a 当前位置：前瞻网 » 资讯 » 产经

史上最大核弹已成历史，核武器如何影响了人类的“科技树”？

分享到：

Winnie Lee • 2020-08-28 09:51:51　来源：前瞻网　E8021G0

核武器的研发，或许是人类历史上离“作死”最近的一次。

日前，俄罗斯国家原子能公司发布了一部长达30分钟的纪录片，首次揭秘人类史上威力最大的核弹“沙皇炸弹”试爆的细节。这是人类历史上所制造的所有类型的炸弹中，体积、重量、威力都最为强大的一枚炸弹。

“沙皇炸弹”当量约为5000万吨TNT炸药，威力约等于3800枚广岛原子弹。其爆炸时产生的蘑菇云宽度超40千米，高度约64千米，火球在1000公里外都能够看到，而爆炸后据说连亚欧大陆板块都向南边推进了9毫米。

3434

（视频截图）

幸运的是，威力如此巨大的核武器已经在历史中尘封。更加幸运的是，为了研制核武器而进行的诸多核能相关研究，不仅带来了核电这种清洁能源，还深远地影响了人类的“科技树”。

核电与核裂变

核电的发明对人类能源发展史的贡献毋庸置疑。

1938年，3名科学家在柏林威廉二世化学研究所里首次发现了核裂变现象。他们用镭和铍的混合物当作中子源，用石蜡减缓了发出的中子的速度，并让其照射铀样本。

当中子轰击铀样本时，核裂变发生了。一个铀核吸收了一个中子，随后分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，放出大量能量，并产生两个或三个新的中子。而在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变，这就是链式裂变反应。

这改变了当时人们对原子的认知：著名物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)的理论假设，原子分裂的方式与水滴相同，更多人则普遍认为，用中子轰击铀原子会像削苹果一样，敲下铀原子的碎片，而铀原子基本保持完整。

利用核裂变反应进行发电，不会像传统化石燃料一样产生有害和温室气体，能源效率也达到了新的高度：木材加热的效率通常为60%或更低，煤炭加热的效率在适当控制下可以达到70-90%，而核能的效率是这些资源的8000倍。

核电的可持续性也足够优秀：一个受到良好控制的核裂变反应可以持续产生24-36个月的能量，一个用于发电的核裂变工厂的设计寿命为30-50年，而地球的铀储备最少够所有反应堆使用一个世纪。

根据世界核能协会的数据，截至2018年1月，全球30个国家和地区共有440个核电机组，总装机容量为390吉瓦，发电量约占全球发电量的11%。

无处不在的放射性同位素

放射性同位素则是核武研究的另一种技术“遗产”。尽管早在1935年，居里夫妇就因发现了放射性同位素而获得诺贝尔奖，但由于核武器的研制活动，这种特殊的原子才得以在人类的科技发展史上留下重要地位。

曼哈顿计划(Manhattan Project)是二战期间研发与制造原子弹的一项大型军事工程。排除其军事目的，这项工程是科学史上的一大盛况——雇佣了超过13万人员，花费了将近20亿美金，超过90%的费用用于建造工厂和制造核裂变的原材料。

有赖于曼哈顿计划的巨大投资，核反应堆出现了，放射性同位素被大量生产，并且广泛用于科研工作。

在二战之前，同位素可以从天然物质中分离，也可利用回旋加速器产生。但由于其非常稀缺，只有少数人才能将其用于研究。

而据原子能委员会估计，橡树岭反应堆生产的碳-14的量，等于一千个回旋加速器的产量，而成本价格仅是回旋加速器的一万分之一。

3434

曼哈顿计划的民间继承者——原子能委员会(Atomic Energy Commission)降低了一些最广泛使用的同位素的价格，并向科学家进行正确处理放射性物质的培训。

他们在1948年启动了一个项目，为癌症的诊断、治疗和研究免费提供同位素，收件人只需支付运费即可。

普林斯顿大学的科学历史学家Angela Creager表示：“我认为，如果没有发展升级，同位素永远不会有如此广泛的应用。(橡树岭)反应堆是政府建造的，也是曼哈顿项目的一部分。没有一个人会为了得到放射性同位素，而投资建设这种基础设施。甚至生产和运输成本也得到了政府的高度补贴。”

时至今日，放射性同位素的应用遍及各个领域：从绿色植物的光合作用，到仅需几百元的消费级基因检测，再到生态循环系统。

在医学领域，放射性同位素能够用于诊断、治疗：利用放射性同位素在不同组织器官的分布特点，采用核素造影的方式，可以显示异常病变部位;用钴60照射可以治疗肿瘤，用磷32可以治疗皮肤病，用碘131则可以治疗甲状腺疾病。

放射性同位素还可以作为示踪剂，在各个领域许多科学研究中发挥重大作用。这其中包括著名的光合作用研究：

1945年，加州大学伯克利分校的化学家Melvin Calvin将光合作用的绿藻暴露在标记有C-14的二氧化碳中，阐明了光合作用将二氧化碳转化为碳水化合物的路径。

放射性磷-32让研究人员能够探测DNA的特性：

1952年，Alfred Hershey和Martha Chase在他们的部分工作中使用了来自橡树岭的磷酸化-32，以证明构成基因的是DNA，而不是蛋白质。

研究人员还能使用它来研究生态系统循环和气候科学：

20世纪40年代中期，生态学家G. Evelyn Hutchinson向康涅狄格州林斯利塘的地表水中释放了微量的放射性磷-32，以研究在几周的时间内，营养物是如何在水、泥、藻类和植物中循环的。

主要基于华盛顿州汉福德反应堆附近的另一项研究利用放射性同位素揭示了放射性污染物是如何在动物和植物中聚集的。

密歇根大学的历史学家Paul Edwards也指出，气候科学和核武器试验有着长期而令人惊讶的密切关系。追踪放射性碳在大气、海洋和生物圈中的循环，对于理解人为气候变化至关重要。

世界顶尖的科研设施

核武器研究所遗留下来的最知名的科研设施无疑是美国的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)。

橡树岭实验室最初是作为美国曼哈顿计划的一部分，以生产和分离铀和钚为主要目的建造的，如今已经成为全球顶尖的科研院所，在中子科学、复杂生物系统、能源、先进材料、国家安全和高性能计算等领域都久负盛名。

美国的超级计算机Titan、Summit诞生于这里，它们可以被用于计算复杂的气候变化，预测新药物的设计，勘探地下油田，还能帮助自动驾驶技术的开发。

曼哈顿计划的另一些关键地点包括新墨西哥州洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos laboratory)和汉福德(Hanford)的国家实验室，前者曾经制造了世界首颗原子弹和氢弹，后者则建立了世界上第一个以钚运作(生产钚)的核反应堆。

如今，洛斯阿拉莫斯实验室从事包括黑洞、云计算和气候变化等各种课题的基础研究，还利用基因组学来诊断新冠病毒病例。它由能源部与加利福尼亚大学联合管理，共有1.2万名雇员，每年经费预算高达21亿美元。

在汉福德基地的基础上则建立了西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)，如今拥有4000多名科学家，是美国能源部最重要的化学、环境科学和数据分析实验室。PNNL最大的单个用户装置是环境分子科学实验室，其每年拥有约4000万美元的预算。2015年，该实验室参与了重力波的探测。

阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory，简称 ANL)也是从曼哈顿计划的一部分、芝加哥大学的冶金实验室的基础上发展而来，后来成为了民用核能项目的所在地。它在Argonne West(现在的爱达荷国家实验室)建造了世界上第一个动力反应堆——实验性增殖反应堆。

数年来，阿贡的研究不断扩大，包括了基础科学、科学设施、能源资源计划、环境管理、国家安全、工业技术开发等许多领域。1990年以来，阿贡曾与600多家公司、无数的联邦政府部门以及其他组织一道工作。

前阿贡实验室主任 Robert Rosner表示，这些实验室除了研究基础科学和应用科学之外，还保留了一种商业上并不普遍的研究模式：将不同领域的科学家、工程师和其他专家整合在一起的。

“整合团队是国家实验室背后的秘密，”他说，“大学传统上做不到这一点。我们有物理系，化学系，还有数学系。”

他说，很少有商业企业能够负担得起这些实验室那样的研发费用，“问问你自己，AT&T或Verizon这类的公司，他们有大型的基础研究实验室吗?”

除了实验室等研究机构之外，《全面禁止核试验条约》组织在全球建立的一个由数百个监测站组成的国际监测系统(InternationalMonitoringSystem,IMS)也算得上是核武器研究的“遗产”之一。

该网络原先被用于追踪核武器试验放射性尘埃，如今也可以被用于追踪日本福岛核电站事故后空气中的放射性泄漏，监测地震、海洋中由自然和人为事件所引起的声波、大气中的低频声波等。

4545