重水核动力工程怎么生产

1. 核反应堆及其组成

核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应，从而实现核能—热能转换的装置。核反应堆是核电厂的心脏，核裂变链式反应在其中进行。

1942年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式反应装置，从此开辟了核能利用的新纪元。

反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

堆芯中的燃料：反应堆的燃料，不是煤、石油，而是可裂变材料。自然界天然存在的易于裂变的材料只有Ｕ-235，它在天然铀中的含量仅有0.711％，另外两种同位素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后两种均不易裂变。

另外，还有两种利用反应堆或加速器生产出来的裂变材料Ｕ-233和Pu-239。

用这些裂变材料制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作为反应堆的燃料。

燃料包壳：为了防止裂变产物逸出，一般燃料都需用包壳包起来，包壳材料有铝、锆合金和不锈钢等。

控制与保护系统中的控制棒和安全棒：为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒。控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率；安全棒用来快速停止链式反应。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。 冷却系统中的冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。

慢化系统中的慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂，一般慢化剂有水、重水、石墨等。

反射层：反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。

屏蔽系统：反应堆周围设屏蔽层，减弱中子及γ剂量。

辐射监测系统：该系统能监测并及早发现放射性泄漏情况。

2. 反应堆的结构形式和分类

反应堆的结构形式是千姿百态的，它根据燃料形式、冷却剂种类、中子能量分布形式、特殊的设计需要等因素可建造成各类型结构形式的反应堆。 目前世界上有大小反应堆上千座，其分类也是多种多样。按能普分有由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆；按冷却剂分有轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。按用途分有：（1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；（2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239；（3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。反应堆分类情况见下表。

3. 研究实验反应堆

是指用作实验研究工具的反应堆，它不包括为研究发展特定堆型而建造的、本身就是研究对象的反应堆，如原型堆，零功率堆，各种模式堆等。研究实验堆的实验研究领域很广泛，包括堆物理，堆工程、生物、化学、物理、医学等，同时，还可生产各种放射性同位素和培训反应堆科学技术人员。研究实验堆种类很多，例如：游泳池式研究实验堆：在这种堆中水既作为慢化剂、反射层和冷却剂，又起主要屏蔽作用。因水池常做成游泳池状的长圆形而得其名。

罐式研究实验堆：由于较高的工作温度和较大的冷却剂流量只有在加压系统中才能实现，因此，必须采取加压罐式结构。

重水研究实验堆：重水的中子吸收截面小，允许采用天然铀燃料，它的特点是临界质量较大，中子通量密度较低。如果要减小临界质量和获得高中子通量密度，就用浓缩铀来代替天然铀。

此外，还有固体慢化剂研究实验堆、均匀型研究实验堆、快中子实验堆等。

4. 生产堆

主要用于生产易裂变材料或其他材料，或用来进行工业规模辐照。生产堆包括产钚堆，产氚堆和产钚产氚两用堆、同位素生产堆及大规模辐照堆，如果不是特别指明，通常所说的生产堆是指产钚堆。 该堆结构简单，生产堆中的燃料元件既是燃料又是生产钚-239的原料。中子来源于用天然铀制作的元件中的Ｕ-235。Ｕ-235裂变中子产额为2—3个。除维持裂变反应所需的中子外，余下的中子被Ｕ-238吸收，即可转换成Pu-239，平均烧掉一个Ｕ-235原子可获得0.8个钚原子。也可以用生产堆生产热核燃料氚。用重水型生产堆生产氚要比用石墨生产堆产氚高7倍。

5. 动力反应堆

世界上动力反应堆可分为潜艇动力堆和商用发电反应堆。核潜艇通常用压水堆做为其动力装置。商用规模的核电站用的反应堆主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆和快堆等。

热堆的概念 中子打入铀－235的原于核以后，原子核就变得不稳定，会分裂成两个较小质量的新原子核，这是核的裂变反应，放出的能量叫裂变能；产生巨大能量的同时，还会放出2～3个中子和其它射线。 这些中子再打入别的铀－235核，引起新的核裂变，新的裂变又产生新的中子和裂变能，如此不断持续下去，就形成了链式反应 利用原子核反应原理建造的反应堆需将裂变时释放出的中子减速后，再引起新的核裂变，由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态，这种中子被称为热中子。堆内主要由热中子引起裂变的反应堆叫做热中子反应堆（简称热堆）。 热中子反应堆，它是用慢化剂把快中子速度降低，使之成为热中子（或称慢中子），再利用热中子来进行链式反应的一种装置。由于热中子更容易引起铀－235等裂变，这样，用少量裂变物质就可获得链式裂变反应。慢化剂是一些含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等。热中子堆一般都是把燃料元件有规则地排列在慢化剂中，组成堆芯。链式反应就是在堆芯中进行的。 反应堆必须用冷却剂把裂变能带出堆芯。冷却剂也是吸收中子很少的物质。热中子堆最常用的冷却剂是轻水（普通水）、重水、二氧化碳和氦气。 核电站的内部它通常由一回路系统和二回路系统组成。反应堆是核电站的核心。反应堆工作时放出的热能，由一回路系统的冷却剂带出，用以产生蒸汽。因此，整个一回路系统被称为“核供汽系统”，它相当于火电厂的锅炉系统。为了确保安全，整个一回路系统装在一个被称为安全壳的密闭厂房内，这样，无论在正常运行或发生事故时都不会影响安全。由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回路系统，与火电厂的汽轮发电机系统基本相同。 轻水堆――压水堆电站 自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下三种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。它们相应地被用到三种不同的核电站中，形成了现代核发电的主体。 目前，热中子堆中的大多数是用轻水慢化和冷却的所谓轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。 压水堆核电站 压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。该核电站的原理流程为：主泵将高压冷却剂送入反应堆，一般冷却剂保持在120～160个大气压。在高压情况下，冷却剂的温度即使300℃多也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管，把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽；冷却剂流经蒸汽发生器后，再由主泵送入反应堆，这样来回循环，不断地把反应堆中的热量带出并转换产生蒸汽。从蒸汽发生器出来的高温高压蒸汽，推动汽轮发电机组发电。做过功的废汽在冷凝器中凝结成水，再由凝结给水泵送入加热器，重新加热后送回蒸汽发生器。这就是二回路循环系统。 压水堆由压力容器和堆芯两部分组成。压力容器是一个密封的、又厚又重的、高达数十米的圆筒形大钢壳，所用的钢材耐高温高压、耐腐蚀，用来推动汽轮机转动的高温高压蒸汽就在这里产生的。在容器的顶部设置有控制棒驱动机构，用以驱动控制棒在堆芯内上下移动。 堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间。它是燃料组件构成的。正如锅炉烧的煤块一样，燃料芯块是核电站“原子锅炉”燃烧的基本单元。这种芯块是由二氧化铀烧结而成的，含有2～4%的铀－235，呈小圆柱形，直径为9.3毫米。把这种芯块装在两端密封的锆合金包壳管中，成为一根长约4米、直径约10毫米的燃料元件棒。把 200多根燃料棒按正方形排列，用定位格架固定，组成燃料组件。每个堆芯一般由121个到193个组件组成。这样，一座压水堆所需燃料棒几万根，二氧化铀芯块1千多万块堆芯。此外，这种反应堆的堆芯还有控制棒和含硼的冷却水（冷却剂）。控制棒用银铟镉材料制成，外面套有不锈钢包壳，可以吸收反应堆中的中子，它的粗细与燃料棒差不多。把多根控制棒组成棒束型，用来控制反应堆核反应的快慢。如果反应堆发生故障，立即把足够多的控制棒插入堆芯，在很短时间内反应堆就会停止工作，这就保证了反应堆运行的安全。 轻水堆――沸水堆电站 沸水堆核电站 沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。 沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸汽和水滴分开、防止水进入汽轮机，造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。 沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力（约为70个大气压）下，水通过堆芯变成约285℃的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。 总之，轻水堆核电站的最大优点是结构和运行都比较简单，尺寸较小，造价也低廉，燃料也比较经济，具有良好的安全性、可靠性与经济性。它的缺点是必须使用低浓铀，目前采用轻水堆的国家，在核燃料供应上大多依赖美国和独联体。此外，轻水堆对天然铀的利用率低。如果系列地发展轻水堆要比系列地发展重水堆多用天然铀50%以上。 从维修来看，压水堆因为一回路和蒸汽系统分开，汽轮机未受放射性的沾污，所以，容易维修。而沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机，这样，汽轮机会受到放射性的沾污，所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些。 重水堆核电站 重水堆按其结构型式可分为压力壳式和压力管式两种。压力壳式的冷却剂只用重水，它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料钚－239的净产量比较高。这种堆一般用天然铀作燃料，结构类似压水堆，但因栅格节距大，压力壳比同样功率的压水堆要大得多，因此单堆功率最大只能做到30万千瓦。 因为管式重水堆的冷却剂不受限制，可用重水、轻水、气体或有机化合物。它的尺寸也不受限制，虽然压力管带来了伴生吸收中子损失，但由于堆芯大，可使中子的泄漏损失减小。此外，这种堆便于实行不停堆装卸和连续换料，可省去补偿燃耗的控制棒。 压力管式重水堆主要包括重水慢化、重水冷却和重水慢化、沸腾轻水冷却两种反应堆。这两种堆的结构大致相同。 (1) 重水慢化，重水冷却堆核电站 这种反应堆的反应堆容器不承受压力。重水慢化剂充满反应堆容器，有许多容器管贯穿反应堆容器，并与其成为一体。在容器管中，放有锆合金制的压力管。用天然二氧化铀制成的芯块，被装到燃料棒的锆合金包壳管中，然后再组成短棒束型燃料元件。棒束元件就放在压力管中，它借助支承垫可在水平的压力管中来回滑动。在反应堆的两端，各设置有一座遥控定位的装卸料机，可在反应堆运行期间连续地装卸燃料元件。 这种核电站的发电原理是：既作慢化剂又作冷却剂的重水，在压力管中流动，冷却燃料。像压水堆那样，为了不使重水沸腾，必须保持在高压（约90大气压）状态下。这样，流过压力管的高温（约300℃）高压的重水，把裂变产生的热量带出堆芯，在蒸汽发生器内传给二回路的轻水，以产生蒸汽，带动汽轮发电机组发电。 （2）重水慢化、沸腾轻水冷却堆核电站 这种堆是英国在坝杜堆（重水慢化、重水冷却堆）的基础上发展起来的。加拿大所设计的重水慢化重水冷却反应堆的容器和压力管都是水平布置的。而重水慢化沸腾轻水冷却反应堆都是垂直布置的。它的燃料管道内流动的轻水冷却剂，在堆芯内上升的过程中，引起沸腾，所产生的蒸汽直接送进汽轮机，并带动发电机。 因为轻水比重水吸收中子多，堆芯用天然铀作燃料就很难维持稳定的核反应，所以，大多数设计都在燃料中加入了低浓度的铀－235或钚－239。 重水堆的突出优点是能最有效地利用天然铀。由于重水慢化性能好，吸收中子少，这不仅可直接用天然铀作燃料，而且燃料烧得比较透。重水堆比轻水堆消耗天然铀的量要少，如果采用低浓度铀，可节省天然铀38%。在各种热中子堆中，重水堆需要的天然铀量最小。此外，重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。它的主要缺点是，体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。 石墨气冷堆核电站 所谓石墨气冷堆就是以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂的反应堆。这种堆经历了三个发展阶段，产生了三种堆型：天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆。 （1）天然铀石墨气冷堆核电站 天然铀石墨气冷堆实际上是天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。这种反应堆是英、法两国为商用发电建造的堆型之一，是在军用钚生产堆的基础上发展起来的，早在1956年英国就建造了净功率为45兆瓦的核电站。因为它是用镁合金作燃料包壳的，英国人又把它称为镁诺克斯堆。 该堆的堆芯大致为圆柱形，是由很多正六角形棱柱的石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有燃料元件的孔道。以便使冷却剂流过将热量带出去。从堆芯出来的热气体，在蒸汽发生器中将热量传给二回路的水，从而产生蒸汽。这些冷却气体借助循环回路回到堆芯。蒸汽发生器产生的蒸汽被送到汽轮机，带动汽轮发电机组发电。这就是天然铀石墨气冷堆核电站的简单工作原理。 这种堆的主要优点是用天然铀作燃料，其缺点是功率密度小、体积大、装料多、造价高，天然铀消耗量远远大于其他堆。现在英、法两国都停止建造这种堆型的核电站。 (2)改进型气冷堆核电站 改进型气冷堆是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的。设计的目的是改进蒸汽条件，提高气体冷却剂的最大允许温度。这种堆，石墨仍然为慢化剂，二氧化碳为冷却剂，核燃料用的是低浓度铀(铀－235的浓度为2－3%)，出口温度可达670℃。它的蒸汽条件达到了新型火电站的标准，其热效率也可与之相比。 这种堆被称为第二代气冷堆，英国建造了这种堆，由于存在不少工程技术问题，对其经济性多年来争论不休，得不出定论，所以前途暗淡。 （3）高温气冷堆 高温气冷堆被称为第三代气冷堆，它是石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的堆。 这里所说的高温是指气体的温度达到了较高的程度。因为在这种反应堆中，采用了陶瓷燃料和耐高温的石墨结构材料，并用了惰性的氦气作冷却剂，这样，就把气体的温度提高到750℃以上。同时，由于结构材料石墨吸收中子少，从而加深了燃耗。另外，由于颗粒状燃料的表面积大、氦气的传热性好和堆芯材料耐高温，所以改善了传热性能，提高了功率密度。这样，高温气冷堆成为一种高温、深燃耗和高功率密度的堆型。 它的简单工作过程是，氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。 高温气冷堆有特殊的优点：由于氦气是惰性气体，因而它不能被活化，在高温下也不腐蚀设备和管道；由于石墨的热容量大，所以发生事故时不会引起温度的迅速增加；由于用混凝土做成压力壳，这样，反应堆没有突然破裂的危险，大大增加了安全性；由于热效率达到40%以上，这样高的热效率减少了

若想用裂变原子能发电，首先要将核燃料浓缩。核燃料指的是“铀235”。大自然中的天然铀中，铀235只占0.7%，大部分是不能使用的铀238。为了将铀235浓缩，可以使用离心机将铀238分离出来。当铀235浓缩到5%到20%，就可以制成与香烟头那么大的燃料块，装入外径10毫米内径8毫米的细长锆合金管（因为锆可以透过热核反应所必需的中子，其他金属大都不能让中子透过），制成燃料棒备用。如果把铀235浓缩到80%以上，就可以制造原子弹了。

核电站的核心是核岛，就是核燃料燃烧并产生热量的地方。简称“堆”。核燃料是自身就会发热的物质，越是堆在一起，发热就越快越多。核电站的原子反应堆分为“水堆”和“气堆”，水堆使用普通水或重水作热交换介质，气堆使用氦气或液态钠、液态锂作热交换介质，气堆的工作温度约为850°C。由于水堆工作温度低，技术上易于实现，也相对安全，世界的核电站绝大多数是水堆。水堆又分使用重水的“重水堆”和使用普通水的“轻水堆”。由于“重水堆”能生产制造核弹用的材料钚239，同时重水堆体积太大，为了防止核扩散，所以重水堆属国际原子能机构严格限制使用的原子反应堆。世界的核电站大多是轻水堆。

轻水堆根据核岛内水的工作压力分，又分“沸水堆”和“压水堆”两种。“沸水堆”优点是结构简单，工作压力低（70个大气压6.86MPa、285°C），所以相对比较安全。缺点是：由于使用从核岛里直接引出来的蒸汽推动汽轮机工作，这蒸汽有较强的放射性，所以汽轮发电机组必须屏蔽起来，人不能靠近。另外由于只能使用5％以下的低浓缩度燃料，所以燃料利用率低（发同样多的电，沸水堆比压水堆要多用一倍的燃料）。正因为沸水堆有以上缺点（主要是成本高、经济性差），世界上早期运行的核电站大多沸水堆，目前的大多是压水堆。

压水堆的基本结构是：先用6厘米厚的镍钒锰钛不锈钢板焊一个大圆筒，上边半球形的顶也是用同样的不锈钢焊接而成。外边敷上一层铅板和厚厚的钢筋混凝土，就制成了核岛的安全壳。核岛的内部有压力容器和热交换器，压力容器内部主要放置核燃料棒组件和控制反应速度的控制棒。100万千瓦的电站大约放置燃料棒组件400多组，每组燃料棒组件由直径1厘米长6米的核燃料棒289根排成17乘17的方形，这些核燃料棒能发热的寿命为三年，每年换掉三分之一。

核燃料棒组件放置在核岛的压力容器的底部，上部放置数量几乎相等的石墨制成的十字形控制棒（老款）或双层不锈钢管内装银铟镉合金（新款）管状控制棒，如果将控制棒全部插或套入核燃料棒组件之间，由于核燃料棒组件与组件之间被控制棒隔开或隔离，控制棒把核燃料棒放出的热中子几乎全部吸收，所以原子反应就几乎停止了，只能微量地发一点点热，若将控制棒从核燃料棒之间逐步提起，原子反应也就逐步变强，产生的热量逐步增多。调整控制棒的位置就能控制原子反应的速度。整个核岛的压力容器内充满了水（加硼砂的普通纯水）。

正常工作时，核岛的压力容器内的温度为330°C，相应水的压力为155个大气压（15.2 MPa）。因为压力很高，水虽然已经高到330度，但就是沸腾不了，所以叫“压水堆”。 由于核岛压力容器内的水有极强的放射性，为了安全，不能直接用它形成的蒸汽来推动汽轮机工作，要用这压力容器内的高温高压水，通过主水泵循环，到核岛内热交换器里去“烫”第二回路的水，将第二回路的水烫成100多个大气压的没有放射性的高温蒸汽，再用这个蒸汽去推动汽轮发电机组发电，以下的工作原理就和火电厂的发电原理没有区别了。

早在1949年春，即中华人民共和国正式成立半年前，中共领导人就派物理学家钱三强前往欧洲参加和平大会。他此行的目的就是为了筹集建立现代物理研究所所必需的资料和设备。在法国科学家弗雷德里克·约里奥－居里的帮助下，这一目的达到了。

1950年初，中国科学院成立了现代物理研究所（后改名为原子能研究所）。1953年春，中科院代表团一行26人赴苏进修核技术，但他们只接触到了几名丝毫不了解核技术课题的科研人员。

1954 年10月，在赫鲁晓夫访华期间，毛泽东主席第一次提出请苏联帮助中国制造核武器。赫鲁晓夫没有做出任何承诺，并劝说毛泽东放弃这一“不切实际”的计划，认为中国不具备相应的工业基础和经济实力。但是，从1955年到1958年间，双方还是签署了几项相关的协议。

1955年1月22日签署的协议规定，双方共同在新疆进行地质勘探，并开采铀矿。作为回报，中国政府有义务向苏联提供剩余的铀。勘探发现，中国蕴藏着丰富的制造原子弹的原料，其中西北地区的储量首屈一指。

1956年4月7日签署的关于帮助中国建设军事和民用设施的苏中协议规定，将铺设从阿克斗卡至兰州的铁路，以便向设在罗布泊的第一座核武器实验中心运送设备。

毛泽东善用时机

从1956年到1967年的12年间，中国的科学精英们在核武器的研制上刻苦钻研，来自苏联的640名科学家也参与其中。主要研究内容包括：原子能的和平利用、放射技术、半导体技术、计算机开发以及“国防方面的专门问题”。为了促进这些宏伟计划的实现，中国政府“请求苏联以及其他人民民主国家在这些方面予以多方支持”。

在中国向苏联政府所提的请求中，摆在首位的是帮助发展国防和原子能工业。从已有文献判断，赫鲁晓夫在1954年至1957年间只同意与中国在用于和平目的的原子能领域里发展合作，这对中国来说远远不够。

负责中国核计划的聂荣臻元帅回忆道，1956年波兰和匈牙利事件发生后，赫鲁晓夫在向中国提供复杂的技术帮助方面再次让步。1957年9月，中国代表团赴莫斯科谈判。赫鲁晓夫刚刚在党内派别交锋中战胜莫洛托夫及其拥护者。他十分希望毛泽东亲自出席那年在莫斯科举行的共产党和工人党会议，以此间接表明对自己的支持。毛泽东审时度势，提出只有签订了向中国转让生产核武器及其运载工具的材料和模型的军事技术协议后，他才前往莫斯科。

有关协议于1957年10月15日签署。苏联同意提供原子弹教学模型、图纸及文件，但拒绝提供制造核潜艇的材料。1958年上半年，负责转让原子弹模型及相关生产技术的苏联专家开始陆续来到中国。根据中方资料，莫斯科还提供了两枚地对地近距离导弹模型。到1958年中期，中国的工程师们已经为原子弹爆炸准备好了模拟实验室，苏联专家却几次以安全系数低为由推迟实验。

苏联领导人毫不怀疑毛泽东准备爆炸原子弹的决心。科学院院士阿布拉姆·约费回忆道：“上面下达的指示是，向中国提供苏联新制订的最完备方案。而参与此项任务的专家们比自己的上级更了解政治局势，仅仅提供了旧方案。但苏联原子弹事务驻华代表处顾问扎季基扬发现了这一点，并向上作了汇报。最终还是提供了最完备的技术，但此后不久苏联同中国的关系就决裂了。”

中苏原子能合作的高潮是在1958年6月。当时，中科院原子能研究所在苏联协助下建立的第一座实验重水型核反应堆投入使用。

核武器控制权归谁？

1958 年，中国政府再次向苏联提出，希望帮助建立一支装备核潜艇的现代化舰队。苏联驻华大使帕维尔·尤金当年7月1日在与毛泽东会晤时说，莫斯科认为，苏联和中国共同努力建设现代化舰队是可行并合适的。就其位置来讲，中国海域是极其重要的地区，为这支舰队在太平洋地区活动提供了有利条件。他建议举行有周恩来总理和国防部长彭德怀参加的会议。

毛泽东对此并不热心。他想知道，这支舰队是不是苏联和中国的共同财产？谁有指挥权？尤金大使回避细节，只是邀请周恩来和彭德怀前往莫斯科讨论问题。

第二天，毛泽东又约见了苏联大使尤金。当时在北京的所有中央政治局委员都聚集在中南海室内游泳池的休息大厅里，毛泽东想让尤金知道，他在表达全党高层的意见。

毛泽东一开始就抱怨说，昨天的谈话让他没睡好觉；他接着说，苏联是个强国，中国是个弱国，它没有核武器和核潜艇；然后，毛泽东话锋一转说道，中国不同意和平时期在本国领土上建立苏联海军基地：“我们只能同意，你们帮助建设我们做主人的舰队。”关于周恩来和彭德怀访问莫斯科的建议未被采纳。

尤金表示，鉴于涉及的问题十分重要，希望毛泽东在和赫鲁晓夫的会晤中商讨。毛泽东表示同意，但提出重要的条件：如果苏联帮助建设中国舰队的问题难以解决，会晤可能取消或推迟。那样的话，两位领导人根本没必要举行会晤。

意外的北京会晤

这次谈话让赫鲁晓夫感到不安。一两天后，尤金通报中国领导人，赫鲁晓夫不能前来中国。但是过了不久，1958年7月31日，赫鲁晓夫就秘密飞抵北京。两国领导人举行了小范围的会谈。据见证者说，部分谈话是在游泳池旁进行的，两人穿着短裤躺在椅子上，谈话内容是军事问题。

赫鲁晓夫谈到了苏美两大国在核时代的特殊责任，毛泽东表示了解世界局势的危险程度，并马上表示，因此中国“拥有自己的核武器是极其重要的，但我们没有”。赫鲁晓夫答道，中国并不需要核武器，因为苏联准备像保护自己那样保护邻国。毛泽东反驳道，谢谢，但中国是个主权大国，我们需要自己拥有核武器，以便在战争中自卫。如果你们不想支援我们这种武器，那就从技术上帮助中国制造核武器。赫鲁晓夫解释说核武器造价昂贵。毛泽东表示，好吧，我们自力更生，来对付美国纸老虎。

赫鲁晓夫暗示，只有中国同意受到苏联方面一定程度的监督，它才能得到最新的核技术。苏联领导人开始明白，国际社会必须在核裁军的斗争中采取协调一致的行动。赫鲁晓夫和毛泽东在谈话中互不理解，互不满意，这成为莫斯科和北京20年不和的前兆。

在赫鲁晓夫访问中国之前，苏联国防部长马利诺夫斯基1958年4月18日给中国彭德怀元帅写了一封信，提议共同建设一个长波无线电台和一个无线电发射中心，确保与太平洋的苏联海军舰队的联系，由苏联承担其中70%的费用。中国高层不喜欢这个建议，打算独立实施。毛泽东在与尤金会晤中说，中国在莫斯科的协助下可以建立自己的的跟踪台，并向苏联提供观察结果。

原则问题决不让步

1958 年夏天，赫鲁晓夫和毛泽东谈话的另一个内容是建立一支核潜艇联合舰队。据中国的材料，毛泽东对苏联领导人说，中国决定不建造自己的核潜艇，因此请求援建。毛泽东说：“但这不意味着我们将把所有海岸线都交给你们。不要把‘我们共同做’与‘你们自己做’和‘我们自己做’混在一起。我们始终希望拥有自己的舰队。”

毛泽东接着说：“在战争时期，局势会变化，你们可以使用我们的所有海港和军事基地。但是，在这里指挥战役的权力是我们的。我们的军人也可以在你们的领土上行动，包括在海参崴的港口和基地。我们的舰队比你们的小，应当服从你们的指挥。我们要事先签署战争时期的合作协定，不要等到军事行动开始的时候。协定应当允许我们的军队在你们的领土上行动。即使我们不这样做，也要有这样的条款，它符合平等的原则。但在和平时期，就没有这种必要了。在和平时期，你们只应当帮助我们建立军事基地和建设军队。”

毛泽东最后对赫鲁晓夫说：“我的话不好听。你甚至会说，我是民族主义分子，是第二个铁托。但是如果你要这样说，那我就要说，你们俄罗斯民族主义已经蔓延到中国沿海。”

据有关材料说，赫鲁晓夫向毛泽东提议建设联合舰队，并竭力打消毛泽东的疑虑，让他不要认为莫斯科想建立一支苏联指挥的舰队。

赫鲁晓夫仍然坚持在中国建立苏联海军基地。他问道：“我们的舰队现已进入太平洋，主要基地却是在符拉迪沃斯托克。能不能让我们的潜艇在你们那里驻扎、加油、休息呢？”毛泽东对此不满意，拒绝了。赫鲁晓夫又提出交换条件：“如果需要，我们可以向你们提供摩尔曼斯克地区，你们可以在那里停靠潜艇。”毛泽东对此也不同意，指出中国过去多年受到“英国人和其他外国人”的欺压。

“我们自己造，从零开始”

1959年夏天，形势已经清楚，苏联将不向中国提供制造原子弹的全面技术。周恩来说，我们自己造，从零开始，用8年时间造出来。但是，由于大跃进和政治运动，中国的原子弹计划严重受阻。

1960年，苏联召回1292名专家，更使中国雪上加霜。制造核武器的期限被推迟。1961年7月，中国举行了一次军工企业工作者会议，与会者激烈地讨论着：在经济困难的条件下，是否应当继续研制原子弹和运载工具？

毛泽东没有出席会议，但要求再次讨论一个问题：中国应当走什么道路？在召开第二次会议的时候，中国已经拥有短程火箭，并掌握了先进军事设备的制造技术，其中包括试验原子弹所需要的设备。中国人因此得出结论：中国也能够独立造出原子弹。外交部长陈毅说，我们即使没有裤子穿，也要拥有世界水平的武器。

1962年8月，聂荣臻向中国领导人报告，1965年以前就可以试验原子弹。

1964年10月16日北京时间13时，中国成功试爆了第一颗原子弹。在周恩来向毛泽东汇报顺利进行试验时，毛泽东要求详细检查原子弹是否真的爆炸。他立即得到报告：火球已经变成了蘑菇云。当天22时，中国电台正式报道了爆炸成功的消息。这项工作原来预计要花8至10年，而中国仅用5年就成功制造出了第一颗原子弹。

铀委员会在给罗斯福的第一份报告中指出：由于核研究的军事特别是海军应用，“我们相信这个研究是值得政府给予直接财政支持的。”费米和西拉德等人因此而得到了美国政府的一部分拨款。他们利用这笔资金签订了购买材料的合同，将不断缓慢到来的氧化铀和石墨堆在一起，研究反应堆中材料的排列方式，各种中子吸收、逃离现象，用实验和外延的办法测量、推断和提高反应堆的中子增殖系数。

美国在战争时期制定科研和防务政策的任务主要落在大学校长们的肩上。一方面，这是因为华盛顿的政府办公室里没有人真正深入了解，并能指挥起美国的科学研究；另一方面，军事科研部门缺乏优秀人才。

罗斯福总统看到了这个弱点，他曾在科学家的聚会上讲话，希望科学家能成为保卫美国安全的一支重要力量。美国东海岸的一些大学校长也认为，国家科学院应对战争做一些事情，他们推荐华盛顿卡耐基大学校长布什出面与罗斯福总统商谈有关国防科研的问题。

布什曾是一位电子专家，精通应用数学，曾经担任过麻省理工学院的副院长。布什于1940年6月初与罗斯福总统进行了会谈。6月27日，罗斯福下令成立国家防卫研究委员会，布什担任这个委员会的主席。它的主要任务是在美国科学院和美国政府之间建立联系，使美国的科学研究能在美国政府的支持下，独立地和更有效地为美国的防务服务。布里格斯的铀顾问委员会演变成它的一个下属委员会。布什对它进行了改组，把这个委员会的两名军事成员换成了5名科学家，强化了美国的核研究计划。仅哥伦比亚大学的核研究在1940年1.1月就得到了4万美元的额外支持，材料的供应也得到了明显的改善。

美国国家防卫研究委员会成立后，实际上只控制了与国家科学院有关的研究人员。当时军队拥有另两个平行机构：军事服务实验室和国家航空顾问委员会。为了将所有的科研能力统一起来，更有效地为战争服务，在布什的提议下，罗斯福总统于1941年6月28日下令成立政府科学研究发展办公室，布什被委派为这个办公室的主任，成为美国战时军事科研的最高协调人，原国家防卫研究委员会成为科学研究发展办公室的一个下属机构。布什在核研究方面的主要助手，哈佛大学校长、化学家科南特接任国家防卫研究委员会主席。布里格斯的铀委员会升级为科学研究发展办公室的一个分部，也称S-1委员会。这样，核研究就变成了美国战时几个最重要的军事研究项目之一。

在西拉德、费米等人积极地争取美国政府的支持，以军事应用为最终目的而从事核研究的同时，另一个纯学术研究性质的实验室却在无意中接近了原子弹研究的大门。

在加州大学伯克利分校的辐射实验室，回旋加速器的发明人、诺贝尔物理学奖金获得者劳伦斯，很热心于加速器技术的改进和更大加速器的建造。1940年，他从洛克菲勒基金会获得100多万美元的资助，以建造重达4900吨的回旋加速器。他的一些物理学界的朋友，如麦克米伦和艾贝尔森等人则利用劳伦斯的回旋加速器产生的高能粒子束做各种核实验。

1940年初，麦克米伦和艾贝尔森在实验中发现了玻尔预言过的第94号元素钚-239存在的迹象。钚-239是由铀-238吸收一个中子，并经过两次衰变后产生的，具有24000年的寿命，与铀有着非常不同的化学性质。他们的这一发现在当年6月号的《物理评论》上公开发表。

1941年2月，伯克利的化学家西博格用化学方法正式证实了钚-239的产生，并开始对它的性质进行系统测定。根据玻尔的预言，钚-239也是一种可裂变元素。英国核研究主持人之一的查德威克看到文章后，立即通过外交途径请求美国方面制止更多消息的泄露。1940年12月28日，英国另一名重要核物理学家考克饶夫通过英国驻美科技代表福勒转给劳伦斯一封信，提醒他注意钚的潜在军事应用价值。麦克米伦不久因雷达研究而返回麻省理工学院，在他的建议和劳伦斯的帮助下，费米当年在罗马的同事西格雷接替了麦克米伦，他们在1941年3月就证实了钚-239的可裂变性。

1941年初，美国很多物理学家对布里格斯的铀委员会的工作提出了意见。布什请美国国家科学院院士、芝加哥大学物理系主任康普顿组织一些“有资格判断核研究”的人对核计划作全面的考证。经过与布里格斯委员会成员讨论后，康普顿的委员会于5月17日递交了第一份报告。报告讨论了慢中子的军事用途，包括利用裂变产生放射性污染、反应堆作为潜艇动力，以及由高纯度的铀-235或其他可裂变元素装配原子弹。报告虽然提出了核动力未来的重要性，但对成功的时间特别是同位素的分离持不乐观的估计，没有能够对原子弹在当时战争中的作用提出肯定的建议。

劳伦斯是国家防卫研究委员会雷达小组的成员，在核物理学的朋友，特别是英国朋友的影响下，他对核研究的军事应用兴趣日增。劳伦斯提出把他的37英寸回旋加速器改装成分离铀同位素的质谱仪。1941年3月，他正式要求布什在财政上支持伯克利搞核研究。7月11日，他给康普顿的委员会递交了一份报告，在美国的核研究史上第一次具体地提出了原子弹的构造，“如果有大量的94号元素，快中子也可以产生链式反应，这个反应释放能量的速度将是爆炸性的，因而可视为一种‘超级炸弹’。”

布里格斯的铀委员会和康普顿的两个报告都未能就原子弹问题作出肯定的推荐。与美国相反，这时英国却对原子弹的前景提出了肯定和乐观的建议。它使布什、科南特以及其他一些美国物理学家感到困扰，认为有必要重新考察整个核研究。布什又一次改组了铀委员会，增加了一名重要的核物理学家，他让科南特找劳伦斯和康普顿会谈，希望劳伦斯为核研究做更多的事情，再次请求康普顿组织国家科学院的物理学家，全面考察核研究。

1941年11月6日，康普顿正式提交了他的委员会的第三个报告，其中写道：“全力以赴研制原子弹，对于国家和自由世界的安全是必不可少的……必须认真考虑到，在几年之内，报告描述的原子弹或类似的铀裂变装置的使用，将决定军事上的优势。只要将足够质量的铀-235材料很快地合在一起，就可以产生具有超级摧毁力的裂变炸弹。”报告估计原子弹的临界质量为2～100公斤。由于原子弹爆炸时，核反应不能完全进行到底，1公斤铀-235爆炸时能产生相当于300吨TNT炸药产生的爆炸力。如果全力以赴的话，原子弹成功的时间为3～4年。

布什接到康普顿的报告后，立即报告罗斯福总统。罗斯福的回答是，如果原子弹是可行的，我们必须首先造出来!

S-1委员会的中心任务是，研究美国能否在战争结束之前造出原子弹。卡耐基大学核研究小组已经证明，快中子在铀中引起核裂变时，80％以上的裂变原于核是铀-235。加州大学伯克利分校的奥本海默根据最新的实验数据，估计原子弹的临界质量为2.5～5公斤。

原子弹的另一个关键问题是，能否在短期内获得足够的裂变材料。质量不同的同位素不能用化学方法分离，而且由于铀同位素质量大，而质量差小，分离它们是很困难的。当时美国的科学家已经在研究4种不同的铀同位素分离方法：

(1)扩散法。它利用克劳修斯热平衡原理，把质量不同的同位素分离，美国海军实验室很热心于这一方法。这种方法的缺点是效率太低。

(2)离心法。它利用不同质量的气体在旋转时所受的离心力不同而将同位素分离。原则上它可有很高的效率，哥伦比亚大学的尤里和弗吉尼亚大学的皮姆斯在这方面已经做了很多工作，主要涉及到材料和离心泵的问题。

(3)气体扩散法。它利用不同质量的气体穿过一些多孔膜时的透过系数不一样，从而把同位素分离。哥伦比亚大学的邓宁估计，如果让天然铀的氟化物气体通过5000层膜，氟化铀中的铀-235含量可以达到原子弹材料的要求。

(4)电磁分离法。它利用不同质量的带电粒子在磁场中的偏转不同，从而把铀同位素分离。1941年夏，劳伦斯从实验上突破了这一障碍，为铀同位素的大规模电磁分离开辟了道路。

另一种裂变材料钚-239的生产，首先要取决于自持式链式反应堆的建造成功，以及钚-239从铀中的化学分离。费米在哥伦比亚大学用石墨作缓冲剂的“晶格式”指数实验反应堆的中子增殖系数，已达到0.9以上，物理学家们认为这个系数可随材料纯度的提高而增大。另外一种用重水作缓冲剂的反应堆的研究也在进行，核工厂所需要的原料供应没有遇到很大的困难。

1941年初，在北美洲大概存放有2000吨氧化铀，美国和加拿大的铀矿每月能提供几百吨铀产品。S-1委员会估计，最小的原子弹只需不到10公斤的铀-235，提炼每公斤铀-235需要的氧化铀将少于1吨。一个反应堆也只需要几百吨氧化铀。因此，氧化铀的供应是不成问题的。同时，S-1委员会还筹划为反应堆的研制购买大量的石墨和重水。

1941年12月6日，布什把康普顿等人召到华盛顿，并正式传达了罗斯福总统“全力以赴研制原子弹”的命令。科南特在S-1委员会的会议上宣布，他将作为布什在S-1委员会的私人代表，协调核计划的进展。他同意在4种铀同位素分离方法上同时努力，确保为原子弹研制提供核材料。会议确定了各项具体工程计划的负责人：标准石油公司研究部主任默弗里被委任主管一切与研究有关的工程计划问题；尤里负责铀同位素气体分离的研究；劳伦斯负责铀的电磁分离；康普顿负责反应堆的研制，钚的分离、生产以及快中子和原子弹本身的理论研究。

早在1940年，康普顿就开始在芝加哥大学物理系组织自己的核研究小组；逐步使芝加哥成为美国核研究情报交流中心。他在接到S-1委员会的指示后，立即把芝加哥的核研究小组进行改组，升级成代号为“金属计划”的大研究计划，使其有权调动全美国的核研究力量。康普顿还在物理系建立了一个专门从事核研究的实验室，代号为“金属实验室”，一大批杰出的物理学家应邀到该实验室工作。

美国的核研究计划从此形成了。于是，人类历史上最大的武器——政治联姻将在未来的几年内实现，原子外交时代将悄然降临人间。人类，包括总统、主席、首相和国王们，都不得不在思维中出现“原子”的影子，它让所有的人不得安生，特别是在漫长的“冷战”时期。