,氫彈的「牛鼻子」終於被揪住了!這時會場上一片歡騰,群情激昂,氣氛非常熱烈。

當時孫和生便把我們在上海的室領導、小組長找來和于敏一起開會研究,一、決定加強型的優化設計是上級布置的任務,不能怠慢,必須繼續抓緊完成;二、立即組織力量成立一個新原理的研究小組,抽調物理組的於慶祥、周雲翔、張天樹、虞錦嵐四人和我一起(加強型優化工作到12月份基本完成後,又抽調了黃書科、陳雲堯、陳貴凡、陳繼祖等參加)配合于敏另闢一條突破氫彈原理的技術途徑;立即著手啟動大型計算機程序1303的編製工作,以適應探索新原理的需要。上述決定隨後由於敏用保密電話向北京做了彙報,並得到認可。

鄧稼先三下上海

蔡少輝:11月8日,理論部主任鄧稼先在獲悉上海取得新發現后便立即從北京趕赴上海。他除了詳細地聽取了于敏有關新原理的彙報外,作為另一手準備,他還十分滿意兩個月來大家在加強型優化設計工作中取得的進展。然後他把我們在上海最早計算的三個理想模型和一個最新模型的計算結果一起帶回北京。留在上海的同志則繼續深入研究氫彈原理。12月中旬,留守北京的13副室主任徐錫申根據上海的需求,派了物態方程組的李茂生和余冠儒兩人趕到上海,幫助我們用上較為嚴格的狀態方程。此時加強型的優化設計工作已進入初步總結階段。

吳翔:我是12室3組組長,主要搞蒙特卡洛計算方法的。我們自己起個外號叫「蒙得快樂」組,別人開玩笑說「你們盡蒙人」。

在上海「百日會戰」期間,我們「蒙得快樂」組的大多數人配合13室的同志參加了突破氫彈原理的計算。我先帶了「蒙卡小分隊」幾個人到上海華東計算所算模型,當時華東所的J501機運算能達到每秒五萬次。

張鎖春:1965年11月8日,鄧稼先在北京聽到上海工作有突破性進展的好消息后,立即乘飛機抵達上海,親自聽取于敏的介紹。于敏又進一步提出如何使熱核材料「點燃」的想法,要實現300萬噸級氫彈,所需壓縮能量要達千噸級梯恩梯當量,必須利用原子彈的能量才能實現。于敏從物質的輻射自由程分析,可以創造條件利用原子彈的輻射能量來達到上述目標。那麼怎樣引導原子彈輻射能的傳輸呢?就是將原子彈「初級」能量通進含有熱核材料的球層結構體的「次級」中,必須要有球、柱相結合的二維計算程序,可是理論部沒有一個能用於計算的二維計算程序。再加上當時使用的計算機的內存和速度水平都有限,上不了二維程序,大家手上摸索物理規律只有一維球對稱計算程序,怎麼辦呢?

鄧稼先(左)和于敏(右)一起討論工作。

要算,當然就是我們蒙卡小分隊算呀!蒙卡組組長吳翔負責物理方面的工作;副組長雷光耀、胡錦和我三個人搞數學,負責編製程序和上機;鄭玉珍負責輔助計算方面的工作。吳翔本人不會編程序上機計算,他只負責計算結果的分析。當時,儘管于敏和吳翔私人關係好,也不可能于敏說給一個模型,我們就能為他計算。因為一是涉及跨室任務的計算,我們是12室,于敏管13室;二是誰分配給我們計算機上機計算的時間呀?實際上是于敏給鄧稼先打電話,讓鄧稼先來上海聽取他在上海獲得的最新結果、最新發現以後,由鄧稼先親自給我們下達計算任務。

蒙特卡洛方法的最大優點就在於不受空間維數和幾何形狀複雜的限制。於是鄧稼先到上海后立即給我們蒙卡小組下達一個緊急任務,要求在1至2個星期的時間內編製出一個新的蒙卡(MC)程序,來回答第一個急需要回答的問題,即輻射能量能不能過來的問題。

這裡講一個花絮。鄧稼先這次來上海急得給我們下達任務,要求在半個月內編出一個新程序出來,並要計算出結果。於是我們趁機敲他的「竹杠」,提出兩個條件:一是把你身上帶的「中華牌」香煙拿出來給大家每人抽一支;二是到離華東計算所門口不遠的「澄橋」小吃店,請我們每人吃一碗「餛飩」。鄧稼先很快滿足了我們兩個條件,因此大家不得不為老鄧「賣命」。我們四位數學的同志玩命干,齊心協力,日夜苦戰,程序編製、修改、檢查、試通、計算。

吳翔:鄧稼先下達仼務以後,我就安排下面的人編程序,去算。我們組五個人,我是搞物理的,他們四個人搞數學。程序編完以後拿到J501機器上算。那時候算題很辛苦,機器要人陪著,要現場看著,為什麼呢?計算數據過一段時間就自動存到磁鼓去了,就把前面的衝掉了。如果你這裡出了問題的話,前面都白算,沒有了。因為搞物理只有我一個,搞數學還有三四個人,他們可以輪班干,一人8個小時,8個小時輪一次班,我則一天到晚待在機房裡頭。結果連續算了三天三夜,這個東西就是抓不住,好像「瓶子」裡頭東西漏了一樣,怎麼也抓不住。不對啊!要不是于敏的想法錯了,要不就是我們計算出了問題?我是傾向於計算出了問題。然後就把那個計算停了,回來叫搞數學的同志仔細檢查程序,我說這可能出問題了。最後查出來有一個同志把一個比較搞反了,應該是往右走的,結果往左走了。這一下壞了,這個「瓶子」就漏了。問題查出來以後馬上就改,改起來很方便,一會兒就改完了。程序改進以後再接著算,三個小時就算完了,結果出來的數據很好。程序雖然是二次通過的,僅僅過了17天,終於在11月25日交出計算結果。

張鎖春:1965年11月25日,鄧稼先在這個月中第二次來到上海,他不僅詳細地聽取于敏新原理的彙報,而且聽取了加強型優化設計工作中所取得的進展,同時聽取了「509」程序計算結果的彙報。

當鄧稼先知道這一好消息后,立即鼓勵我們要再接再厲,一鼓作氣,馬上又布置一個新任務:要求在一個月內再編製出另一個新程序,稱為「519」程序,第一次形象地稱「空瓶子」程序。第二次的任務是要放低密度的物質進行計算,要求我們一個月之內算出來,為了抓緊時間及時完成任務,特地從北京調來搞物理的張國平、何春仁;搞數學的楊明倫、趙金林四個人來加強力量。經過奮戰,這次幹得比「509」程序更漂亮,程序一次通過。12月25日交出計算結果,及時地解決了這一關鍵問題。

12月24日鄧稼先第三次來到上海。12月25日我們蒙卡組就向鄧稼先交出「519」程序計算的結果。鄧稼先大為高興,心中更有底了。他又進一步向蒙卡組提出編製「使物質能流動起來」的新程序的要求。鄧稼先年底來上海是來「摘桃子」的,伸手要具體結果。一手是向于敏要突破氫彈原理的新方案;另一手問13室的孟昭利要加強型裝置的優化設計方案。孟昭利向鄧稼先彙報,到目前為止,設計出的模型最大威力是83萬噸。鄧稼先說:「能否再加大一點,爭取100萬噸?」孟昭利說:「可以試試」,馬上設計一個模型,當晚上機,在機房中一起看計算結果,數據很好,大家興奮得一宿未睡覺,鄧稼先的貼身警衛王曉雲就站在機房外作保衛也一宿未眠。老鄧指示抓緊時間整理好數據,他要帶到青海221廠去開會彙報。

12月26日,鄧稼先滿意地飛回北京。他到上海市區利用等飛機的間隙時間,用保密電話給在青海221廠的劉西堯副部長掛了電話,告訴新的氫彈理論方案已在計算機上驗證可行了,要求立即付諸實施。

鄧稼先走後,12月28日,于敏帶著上海的計算結果與13室孫和生主任,吳翔組長一起回到北京。鄧稼先立即在理論部圖書館大廳組織彙報會。于敏作了氫彈原理的總體報告,吳翔作了氫彈引爆方案的論證報告。他們的報告得到理論部領導的肯定,並很快向上級部門作了彙報。我們13室的部分同志在上海一直工作到1966年1月4日才返回北京,前前後後在上海連續奮戰100個晝夜,這就是後來者稱的「上海突破氫彈原理一百天」,或稱為「百日會戰」。

吳翔:說實話,我們的理論計算比美國當年的計算能力強。你知道嗎,美國做核試驗時,為什麼做的次數那麼多,就是因為理論上算的不太准,所以他們必須要不斷試驗后才清楚。蘇聯那個時候的理論計算比美國好,但比起來還差一點。所以,核武器研製過程中做的核試驗次數,在中、美、蘇三個國家裡頭是最少的。為什麼最少,就是因為我們理論上計算得比較准,試驗做出來差不多嘛,甚至有的試驗可以不再做了。

張鎖春:那時我們還不能使用機器彙編語言編程,全靠手編指令完成。編程工作是十分艱辛的。在大家廢寢忘食、夜以繼日的努力下,根據任務需要,新程序及時投入使用,其速度即使按現在的標準也是驚人的。應該說,如果不是有這麼一支上下一致、團結協作、不計個人得失、一心為祖國爭光,為人爭氣、全身心投入的科技隊伍的話,是不可能辦到的。

侯藝兵對氫彈研製親歷者的採訪已整理成《親歷者說「氫彈研製」》一書,該書納入「20世紀科學口述史」叢書,即將由湖南教育出版社出版發行。

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