科学的代价:恶魔之核的诞生

作者:胖瓜来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-28

核物理探索史上的一桩著名悲剧和教训。

1945年,美国在日本投下两颗原子弹,迫使日本无条件投降!洛斯阿拉莫斯国家实验室作为原子弹研究的关键部门,不仅获得了荣誉,还获得了一颗战争期间制造没有被使用的“金属球”。

这颗金属球外貌平平无奇,直径89毫米,重量也不大,只有6.2公斤重。但它的构成可不简单,是由钚和镓合成,这两种元素都是核反应所需的关键材料。面对这样一颗貌不惊人的无价之宝,科学家们又怎么会置之不理呢?他们一直进行着对它的研究,但就在日本投降后的第6天(8月21日),一场灾难般的意外事故,给这颗小球带来了一个可怕的绰号——“恶魔之核”。

当晚,实验室的物理学家哈里·达格利恩(Harry Daghlian)正在独自加班。同事们都已经回家了,整个实验室里空荡荡,只有三四米外的办公桌前坐着一个29岁、身强力壮的保安人员。

达格利恩

达格利恩(Wikipedia)

如同往常一样,达格利恩正在进行一个临界核试验。他将碳化钨堆叠起来,在那颗昂贵金属球的周围构建起一道阻碍,使得中子流回金属球的核心。这个操作是非常精细的:假如中子流全部被反射回核心,那么就会突破临界值,导致核反应。达格利恩当然不想要在自己的面前构建一个核反应。他只想要研究临界值的实验,因此,他要小心地控制住“反射板”碳化钨,要注意留出一个小空隙,不要让中子流全部回流。

达格利恩实验的还原图


达格利恩实验的还原图,要在金属球旁边搭建碳化钨块(Wikipedia)

然而,就是这样一个他进行了上百次的实验,这次出现了意外。他无意中将一小块碳化钨放在了金属球的核心之上,填补了原本需要留下的那个空隙,顿时,大量中子瞬间就涌向了核心,易举地便超过了临界值,发出了大量的辐射。尽管达格利恩即刻收手,但还是受到了超过致死量的核辐射,25天后,因为急性辐射病逝世。这位前途光明的物理学家年仅24岁。而一旁坐着什么也没干,甚至连发生了什么都不太清楚的那位保安人员罗伯特·亨默里(Robert Hemmerly),也在事故发生33年后(1978年),死于急性髓性白血病。人们一般认为,他的急性髓性白血病,是当年那场辐射事故带来的远期危害,他死的时候也只有62岁。

达格利恩手上的烧伤和水疱

事故发生后,达格利恩手上的烧伤和水疱(Wikipedia)

这样的意外,被统称为临界事故,是因为核反应堆中大量粒子碰撞,发生链式反应导致功率失常激增所引起的。虽然临界事故危害较大,但是它一般达不到原子弹的设计条件,因此不会引发核爆炸,只会造成附近人员的伤亡。

达格利恩的死并不是故事的结局,他勇敢无畏的同事们也没有因此而停下对恶魔之核的探索,同时,恶魔之核也在等待着下一个受害者的出现。

在后来的实验中,为了进行临界研究,科学家们采用了另一种方法;不再使用碳化钨小块来堆叠,而是专门设计了两个半球形的铍质中子反射器。和上面的实验一样,实验者同样需要在反射器上留出一些空隙,防止意外的发生。也就是说,两个半球形的反射器不能完全闭合,实验者要用一个垫片将两块半球分开。然而,物理学家路易斯·斯罗廷(Louis Slotin)却有不一样的做法。他认为垫片的操作麻烦,会影响实验,因此他不采用垫片,只用手里握着的螺丝刀来分开两个铍半球。

斯罗廷

斯罗廷(Wikipedia)

斯罗廷是一个颇有名望的物理学家,曾经在十几个场合进行了这项临界实验的演示,经常穿着他那标志性的蓝色牛仔裤和牛仔靴。据报道,斯罗廷的危险操作引起了不少人的强烈质疑,甚至有人告诉他,如果他继续这样干,他将“在一年之内死亡”。

斯罗廷实验的还原图


斯罗廷实验的还原图,用一只螺丝刀撬开半球反射器(Wikipedia)

但这是什么时候?这是二战刚结束的那个年代,科学家们也可能随时被派往前线送死的年代,人们对实验室安全操作条例这样的东西还不熟悉。不少物理学家比如居里夫人就死于辐射,他们就是这样玩着命在做实验。大名鼎鼎的物理学家费曼曾经说过,不少科学家们甚至津津乐道这种“虎尾瘙痒”的玩命生活,认为这是对科学热情的体现。

在达格利恩的悲剧事故发生的仅仅九个月后,也就是1946年5月21日,那个“在一年之内死亡”的预言不幸成真。在当日的演示实验中,斯罗廷只不过是手滑了一下,将手中的螺丝刀往外滑了不到三厘米,但就这样的一个小错误,便让两个铍半球相贴合在了一起。这一刻,金属球立马接受了大量的中子反射,核心超过临界值,释放出大量的核辐射,斯罗廷的皮肤上闪过了一道蓝色的光芒和一股热浪,他反应迅猛地扭动手腕将顶壳掀翻在地,这个过程可能只持续了不到半秒钟。

实验室

斯罗廷事故发生时,实验室内各人的位置,最近的斯罗廷挡住了大部分辐射(Wikipedia)

但尽管接触辐射的时间只有半秒钟,斯罗廷还是接受了超过致死量的辐射,事故发生的第九天因为急性辐射病而去世,年仅35岁。当时在场观看实验的还有三个物理学家、一个学生、一个工程师、一个摄影师和一个警卫,由于斯罗廷的身体挡住了大部分的辐射,他们当时勉强逃过一劫。但是,19年后其中一个物理学家爱德华死于急性髓性白血病,29年后摄影师史密斯杨死于再生障碍性贫血,这都很有可能是那场事故导致的;另外的几位物理学家和工程师则比较幸运,寿命也都比较长;而那位学生在事故后拒绝参加任何研究并转行成为了一名律师,在2001年因不相关的疾病逝世。一个拿不稳螺丝刀的小意外,竟然改变了那么多人的命运。

在两次如此致命的事故之后,恶魔之核终于被融化销毁。但它的诞生却在物理学史乃至人类史上留下了重重的一笔。在原子能的发展历程中,自1945年来,类似的临界事故曾经发生过60次,导致了至少21人的死亡,而恶魔之核是其中威力最大、影响最深远的。唯一让人庆幸的是,这两起事故的实验者都反应迅速,能够忍着瞬间的炙热和剧痛将反射器打翻,否则,假如核反应继续放大,恶魔之核的死亡名单可能还要加长许多。

不幸物理学家的合影

两位不幸物理学家的合影,达格利恩(左二)和斯罗廷(右二),摄于1945年7月16日美国陆军的核试验(Wikipedia)。

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