【我的美篇】憶我與我國核工業的一小段情緣（2021-12修訂版）

鄔顯義

本文介紹六十年代我們三個不到30歲的年輕人，對原子能一竅不通的臭皮匠，在沒有任何一點點參考資料，沒有電腦，沒有互聯網的情況下，白手起家，研制出非常奇特的在原子反應堆里工作的“特種蠕變試驗機”的經歷。 一，引子（1）1964年10月，我國成功爆炸第一顆原子彈。1967年6月，我國又成功爆炸第一顆氫彈，兩者相隔二年八個月。這兩件都是驚天動地的大事。 氫彈爆炸圖。 一般人可能不清楚，原子彈與氫彈是完全不同的兩種技術。原子彈是原子”核裂變”產生巨大的能量，而氫彈是“核聚變”，兩者機理完全不同。原子彈的炸藥是鈾235和钚239，它們有一個“臨界質量”，它們放在一起的質量（也就是重量）達到“臨界質量”時，瞬間就會引起不可控的核爆炸。所以平時只能做成小于“臨界質量”的一小塊一小塊分開存放。制造原子彈時，也是一小塊一小塊小包裝分隔好裝進炸彈里，其總量大于“臨界質量”，再放入一個普通炸藥做的雷管，當引爆雷管后，把核炸藥的小包裝炸壞，幾個小包裝的核炸藥混在一起，就達到了“臨界質量”，瞬間產生核爆炸，這是原子彈爆炸的過程。氫彈則與此完全不同，其原料是很輕的氘和氚。當它們的環境溫度達到二千萬度時，它們的原子核會產生聚合反應，爆炸后中心溫度會達到100億℃，是太陽中心溫度的一千倍。其威力可想而知。 所以氫彈的爆炸過程是：普通炸藥引爆原子彈，原子彈爆炸產生的高溫又引爆氫彈，氫彈爆炸時產生的高溫高壓和強大的中子流又會使原子彈炸藥爆炸更充分。由此可以理解了，要想爆炸氫彈成功，首先要掌握原子彈爆炸技術。如果不能引爆原子彈，氫彈就引爆不了。兩者威力差多少？氫彈的爆炸威力比原子彈大一百倍以上。 這是中國第一個氫彈的照片。它不是放在鋼架上引爆的，而是用飛機空投的。它的長度比人高。彈尾有降落傘，讓它緩緩下降，在它下降的過程中，投彈飛機要以最快速度逃離爆炸現場，否則飛機和駕駛員會同歸于盡。 二，引子（2）在介紹我們研制的“特種蠕變試驗機”之前，先解釋兩個名詞。1，蠕變從字面解釋就是緩慢的變化。蠕變現象在日常生活中常常可以見到，例如橡皮筋捆東西捆得很緊，時間長了解下來時會很松。松緊帶也有這個現象。涼衣繩新裝的時候拉得很緊很直，過一段時間中間就塌下來了，變得很松，這就是繩子或鐵絲蠕變伸長所致。工業上很多場合蠕變是一個必須充分認識和重視的技術參數。有的大橋由鋼梁構成，其中有的鋼梁成年累月承受著巨大的拉力，時間長了，鋼梁伸長了，橋梁中間就會下塌。有的大橋是懸索橋，也是存在同樣問題。這個變化時間是按“年”計算的。飛機上的噴氣式發動機中有渦輪轉子，葉片每分鐘要旋轉上萬轉，受到的離心力非常大，葉片會越甩越長，伸長到一定時候，就會與發動機內壁相刮，那就會機毀人亡。這是按”小時”計算的。這是一個很矛盾的問題，出廠時，留的間隙大，（這會造成漏氣），氣輸出功率就小，但是工作壽命就長。所以就要求我們提供“蠕變試驗機”來測定這種材料的蠕變參數，在這樣高的溫度下，受這么大的離心力，他的變形隨時間會怎么變化，第一個小時伸長多少，第二個小時伸長多少……畫出”蠕變曲線”來，提供給設計人員。 從蠕變曲線可以看到，負載剛加上的半小時到一小時內，蠕變速度特別快，經過幾十個小時后，慢慢變成一條直線，也就是以恒定速度增長。 2，蠕變試驗機顧名思義就是測量材料蠕變特性的試驗機。從技術上來說，就是”對試樣施加恒定的載荷，測量試樣長度與時間的關系。”它的試樣一般呈啞鈴狀，兩頭的大腦袋有螺紋，擰在試驗機上下夾頭上。中間細的部分（小手指那么粗），劃了兩條標記線，試驗過程中測量兩條線距離的變化，這就是蠕變量。有的場合沒有辦法測量劃線的距離（例如高溫環境下看不訓線），就測量上下夾頭距離的變化。此外還有主機（機架），加荷機構（一般是杠桿加砝碼），試樣變形測量系統，有的還有高溫環境箱等。大橋鋼梁，鋼索都只在常溫下測量。大家都知道，材料的溫度越高，材質就越軟。汽輪發電機組（一臺汽輪機帶動一臺發電機轉動）的渦輪機轉子葉片在高壓蒸汽環境下工作，就要在幾百度下做試驗。汽輪發電機組要求啟動后連續工作30年不停車，所以測量蠕變的試驗時間也是要長時間的數據。飛機噴氣發動機轉子的工作環境要上千度（電視上可以看到噴口里面白亮白亮的，那就是一千多度了），但是六十年代，空軍部隊告訴我們，為了安全起見，發動機工作一百小時，不論好壞，都要拆下來換新的。所以我們的蠕變試驗機只要有一百小時試驗數據就可以。現在過去五十多年了，發動機肯定不是這水平了。這種上千度的試驗機肯定都要在真空環境下試驗，否則試樣表面很快就會氧化腐蝕。所以蠕變試驗機除了載荷大小不同之外，還有常溫，中溫，高溫，超高溫之分。還有大氣環境，真空，充保護氣之分。還有短時蠕變和長時蠕變之分。還有單頭蠕變和多頭蠕變之分（一個主機上同時試驗幾個試樣）。 這典型的高溫蠕變試驗機。 這是準備出廠的蠕變試驗機。因為蠕變需要長時間測量，不同溫度，不同載荷，才能全面掌握某種材料的蠕變規律。所以一個蠕變試驗室都是幾十臺試驗機同時日夜不停工作。 三，正題正題是“特種蠕變試驗機”。看完上面兩個引子，再來了解這臺特殊的試驗機就比較容易了。 1966年底（也就是我國原子彈爆炸兩年后），上級給我們所下達一個“軍工課題”。當年被稱為“軍工課題”的肯定是與國防有關的項目。具體就是要做一臺能在原子反應堆里做試驗的蠕變試驗機。開始時具體技術要求我們一概不知道，對”原子反應堆”也只是聽到過這個名，是一個帶有非常神秘色彩的名詞。當年叫得最響的口號是最高指示：“備戰、備荒、為人民！”。“要準備打仗！”。當時全國人民是同仇敵愾，意氣高昂。所以聽說上級布置下來軍工項目，先不問具體內容，不考慮有沒有能力，能不能干出來，就先向上級表態：能干！ 然后，“中國原子能研究所”派人來交代具體要求了：要求我們研制一臺蠕變試驗機，整臺試驗機裝在一個直徑150mm粗（手臂那么粗）的一根不銹鋼管內，插入到原子反應堆里接受強中子輻射，測量某種材料在這種條件下的蠕變量。第一次聽到要做這樣的蠕變試驗機時，我們共同的反應是：天啊！要把大立柜大小的試驗機壓縮到手臂大小？真是異想天開！這絕對做不到！我們也不是孫悟空！但是當年的人思想覺悟非常高，說是“研究原子彈要這數據”，再困難也得干！沒有討價還價的余地聽完來人介紹，我們“干不了”更說不出口了，原來我國兩年前原子彈爆炸成功，那才是剛開始走出第一步，實際上對核能的很多機理了解得十分浮淺，今后有大量工作要做深做細，其中一個是研究工作需要知道某些材料在強中子輻射環境下的蠕變特性，怎么獲得這種環境？只有在原子反應堆里。原子反應堆什么樣的？來人解釋，這是一個圓柱狀大容器，有許多帶管的孔，東西從管子里吊放進去，有的是核燃料棒（鈾235，钚269等），有的是控制反應速度的石墨棒等等，我們的蠕變試驗機做好了也從這里吊放進去，在強放射線環境下做測試，所以只能做得這么大，沒有其它辦法。當年有關核技術的資料，老外對我國是絕對嚴密封鎖的，蘇聯于1960年撤走全部專家，成為我們的對立面，所以一切工作都要靠我們中國人自己來做。我們研究所商量結果是，這項任務不論困難有多大，肯定要接下來，全國“試驗機研究所”只有我們獨此一家，如果我們不干，你讓他們找誰去干？所以我們責無旁貸，沒有任何推脫的權利。要做到沒有條件創造條件也要上！所里馬上成立了課題組，因為東西不大，所以只有三個人，羅某某任課題負責人，參加人有張某某和我，他們兩人搞機械設計，我負責變形測量（后來還有力值自動控制）。所領導選中我參加，而且負責非常關鍵的部分，我覺得受寵若驚，因為這是一個“機密”級的軍工項目，當年滿街都是“老子英雄兒好漢，老子反動兒混蛋！”，選上我這個黑五類子女，我感覺到光榮，我暗暗發誓，一定要全力以赴，盡心盡力工作，來回報領導對我的信任。 這個藍色大罐里就是核反應堆。外面還有鋼筋混凝土。我們看今天各地的核電站照片，都能看到這樣的大罐。 當年還沒有電腦，沒有互聯網，科技資料受老外嚴密封鎖，沒有任何參考資料，只能靠自己動腦子解決。課題組成立之后，第一步要考慮總體方案，體積這么小，當然不能用大立柱機架和杠桿砝碼了。最后決定采用對波紋管加高壓氣產生力，變形測量采用“差動變壓器”。這個方案可以把一個大立柜壓縮成一個胳膊大小。 這就是波紋管，把兩頭封死，通入高壓氣體，兩個封口塊之間就會產生一個拉力，有如一個特殊形狀的氣球一樣。波紋管兩個封口塊的內端面中心鉆一個螺絲孔，把試樣擰上，再通入高壓氣，試樣就受拉力了。氣壓越高，拉力越大。 “差動變壓器”是一種測量長度變化的“位移傳感器”，並不是變壓器，它的工作原理與變壓器相似，中段有一個初級線圈，兩邊兩個次級線圈，軸線上有一段鐵芯。當初級線圈接通交流電以后，通過鐵芯耦合，兩個次級線圈會分別感應出一個電壓，如果鐵芯在正中間對稱位置，兩個次級線圈感應出來的電壓大小完全一樣。如果鐵芯向一端移動，則一個線圈電壓增高，另一個減小，把兩個次級串聯起來，就可以得到它們的差值。鐵芯移動越大，差值也越大，所以叫差動變壓器。我們先把差動變壓器放在一臺標準儀器上測得位移與差動電壓的對應曲線，使用時就可以從測得的差動電壓反推出鐵芯的位移量。其靈敏度是可以測出頭發絲直徑1/50的變化。這種傳感器的優點是無磨擦力，所以無磨損，壽命無限長，特牲穩定，而且輸出信號特別大，抗干擾能力強。 總體方案確定之后，畫出一個方框圖。這是一個簡化以后的方框圖，實際的方框圖比這個復雜得多。方框圖里有一個后增加的大儲氣罐，這是考慮到反應堆里的環境溫度變化很大（反應堆有時開滿功率，有時開一部分），溫度變化時，氣體會熱漲冷縮，造成波紋管產生的力大幅度上下波動，會使測得的數據不準。所以在堆外串聯了幾個大鋼瓶，波紋管的容積很小，溫度變化造成的氣體體積變化可以被大鋼瓶吸收淡化。 這是結構示意圖。一個復雜的大立柜就變成這么簡單的幾個零件了，裝在胳膊粗的管子里。但是麻雀雖小，五臟俱全，蠕變試驗機的組成要素一個也不少：1，受拉力的試樣，2，施加可控的恒定的負荷，3，可以精確測量試樣的變形。實際上還有測量試驗溫度的傳感器（熱電偶）和儀表。 確定方案只是紙上談兵，把方案變成實物才是真刀真槍的戰斗。先說兩個情況，1，在原子反應堆里，因為有非常強烈的中子流輻射，還有強伽馬射線，所以有機物材料（含碳、氫元素）不能使用，例如塑料等，遭收轟擊后會產生質變。2，在中子流和伽馬射線輻射下，一切材料都會發熱（類似于微波爐環境），比重越高的發熱越大，例如銅，會自身發熱升溫很高。比重小的升溫就低，例如鋁。所以反應堆內用的材料要仔細選擇。鈦合金現在民用產品也用得很多了，例如廚房用具，假牙的牙托等。它的比重比鋁還輕，強度卻比鋼還高，筷子粗細的長桿，用雙手彎不動。當年是非常稀有的東西，只在飛機上采用。我們與航空部的621研究所（在北京郊區）來往很多，他們是專門研究航空材料的，（我們為他們研制專用的材料試驗機），各種鈦合金材料很多，于是我們的機架材料就選定用鈦合金制造。波紋管是儀表上使用的一種特殊器件，要用特殊的設備和模具才能制造出來。我們的兄弟單位“沈陽儀表工藝研究所”正好有一個研究室研制這種器件，當然不可能為我們一件產品制造一套專用模具，我們只能從它們的系列中選擇一種適用的。最困難的是差動變壓器，我們傳統的骨架是用夾布膠木或有機玻璃上車床加工的。但是這兩種材料屬于有機物，都不能在反應堆內使用。金屬材料也不能用（影響電場分布），最后決定采用陶瓷做骨架。大家可能不知道，瓷器的成份是三氧化二鋁，用它的粉未做成泥團造好型，放到窯里燒到1350度，成為瓷器。燒結過程中，它會產生很大變形（收縮約10%），燒結以后非常堅硬，再想上機床加工是不行的，而我們的骨架又要求尺寸非常精確，與浙江省長興縣陶瓷廠的技術員商量后，決定燒結到1200度，也就是處于夾生的半燒結狀態。這樣燒結后變形不大，硬度也不高，可以上機床加工一下。就這樣，陶瓷廠按我們的成品圖紙做了一個尺寸放大的壓模，壓了20個泥胚，放到一個小窯里，燒到1200度。看到成品以后，我非常高興，成品外觀有點像石膏，有許多小細孔，很輕，但也不是一碰就碎的，外形還可以上車床車一刀，可以做得非常規矩。下一個難題是漆包線，漆包線的芯是紫銅，比重非常大，發熱厲害。而漆皮是有機物，不允許在反應堆里用。當年性能最好的叫“聚酰亞胺漆包線”也不適用。當年還有一種耐高溫線叫“陶瓷線”，就是在銅線外面沾一層很細的陶瓷粉末作為絕緣層，但是膠本身又是有機物，不允許使用。怎么辦？真是天無絕人之路，正好那時候國內大力推廣一種“氧化膜鋁線”，這種線的芯是純鋁，成本比銅低得多，絕緣層是三氧化二鋁，就是把鋁線從一個放滿藥水的大長槽子里通過一下，鋁表面就發生化學反應生成一層氧化層“三氧化二鋁”，也就是陶瓷層，絕緣性能非常好。當年推廣在家庭里走線用和馬路邊上的電線桿上走明線用。不過現成的氧化膜鋁線沒有這么細的，我們要用的是直徑0.1毫米（相當于兩根頭發絲粗細），市場上最細的2毫米。漆包線的銅絲加工方法是通過逐級縮小的圓孔一次又一次拉拔出來的，于是我到上海電磁線廠請他們給我拔0.1毫米的鋁絲。拔鋁絲與拔銅絲所用的速度完全不同，他們經過多次試驗終于拔成了一卷。然后我又到浙江義烏一家生產氧化膜鋁線的廠去請他們生成氧化膜，加工粗線的設備又經過改造，試驗多次才成功了。這樣，漆包線問題終于解決了，我拿到了全國獨一無二的一卷直徑0.1毫米的氧化膜鋁線。這是幾個廠家全力配合的成果。（也可能是世界上唯一的）。現在回想起來，那時候人的覺悟真是令人感動，我們出差去時，只要帶的介紹信上寫上“茲介紹我所鄔顯義同志前往貴處聯系軍工項目協作事宜”，到哪里都是受到熱情接待，全力以赴幫助解決，沒有碰到過“干不了，找別人去吧”，他們也從來不懷疑你說的是真話還是假話，從不細問具體用在什么地方，只問你有什么要求。為了一點點東西，設備要改造，要試驗一一失敗一一再試驗，反復許多次，他們沒有一絲怨言。而且也不講價，有的象征性地收一點費用，有的說，這么一點東西，沒法要錢。 一個又一個難題解決了，又出來一個新的難題，那就是差動變壓器有6個線頭要引到堆外控制室的儀表上去，幾十米遠，總不能用一碰就斷的0.1毫米粗的鋁絲直接引出吧，鋁是不能用焊錫絲焊接的，因為鋁表面氧化很快，與焊錫不沾。用螺釘壓接也不行，因為絲太細，一壓就斷。后來想到一個辦法，果然一試就靈，那就是在陶瓷骨架的一端開6個小槽，用“化學鍍銀”的工藝在槽里鍍一層銀，鋁絲的引出頭上也鍍一小段銀，再用錫焊接，引出線問題就解決了。引出線有一段是在反應堆里的，不能用一般的膠皮電線。于是用2毫米粗的鋁線過渡一下，這段粗鋁線套上一小段一小段陶瓷管作絕緣，引出到堆外一定距離再換成四氟乙烯電纜線。其它如在堆外工作的差動變壓器配套的測量儀表，氣壓測量控制等，對我們來說是熟門熟路的技術，沒有碰到什么困難。至此，技術問題全部解決了。我們至今都不知道國外用的是什么方法。后來的工作一帆風順。試驗，驗收都是一次成功，我們提前完成任務，整機發送給原子能研究所使用。 交貨一年后，用戶告訴我們，設備入堆運行了，工作正常，數據也獲得了，很有價值，這是我們國家自已掌握的第一手數據。 試想一下，1966年，我們新中國才成立十多年，接收的是一個爛攤子，經歷了三年朝鮮戰爭，受到西方國家嚴厲的制裁和技術封鎖，1960年蘇聯又反目為敵，撤走一切援助，中國如果不搞成原子彈氫彈，就只能挨打。我們掌握了氫彈，老外就不敢動手侵犯你，這對老外是一個威懾力量。氫彈的爆炸成功是幾個層次千萬人共同努力的結果，像金字塔一樣，塔尖是少數的理論專家，如鄧稼先，錢三強，錢學森等。他們從理論上研究核爆炸的機理，核原料的制造，儲存條件，引爆條件等。第二層就是直接參與核心工作的工程技術人員，考慮怎樣把理論上的東西轉化為實際可行的東西，形成總體實施方案。第三層就是參與其中一部分實施方案的具體執行者。他們每人只參與其中一小部分具體的工作。第四層就是間接為實施方案服務的人員。我認為我就可以算這部分人，是為第三層人員服務的。第五層就是為笫四層服務的人員，如陶瓷廠，電磁線廠，鋁線廠的有關人員。他們可能不知道自己的工作是為氫彈服務的。所以中國兩彈一星的成功，是千千萬萬人共同努力的結果。俗話說“聚沙成塔”，我們就是其中的一粒沙子。 今天回想起來，我們三個不到三十歲的年輕人，從對原子一竅不通開始，在沒有一點一滴參考資料的情況下，開動腦筋，群策群力，把“不可能”變成了圓滿完成任務。我們感到光榮和自豪。 該項目1978年獲全國機械工業科學大會獎。這是十年文革后第一次對機械工業成果的檢閱，同時規劃今后的發展目標和路子。獎狀不分等次，僅給單位，個人沒有證書，也沒有獎金。 后來我們還為原子能研究制造過一臺“全不銹鋼遙控萬能試驗機”，也是為放射性材料服務的。整臺試驗機所有機械零件都是某種不銹鋼制造的，包括機架，每一個軸承和螺絲釘，安裝這臺試驗機的試驗室四周的墻壁，天花板，地面也都用這種不銹鋼覆蓋得嚴嚴實實。因為試樣是強核放射性材料，試驗后周圍環境全部被污染，要用強酸噴淋清洗后才能消除。試樣的裝卸都是操作員在另一個房間通過機械手操作的。這臺試驗交付使用后，就沒有任何消息了。這說明工作正常，如果不正常，肯定會來找你。 最后，我要特別悼念一位先烈。他是當年原子能研究所的研究員，是我認識的人中唯一一位在兩彈一星第一線工作的科研人員，我們這個項目就是他提出要求立題的，也就是我們的直接用戶。他大約四十歲出頭，他的面容、身材與記錄片中的孫中山非常像，而且也姓孫，穿一套中山裝，我真想問問他是不是孫中山的后代，但是我知道，這種人的身世，社會關係等都屬于保密范圍。他到我們研究所來向我們詳細介紹項目的用途，要求，進度，重要性。語言精煉，沒有客套，沒有廢話，有一種高級科技人員的氣質。后來我與他一起出差過一次，朝夕相處了幾天，他隨身帶了兩本厚厚的硬皮外文資料，一本是俄文，一本是英文，晚上看到半夜，早上我醒來又看到他在翻閱。他沉默孤言，不茍言笑，也不跟你聊天(可能保密守則不允許他與外人聊天)，他總是雙眉緊蹙，處于一種沉思謀慮的神態，我想，這大約是兩彈一星一線人員普遍的精神狀態吧。他對我只說過一句題外話: “年輕人，要努力!”，這也成了我后來常對年輕人說的話。試驗機交貨大約一年多后，他給我們來過一封短信，告訴我們試驗做完了，數據很有用。并對我們付出的努力表示感謝。他辦事有始有終，尊重別人的勞動。但是，幾年后我向出差來所的他的同事打聽他的近況時，他同事告訴我，他己經去世了，是心肌梗塞，大約是辛勞過度造成的(我懷疑與長期接觸放射性材料有關)。留下一個妻子和孩子。國之英才! 卻英年早逝! 可惜！他是在兩彈一星攻堅戰中在最前線沖鋒陷陣的勇士，這樣的人中國有無數，他們是無名英雄，他們是真正的共和國脊梁，向他們致敬!

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【我的美篇】憶我與我國核工業的一小段情緣（2021-12修訂版）

鄔顯義