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Friday, 31 October 2014

研制高爆炸药的中国科技人员

中国的第一颗原子弹为内爆式铀弹。即内含中子源的海绵状铀燃料放置于球形金属容器中,高爆炸药包裹在其周围。爆轰序列(主装炸药、雷管和传爆组件) 引爆产生强大的内聚冲击波和高压力,压缩核燃料使其达到超临界状态,同时中子点火装置精确点燃裂变链式反应并使之达到最大值,产生核爆炸。
这里最大的技术难题是高爆炸药的合理配置。它要求把快速燃烧和慢速燃烧的两种常规炸药巧妙地组合在一起。起爆时,在百万分之一秒的时间内同时引爆所 有炸药,才能实现真正的核爆炸。如果定时误差超过上述要求,或者两种炸药配比不对,就会大幅度降低常规爆炸所产生的压缩效果,致使核爆炸威力减半,甚至形 不成核爆炸。当今恐怖分子设想的“脏弹”,就近乎于这种功亏一匮的版本。
爆轰序列、中子源和高爆炸药可称原子弹登顶前最后的难关。
两弹元勋陈能宽院士,是中国核武器爆轰物理学的开拓者。在我国核武器的发展研制中,领导组织了核装置爆轰物理、炸药和装药物理化学、特殊材料及冶 金、实验核物理等学科领域的研究工作;组织并参加了聚合爆轰波人工热核反应研究以及核装置球面同步起爆的方案制定和研究。他带领爆轰队伍完成了燃爆原子能 的关键工程,即核试验前的全部爆轰物理、动高压物理、中子物理、火工品及炸药的质量控制、核材料部件制造过程中与核武器可靠动作直接相关的技术工艺等等系 列工程。在第一颗氢弹攻关时,又率队完成了结构件的动态、断裂与防护、波形调整与冲击起爆、二维影响与减弱措施等试验的成功,以大量数据论证了氢弹原理方 案的可行。他还创造了不同于世界其他有核国家的试验方法——冷试验。
陈能宽文学素养深厚。核试验前夕,指挥者和负责人总是高度紧张,如临深渊、如履薄冰。在一次核试验现场讨论会上,他心有所感,忽然脱口背起了诸葛亮 的《后出师表》:“以先帝之明,量臣之才,固知臣伐贼,才弱敌强也……”在场的于敏先生同感而发,接口背诵:“臣受命之日,寝不安席,食不甘味……臣鞠躬 尽瘁,死而后已;至于成败利钝,非臣之明所能逆睹也。”两人一句接一句往下背,举座肃然。
“共产党员对党和祖国的爱都是具体的。”–这句平淡朴实的话,出自王方定院士之口。就在一个沥青油毡作顶,芦苇杆抹灰当墙的简陋工棚实验室里,他带 队奋战3年造出四个合格的原子弹点火中子源。夏天室温高达三十六七度,他们要穿上三层防护工作服,戴上两层橡皮手套。每次实验后,总会汗透全身。严冬时 节,连自水管都被冻裂,实验工作依旧不停。因为早年转战于青海、四川等地,恶劣的环境中落下病根,直到现在,即使是阳春三月,王方定依然是棉衣、棉裤、棉 背心加羽绒服的打扮。
引爆原子弹的高能塑料粘结炸药,由美国人于1947年首先开发成功,后定名PBX-9205。 公开配方为:黑索今(RDX)92%,聚苯乙烯(Polystyrene)6%和邻苯二甲酸二辛酯(DOP)2%。其后广泛运用在各型核武弹头(B43, W48, W50, W55, W56, B57 mod 2, B61 mods 0, 1, 2, 5, W69)上的则是PBX-9404,含HMX(奥克托今)94%, 硝酸纤维(NC)3%以及三氯乙基磷酸酯(CEF)3%。更新一代核武(B61 mods 3, 4, 6–10, W80, W85, B90, W91)选用PBX-9502型,配方调整为三氨基三硝基苯(TATB)95%和三氟聚氯乙烯(Kel-F 800)5%。
苏联撕毁合同撤走专家后,我国高能炸药的研究只能从头开始。1962年,中央专委会批准了二机部关于组织高能炸药协作攻关的请示报告。参与单位包 括:二机部九院、中科院兰州化物所(大连化物所兰州分所)、三机部第三研究所(西安近代化学研究所)、北京工学院和中科院上海有机所等,项目代号 “142”。“142”任务的核心是塑料粘结炸药。工艺要求是先将炸药与塑料粘结剂制成粉型,再压成药块,最大限度地不使炸药损失爆速,切削磨琢安全可 靠。张劲夫在回忆文章中专门提到了于永忠和黄耀曾的名字,我们不该遗忘的至少还有钱晋和董海山。
于永忠被誉为“中国高能炸药合成第一人”。因国家需要,从自己原本驾轻就熟的石化领域润滑材料专业改行从事高能炸药研究。凭借扎实的知识功底、严谨 的治学精神和勤奋的工作态度,于永忠带领研究人员急国家之所急,连续奋战一年多,与合作单位按期完成了高能炸药的合成任务。他还参与研制1105号塑料粘 结炸药,成功用于氢弹引爆实验;攻克10号炸药的连续化生产工艺,与805厂合作实现工业化生产。60年代中期,他开拓了高能炸药合成的新方向,率先提出 高爆速高密度炸药必须遵循近零氧平衡、环状及硝基均匀分布的原则,创造性解决了多硝基苯胺的氧化问题,合成我国第一个爆速最高的炸药六硝基苯。
1979年,于永忠合成出一个极具特色的笼形硝基化合物797,它具有高密度、高稳定性等特点,但该化合物还不能达到更高的爆速。于永忠提出了它的 改进结构,即由氮硝基取代其中的氧原子,明确指出这种新型的笼形硝基化合物事实上会超过奥克托金。但由于当时条件所限,未能进行合成方法的研究。后来得 知,1987年美国合成的最新型高能炸药CL-20,其结构和他1979年提出的炸药分子结构完全相同。 1994年,在美国对CL-20合成方法保密的情况下,于永忠带领博士生成功合成出了CL-20,研究成果达到90年代国际先进水平,使我国成为有能力合 成CL-20的少数几个国家之一。于教授1998年被提名为中国工程院院士候选人,未当选。
有机所黄耀曾副所长带领吴报铢等七位科技人员参加“142”任务,并在本所做模拟试验。64年初派钱延龙等20人到西安三所和兰州化物所协作研制。 黄耀曾经常往返于西安、兰州之间指导试验。他们先后筛选各种塑料粘结配方,测试各项技术指标。黄耀曾设计了应用一种特种材料粘结,使之最小限度地夺取炸药 的氧而不致损失爆速,获得成功。有机所其他科技人员协助兰化所完成1105配方,和另一种配方同时通过鉴定。在实际使用中发现1105配方不耐老化,产生 裂痕,而黄耀曾提出的用特种材料配方研制的粘结炸药不发生裂痕,耐老化,可长久贮存,得到实际应用。
北京工业学院钱晋副教授,改进了第一颗原子弹的高爆炸药及电火花引爆装置高压雷管的制造技术,却因为一次试验失败被造反派当作特务暴打致死。 1971年他和邓稼先、于敏、胡思得等人被红专队集中到青海221基地办学习班,罪名是他们在小型试验中未能测得预定指标的中子(后来证明是测试技术有 误)。1986年5月16日,两弹元勋邓稼先在接受核辐射致癌病症第六次外科手术时疼痛难忍,在他最痛苦的时候,还不时念叨着自己屈死的的战友,说“钱晋 对高能炸药贡献很大”。迫害主使人55年空军上校赵登程,作为林、江余党已在1983年11月2日被北京市中级人民法院判处有期徒刑15年,剥夺政治权利 3年。
九院三所董海山院士,从北京工业学院毕业后被选派到苏联列宁格勒化工学院继续深造,主动选修“核用高能炸药”专业。回国后,凭着惊人的记忆力,在短 时间内写出近十万字的《新型高能炸药合成化学》,为我国高能炸药合成提供了重要的参考资料。从1962年到1966年,他参与并组织领导了十种新型炸药的 合成研究,其中几种的反应机理、合成工艺都有所创新,产率比苏联超过20%以上。后来,他仅用半年的时间就带队研制成功了我国第一个塑料粘结炸药。
1969年,一项重大的核试验急需一种新型炸药,艰巨的研制任务压在董海山等人身上。这时由于政治冲击,他已经身处被怀疑和不被信任的境地,他清楚 地知道,在这种情况下承担任务是有风险的,一是难度大,二是时间紧,特别是在那时混乱的情况下,发生爆炸事故的机率较大。倘若发生事故,“有意拖延”, “有意破坏”等等罪名就会扣在自己的脑袋上,到时就是跳进黄河也洗不清。重压之下,他表态说:“我从来对领导交给的科研任务都愿意接受,最怕的是不给我任 务,只要让我为国家工作,对我来说就是最大的满足!”。面对严峻的现实,董海山不顾个人安危,毅然挑起重担。单质炸药需要碾碎,实验室里却没有球磨机,时 间紧迫,他别无选择,操起一根擀面杖冒着爆炸的危险,一点一点地把炸药碾碎。作为课题负责人,为了及时掌握研究情况,在任务三班倒的情况下,一班、二班工 作他都参加,三班是辅助工作,也基本由他全包了,一些危险操作,他都尽量自己去做。吃、住在试验室,每天只睡眠休息四、五个小时,连做梦都想着工作。经过 日夜奋战,仅仅两个多月他们就完成了任务。
在2003年中国工程院院士评选答辩会上,当评委问董海山,你对自己在炸药界的学术地位怎样评价?他如此作答:“自己不好对自己进行评价,我一辈子 没有做过重大的原始性创新,虽然首次合成过约二十个文献没有报道过的新化合物,但都没有得到应用。用于武器研究的那些炸药都是仿制外国的,虽然有些改进, 某些性能比国外高,但都是在人家国外研制出十年以后才应用的,比国外晚了一二十年。”谦逊朴实的风范一如既往。
从事高能炸药的研究和生产以及操纵载具执勤,不言而喻永远是高危作业。记得以前去甘肃银光集团参观时,他们专门配有一个中队的驻厂消防队,绝对的严防死守,不敢稍有懈怠。
1958年3月11日,美军一架B-47轰炸机在南卡州Mars Bluff上空误投一枚核弹,落至人烟稀少地区。核弹高能炸药触地爆炸形成宽75英尺、深35英尺的一个大坑;同年11月4日,另一架B-47轰炸机在德 克萨斯州戴伊斯空军基地起飞时着火,机载核弹的高能炸药被引爆,跑道炸出宽35英尺、深6英尺的弹坑。
九院前身青海矿区国营221厂的老工人石传贵、刘兆民和朱深林等回忆:
“我来告诉你炸药是怎么搞出来的。炸药嘛,把TNT和黑索金按照一定比例放在一口大锅里,我们就像卖糖炒栗子的人一样,拿个大铲子不停地翻炒,后来就‘炒’出来了。”F
“这个工作有辐射的危险。我们进厂时都要喝一杯糖开水(保健措施),换上工作服,戴12层的口罩,裸露的面部擦一层厚厚的凡士林。可是出来时12层 口罩全部都是黄的,嘴唇是紫的,洗个澡换了衣服喝一杯牛奶(保健措施)再回宿舍。后来体检时201一个车间就查出了70多个职业病,别的车间都不敢查 了。” F
“在一次装配中,炸药球在高空架子上没有搁稳,掉下来了。一位姓黄的同事立刻奔过去,还好,他一把接住了这个球——要是他接不住,我们早就炸成灰了!他哪里来得及想那个炸药球有没有辐射啊。”F
在他们的印象中,221厂发生过几次小小的爆炸,死了12个人,而烧伤事故经常发生。石传贵即曾有一次被硫酸严重烧伤,受伤面积达全身皮肤的25%,不得不休养1个月。
(原子城——青海湖畔的两弹基地,《中国国家地理》2006年第03期)
他们所说的“小小的爆炸”,在另一位九院老职工魏世杰的口述里却是惊心动魄:
我在九院干了二十六年,你研究核武器,无非是和两种材料打交道,一种就是核材料,一种就是炸药,高能炸药,炸药能量特别大,前面的有放射性,对大家 都有危害。后边是个不稳定的化合物,炸药随时都会爆炸,所以研究这个核武器,应该说就是太岁头上动土,老虎嘴里拔牙那个劲头了,随时随地都有危险。
1969年的11月14日,有一个车间叫二二九车间发生了爆炸事故,这个车间呢,也就是二分厂的,和我那个工作地方相邻,隔得不太远。它为什么爆炸 呢,他把这个炸药放在一个车床上加工,加工过程中因为机械故障掉下来了。这个炸药你想想,一碰到地面的话就会爆炸。第二天早晨,我和我的同事们,到现场去 看整个这个工号,每一个砖头都炸得粉碎了。人炸得就更粉碎了,大家到周围那个草地上,捡了一堆这个,现在实话就是相当于肉末吧。几公分大的,捡起一些来以 后,然后因为是四个人牺牲了,把他分成四堆。也不管是谁的了,搞四个小棺材,把他放起来,家属来了好交代嘛,是不是。
我们中国有一句成语叫粉身碎骨,我是通过那一个事故,我对粉身碎骨这四个字才有了亲身体会,那就绝对是名副其实的粉身碎骨。这样我们现在经常讲这个 “两弹一星”,我们认为是个很光荣的,很自豪的事情,是一个很大的光环吧。但是我们要知道,在这光环的后边付出了多大的牺牲和代价,这个爆炸事故发生以 后,你说我们紧不紧张呢?我们心里边怎么想的呢。说句老实话,也不可能不紧张,我们都是年轻人嘛,刚去的时候也没有结婚没成家,就那么死了。事业,家庭什 么一切都刚刚开始,但是当时那个情况,好像没有人打个报告要走,或者没有人就是想着办法,千方百计调走不在这个地方干了。
(《苦,才是人生》–2014年7月12日晚央视综合频道《开讲啦》)
2014年4月公布的“中国科协学科发展研究(2012-2013)分述–兵器科学技术(含能材料)“一章,对我国含能材料发展现状有以下概述:
在炸药工艺技术方面,我国十分重视高能炸药,特别是HEDC的低成本制造技术,取得了不少成果。如在N2O5-HNO3体系中硝解乌洛托品制备 RDX,产率从59.5%提高到至72.6%;开发的CL-20无氢解合成路线,降低了CL-20的制 备成本,为规模化生产奠定了技术基础;开展了两步法合成CL-20的研究,制备了多种新型异伍兹烷衍生物,相关研 究与国际同步;在RDX球形化、NQ球形化等方面取得长足进展,已形成10-50kg级生产能力。攻克了RDX和HMX晶体形貌、内部缺陷、颗粒密度和粒 径大小的控制技术,掌握了高品质RDX和HMX的公斤级制备技术。
  在HEDC合成方面,我国高度重视嗪类、呋咱类、唑类、胍类等非杂环、富氮含能盐类等化合物的合成研究,成 功合成了数十种HEDC。其中成功合成的3,3′-二硝基-4,4′-偶氮二氧化呋咱(DNAFO),其密度达2.002g/cm3,生成焓 为667kJ/mol,实测爆速为10km/s。
毫无疑问,中国人在这一领域内前行的步伐将永不止歇。