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亲历者说氢弹研制上海“百日会战”

来源:新华月报2017-11-07 作者:整理 侯艺兵

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邓稼先(左)和于敏(右)一起讨论工作

50年前,中国第一颗氢弹爆炸成功。今天刊出此文,再现氢弹研制过程中的一个重要时刻,以纪念50年前的壮举,并向参与氢弹研制的功勋们表达钦仰之情。

受访人:

蔡少辉(1933-),广东梅州人。1955年中山大学物理系毕业。1965年秋参加突破氢弹原理“上海百日会战”时担任九院理论部科研室副主任。

张锁春(1940-),江苏丹阳人。1963年复旦大学数学系毕业。参加突破氢弹原理“上海百日会战”的后阶段会战,参与“切片程序”的研制和计算,承担“氢弹原理试验模型”和“氢弹试验模型”的最后定案模型的计算任务。

吴翔(1935-2015),江苏省常熟市。1957年毕业于北京大学物理系,1960年调入二机部北京九所,参加氢弹原理理论计算,1966年12月参加氢弹原理试验。

百万吨级弹头优化设计仼务

蔡少辉:1965年的夏天,北京天气很热。

8月27日,(二机部第九研究设计院)理论部召开全体人员大会,理论部领导适时调整了突破氢弹的途径和步伐,决定在确保主力11室和12室继续进行理论探索的前提下,决定把明年进行的小规模加强型爆炸试验的设计任务交给了1室,并把打算在后年进行的百万吨级氢航弹热试验用的弹头优化设计任务交给了我们13室。会上邓稼先和几位副主任在讲话中一致要求我们在国庆节前赶赴上海华东计算技术研究所,以便利用该所国庆假日期间空出的全部机时,集中突击计算,用当时已经掌握的加强型原理,配以可能取得的最好的核材料为后盾,完成口径指定、重达数吨、当量百万吨级的氢航弹优化设计任务。这就是当时被戏称为“老原理、新应用”的一项突击任务。说白一点,就是要我们用加强型原理,靠拼材料、拼个头、拼重量的办法,优化设计一颗飞机载得动的百万吨级热核弹头。

理论部大会结束以后,13室领导当即决定:除书记吴中祥、副主任徐锡申(他主管状态方程和辐射平均自由程两个小组)留守北京外,由室主任兼副书记孙和生(主管炸药爆轰和流体力学两个小组)、副主任蔡少辉(主管核反应后物理小组)和刚从南京大学计算数学系调来的副主任彭清泉(主管核反应后计算数学小组),率4个与武器设计直接有关小组的科研人员和为数不多的科研辅助人员,抓紧时间准备于9月底前往上海。我们13室一共一百二十来人,除了一部分人参加“四清”运动外,剩下的五十几个人都到上海去了。

13室各组接到通知以后,都在抓紧做好出发前的准备工作。核反应后物理组与数学组安排了陈辅之、谢国强等人对当时理论部用于研制加强型反应后的常用计算软件做了一番调查,并从程序的物理建模、基本假设,到数学推导和差分格式以及与之配套的物理参数等都做了一次彻底的清理。我们除了请彭桓武、黄祖洽、于敏、秦元勋等专家给大家讲了他们个人对加强型模型的看法外,还请了1室、12室从事过加强型理论设计的经验较丰富的年轻人邹志高、高飞给大家传授经验。此外,副组长孟昭利还根据几位部主任的意见准备了一批到上海计算的模型。实践表明这些准备工作对我们这次会战取得决定性胜利起了重要的保证作用。

于敏首功——氢弹设计原理诞生

张锁春:1965年9月23日,组长吴翔带领我们蒙特卡洛小分队四人(雷光耀、胡锦、张锁春、郑玉珍)到达上海华东计算所“五班”(九院理论部在华东计算所工作时对外代号),已见到13室先遣小分队的人在紧张地准备上计算机使用的计算程序,估计他们至少比我们要早到一天,这就是上海“百日会战”的起始点。

蔡少辉:得益于出差前周密的准备,我很快便从程序的物理假设和方程中查明,造成程序计算中系统中子数不守恒的原因。10月5日我与彭清泉一起主持研究程序改编工作。考虑到当时计算任务紧迫,决定在原来理论部532程序的基础上作局部修改。叶光立、刘金栋等人在很短的时间内先后完成了1301、1302程序的编制工作,解决了程序计算中的中子数不守恒问题。

与此同时,加强型模型的优化设计工作则按核反应前、后分工,在几个组长的组织下,有序地进行着。反应后物理小组人员,在副组长孟昭利的带领下,按选材不同划分成两个题目组,分别由陈辅之、张钧主持,对模型进行优化设计。他们时而汇聚在一起沟通、讨论,时而又分头探索。由于当时计算机的稳定性很差,每次算题除计算员、程序员必需在场之外,还需要有物理专业人员陪伴,以便及时发现和解决问题。因此全体物理和数学专业人员以及科研辅助人员一起混合编组排班,夜以继日地轮番到机房算题。每去一次机房,大家便抱回一大堆纸带卷。留在办公室的人员便忙着画图、登记、分析、讨论,并准备下一批要算的模型。在强烈的使命感鼓舞下,大家热情高涨,干劲冲天,很快就算出了一批模型。从结果看,它们离理论部领导对我们这次出差的要求并不远,只要加入少许贵重材料,威力就可以提高到100万吨(而不是像后来某些报道所说的那样,“威力总上不去,已经很重了,当量只有几十万吨”)。但是这批模型的聚变份额都很低,这表明其中的热核材料并没有充分燃烧。不过大家对此并没有太深究。或许是由于当时受到对加强型原理不被看好的思想所影响吧。

面对这批计算结果,于敏并不感到意外。事实上早在原子能研究所轻核理论组进行氢弹应用基础研究时,就曾经对原子弹中加入聚变材料的加强型原子弹进行过探索。不过那时是在缺乏必要的原子弹知识情况下进行的。当时就发现在加强型原子弹中,聚变材料虽然能起到加强原子弹威力的作用,但由于加强型中聚变材料燃烧不充分,这种加强作用是不充分的。这次于敏受理论部主任会议的委托,率领大家到上海出差,就是要研究如何把加强型原理与现实的原子弹配合起来,完成加强型装置优化设计任务。于敏有一个特点,不论做什么事情,要么不做,要做,就绝不敷衍了事,一定要全力以赴,做得最好。

在上海出差的日日夜夜,于敏总是亲自深入计算机房,埋头于输出纸带卷中仔细分析计算结果。为了找出问题所在,继续前进,他从众多的计算模型中挑出三个用不同核材料设计的模型,进行深入细致的系统分析。考虑到与他一起出差的年轻人涉足氢弹探索时间不长,大都缺乏氢弹的基本知识和科研的实践经验。为了在工作中提高他们的水平,也为了找出问题所在,于敏决定把他过去4年在原子能研究所探索氢弹机理时积累下来的物理知识,结合眼前加强型优化设计的实践给大家做了系列报告。

张锁春:国庆节后的一天,我带蒙特卡洛组的同事去接班时,还未进入机房的门,突然听到13室的人在机房里大叫起来,说是发现了“新大陆”,得到一个意想不到的威力高达300多万吨的新结果,大家都为此很高兴、很兴奋!究竟是怎么达到的?需要作进一步的深入分析。经过分析,查找发现“新大陆”的原因时,竟然是负责计算模型数据准备的“小鬼”刘玉兰把物理参数填错了,出现不符合实际的计算结果。但这一错误不要紧,却给科研人员有了意外的提醒,要获得威力高的氢弹一个最重要的因素是提高轻核材料的密度,设计氢弹应该走高密度这条路。

蔡少辉:10月13日,于敏开始了他在上海持续两周的一系列报告。通过这样的学术报告,使大家对加强型的热核爆震阶段和尾燃阶段的中子-氚的循环和增殖、粒子能量沉积、火球传播与激波形成等过程有了深刻的认识。也正是通过这一系列报告,于敏进一步理清了头绪,通过分析,发现加强型内中子造氚过程太慢。他在报告中明确指出,正是由于加强型内中子-氚循环过程赶不上弹体解体过程,从而导致在这批加强型的热核爆震阶段中,“火球内的能量释放率比不过能量损耗率,差了几倍!”在如此巨大的赤字压力下,火球的温度只能每况愈下。于敏说,要摆脱这一困境,“要么设法减慢火球传播速度,要么提高能量释放率……。”

在他的指导下,大家一边学着动手分析更多的模型,一边继续尝试改进设计。然而,情况并没有很大改观。有人试着人为地提高热核材料的密度,结果却十分诱人。显然,大幅度地提高热核材料密度是一个关键!

于敏问:“你们能办到吗?”在场的众人目光刷的一下转向搞炸药爆轰和流体力学的同事们身上。这引来流体力学粗估强手徐华生的一句话:“这么高的密度要靠炸药是绝对办不到的!”是的,要实现如此高的压缩度,单靠提高炸药能量利用率的办法是绝对办不到的。

于敏紧紧抓住了问题的关键,开始了新的思考。怎么办?要靠原子能!加强型中的原子弹的能量难道没有用上吗?此前人们曾指望原子弹起爆后就能给聚变材料创造自持燃烧所需要的高温、高密度条件,如今情况并非如此,问题出在哪儿?经过深入细致分析,问题终于明朗化了。原来在加强型中,原子弹爆炸后出现许多物理因素,有的起好作用,有的起破坏作用。限于弹体的构型,它们不可能很好地配合。如何选用性能合适的材料,采取什么样的构型,才能促进起好作用的物理因素,抑制起破坏作用的物理因素?于敏又陷入苦苦的思索之中。

时值深秋,正是上海嘉定县公社稻子开镰收割时节,空气中处处弥漫着清新的稻谷香。晚饭后,只要工作允许,“五班”的同志总喜欢三三两两结伴在田间小道上走走,以寻求难得的短暂身心放松。10月29日星期五,我和于敏晚饭后在附近田间小道上散步。当我们谈到应如何创造条件让热核材料充分燃烧时,于敏直截了当地指出,加强型的构型不利于热核材料的压缩和燃烧。他详细地给我谈了他的看法,我被他的崭新思维所吸引,也被他所列举的无可辩驳的论据所折服。我说:“那我们马上就动手干吧?”于敏说:“先算两个模型看看,一个比较理想一点,另一个比较接近实际。”显然,这是他经过深思熟虑后想要走的关键两步。那天晚上我们谈得很晚,一阵阵秋风袭来,使人感到一些寒意,我们便加快步伐往回走。回到办公室,我立即找孙和生谈起于敏的想法,他十分支持。当即便去和孟昭利一起商量。

在当时情况下,按照于敏的想法,先验证原子弹能量压缩是否能使聚变材料自持燃烧。采用模拟原子弹能量通过某种机制瞬间作用在“次级”身上,而通过改变计算模型的外边界条件的办法来实现,为此准备了两个模型。

11月1日晚上,华东计算技术研究所J501机房,在柔和的灯光下,计算组组长汤敏君拨弄着计算机操作台上的键钮,台面上的小氖灯在欢快地闪烁着。我和孟昭利蹲在机房地板上忙着查阅纸带卷,检查输入、输出数据是否有差错。于敏在一旁拿着计算尺和铅笔不时地在算点什么又写点什么。计算机在忠实地执行着主人的指令,它时而发出美妙的旋律,时而又发出数值求解叠代过程中所特有的沉重循环喘息声。汤敏君说:“你们听,现在到了最难闯的阶段了,能量方程老叠代不出来,得赶紧缩小时间步长!”只见她又在操作台上拨弄几下,渐渐地机器又奏出流畅的韵律,人们在喜出望外地交换脸色。纸带卷上缓缓地输出令人兴奋的数字,一切都是那么振奋人心!最后的结果正如于敏所料。兴奋之余,临时又加算了一个材料比例不同的模型,结果也不坏。隔天,另一个模型的计算也取得了完美的结果。至此,两类共三个模型的计算结果表明,只要能驾驭原子弹的能量,我们就能设计出百万吨级的氢弹了!

11月5日,华东计算技术研究所主楼五层东侧大教室里,13室全体出差人员安静地围坐在大黑板前。我简略地介绍了上述两类三个模型的计算结果和特点,黑板上列出的数据立即引起台下一片热烈的议论。

在众人殷切的目光期待下,于敏登上讲台给大家做学术报告。本来在报告开始时,大多数人只是抱着对于敏的设想感到新奇,对计算结果感到意外前来听讲的。随着报告的深入,大家终于被他那深入浅出的语言,严密的逻辑思维,无懈可击的推理和充分的论据,从原理、材料、构形三要素把大家带进了氢弹王国,氢弹的“牛鼻子”终于被揪住了!这时会场上一片欢腾,群情激昂,气氛非常热烈。

当时孙和生便把我们在上海的室领导、小组长找来和于敏一起开会研究,一、决定加强型的优化设计是上级布置的任务,不能怠慢,必须继续抓紧完成;二、立即组织力量成立一个新原理的研究小组,抽调物理组的于庆祥、周云翔、张天树、虞锦岚四人和我一起(加强型优化工作到12月份基本完成后,又抽调了黄书科、陈云尧、陈贵凡、陈继祖等参加)配合于敏另辟一条突破氢弹原理的技术途径;立即着手启动大型计算机程序1303的编制工作,以适应探索新原理的需要。上述决定随后由于敏用保密电话向北京做了汇报,并得到认可。

邓稼先三下上海

蔡少辉:11月8日,理论部主任邓稼先在获悉上海取得新发现后便立即从北京赶赴上海。他除了详细地听取了于敏有关新原理的汇报外,作为另一手准备,他还十分满意两个月来大家在加强型优化设计工作中取得的进展。然后他把我们在上海最早计算的三个理想模型和一个最新模型的计算结果一起带回北京。留在上海的同志则继续深入研究氢弹原理。12月中旬,留守北京的13副室主任徐锡申根据上海的需求,派了物态方程组的李茂生和余冠儒两人赶到上海,帮助我们用上较为严格的状态方程。此时加强型的优化设计工作已进入初步总结阶段。

吴翔:我是12室3组组长,主要搞蒙特卡洛计算方法的。我们自己起个外号叫“蒙得快乐”组,别人开玩笑说“你们尽蒙人”。

在上海“百日会战”期间,我们“蒙得快乐”组的大多数人配合13室的同志参加了突破氢弹原理的计算。我先带了“蒙卡小分队”几个人到上海华东计算所算模型,当时华东所的J501机运算能达到每秒五万次。

张锁春:1965年11月8日,邓稼先在北京听到上海工作有突破性进展的好消息后,立即乘飞机抵达上海,亲自听取于敏的介绍。于敏又进一步提出如何使热核材料“点燃”的想法,要实现300万吨级氢弹,所需压缩能量要达千吨级梯恩梯当量,必须利用原子弹的能量才能实现。于敏从物质的辐射自由程分析,可以创造条件利用原子弹的辐射能量来达到上述目标。那么怎样引导原子弹辐射能的传输呢?必须要用二维计算程序,可是理论部没有一个能用于计算的二维计算程序。再加上当时使用的计算机的内存和速度水平都有限,上不了二维程序,大家手上摸索物理规律只有一维球对称计算程序,怎么办呢?

要算,当然就是我们蒙卡小分队算呀!蒙卡组组长吴翔负责物理方面的工作;副组长雷光耀、胡锦和我三个人搞数学,负责编制程序和上机;郑玉珍负责辅助计算方面的工作。吴翔本人不会编程序上机计算,他只负责计算结果的分析。当时,尽管于敏和吴翔私人关系好,也不可能于敏说给一个模型,我们就能为他计算。因为一是涉及跨室任务的计算,我们是12室,于敏管13室;二是谁分配给我们计算机上机计算的时间呀?实际上是于敏给邓稼先打电话,让邓稼先来上海听取他在上海获得的最新结果、最新发现以后,由邓稼先亲自给我们下达计算任务。

蒙特卡洛方法的最大优点就在于不受空间维数和几何形状复杂的限制。于是邓稼先到上海后立即给我们蒙卡小组下达一个紧急任务,要求在1至2个星期的时间内编制出一个新的蒙卡(MC)程序,来回答第一个急需要回答的问题,即辐射能量能不能过来的问题。

这里讲一个花絮。邓稼先这次来上海急得给我们下达任务,要求在半个月内编出一个新程序出来,并要计算出结果。于是我们趁机敲他的“竹杠”,提出两个条件:一是把你身上带的“中华牌”香烟拿出来给大家每人抽一支;二是到离华东计算所门口不远的“澄桥”小吃店,请我们每人吃一碗“馄饨”。邓稼先很快满足了我们两个条件,因此大家不得不为老邓“卖命”。我们四位数学的同志玩命干,齐心协力,日夜苦战,程序编制、修改、检查、试通、计算。

吴翔:邓稼先下达仼务以后,我就安排下面的人编程序,去算。我们组五个人,我是搞物理的,他们四个人搞数学。程序编完以后拿到J501机器上算。那时候算题很辛苦,机器要人陪着,要现场看着,为什么呢?计算数据过一段时间就自动存到磁鼓去了,就把前面的冲掉了。如果你这里出了问题的话,前面都白算,没有了。因为搞物理只有我一个,搞数学还有三四个人,他们可以轮班干,一人8个小时,8个小时轮一次班,我则一天到晚待在机房里头。结果连续算了三天三夜,这个东西就是抓不住,好像“瓶子”里头东西漏了一样,怎么也抓不住。不对啊!要不是于敏的想法错了,要不就是我们计算出了问题?我是倾向于计算出了问题。然后就把那个计算停了,回来叫搞数学的同志仔细检查程序,我说这可能出问题了。最后查出来有一个同志把一个比较搞反了,应该是往右走的,结果往左走了。这一下坏了,这个“瓶子”就漏了。问题查出来以后马上就改,改起来很方便,一会儿就改完了。程序改进以后再接着算,三个小时就算完了,结果出来的数据很好。程序虽然是二次通过的,仅仅过了17天,终于在11月25日交出计算结果。

张锁春:1965年11月25日,邓稼先在这个月中第二次来到上海,他不仅详细地听取于敏新原理的汇报,而且听取了加强型优化设计工作中所取得的进展,同时听取了“509”程序计算结果的汇报。

当邓稼先知道这一好消息后,立即鼓励我们要再接再厉,一鼓作气,马上又布置一个新任务:要求在一个月内再编制出另一个新程序,称为“519”程序,第一次形象地称“空瓶子”程序。第二次的任务是要放低密度的物质进行计算,要求我们一个月之内算出来,为了抓紧时间及时完成任务,特地从北京调来搞物理的张国平、何春仁;搞数学的杨明伦、赵金林四个人来加强力量。经过奋战,这次干得比“509”程序更漂亮,程序一次通过。12月25日交出计算结果,及时地解决了这一关键问题。

12月24日邓稼先第三次来到上海。12月25日我们蒙卡组就向邓稼先交出“519”程序计算的结果。邓稼先大为高兴,心中更有底了。他又进一步向蒙卡组提出编制“使物质能流动起来”的新程序的要求。邓稼先年底来上海是来“摘桃子”的,伸手要具体结果。一手是向于敏要突破氢弹原理的新方案;另一手问13室的孟昭利要加强型装置的优化设计方案。孟昭利向邓稼先汇报,到目前为止,设计出的模型最大威力是83万吨。邓稼先说:“能否再加大一点,争取100万吨?”孟昭利说:“可以试试”,马上设计一个模型,当晚上机,在机房中一起看计算结果,数据很好,大家兴奋得一宿未睡觉,邓稼先的贴身警卫王晓云就站在机房外作保卫也一宿未眠。老邓指示抓紧时间整理好数据,他要带到青海221厂去开会汇报。

12月26日,邓稼先满意地飞回北京。他到上海市区利用等飞机的间隙时间,用保密电话给在青海221厂的刘西尧副部长挂了电话,告诉新的氢弹理论方案已在计算机上验证可行了,要求立即付诸实施。

邓稼先走后,12月28日,于敏带着上海的计算结果与13室孙和生主任,吴翔组长一起回到北京。邓稼先立即在理论部图书馆大厅组织汇报会。于敏作了氢弹原理的总体报告,吴翔作了氢弹引爆方案的论证报告。他们的报告得到理论部领导的肯定,并很快向上级部门作了汇报。我们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,前前后后在上海连续奋战100个昼夜,这就是后来者称的“上海突破氢弹原理一百天”,或称为“百日会战”。

吴翔:说实话,我们的理论计算比美国当年的计算能力强。你知道吗,美国做核试验时,为什么做的次数那么多,就是因为理论上算的不太准,所以他们必须要不断试验后才清楚。苏联那个时候的理论计算比美国好,但比起中国来还差一点。所以,中国核武器研制过程中做的核试验次数,在中、美、苏三个国家里头是最少的。为什么最少,就是因为我们理论上计算得比较准,试验做出来差不多嘛,甚至有的试验可以不再做了。

张锁春:那时我们还不能使用机器汇编语言编程,全靠手编指令完成。编程工作是十分艰辛的。在大家废寝忘食、夜以继日的努力下,根据任务需要,新程序及时投入使用,其速度即使按现在的标准也是惊人的。应该说,如果不是有这么一支上下一致、团结协作、不计个人得失、一心为祖国争光,为中国人争气、全身心投入的科技队伍的话,是不可能办到的。

(摘自6月14日《中华读书报》)

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