数学院“人和事”系列——他负责首颗原子弹任务的威力计算

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数学院“人和事”系列——他负责首颗原子弹任务的威力计算

原创 数学院 中国科学院数学与系统科学研究院 2021-12-09 14:29


▲上面这幅油画场景发生地在灰楼。它反映了原子弹理论突破时期学术民主讨论会场景。前排围桌者左起：周毓麟、邓稼先、彭桓武、周光召、朱光亚、程开甲、秦元勋、郭永怀，后排代表普通科研人员。  

　　1960年初中国开始进行原子弹研制工作的探索与研究。经过九所研究人员的调研分析，我国第一颗原子弹决定采用“内爆法”。从4月份开始我国第一颗原子弹的理论设计的计算工作——即原子弹研制史上很有名的“九次计算”。

　　计算工作开始后不久，秦元勋于当年5月正式加入核武器研制队伍，赶上了“九次计算”的工作。秦元勋认为，靠手摇计算器或电动计算器来计算，费时多、进度慢、准确度差，原子弹突破靠它肯定不行。他更清醒地体会到需要使用计算机来计算的紧迫性和重要性，它和人的计算相比有极大的优越性，不仅速度快，而且可以“不知疲倦地”连续工作。10月，九所调整，一室成立，室主任是邓稼先，副主任是何桂莲、秦元勋、周毓麟。秦元勋为分管业务的第一副主任。当时一室有四个研究组：状态方程和力学组、中子物理组、数学组和计算组，秦元勋负责联系中子物理组、数学组和计算组。



　　1961年初，原子弹的攻关工作进入了必须确定基本理论和关键技术的重要阶段。在这重要的时刻，必须对已做的大量探索性研究和实验结果进行全面的分析，以便在已有认识的基础上，明确归纳出若干关键技术和理论问题进行深入研究，求得集中突破。秦元勋和周毓麟都是数学家，秦元勋的任务分工就是抓数学、计算和计算机方面的工作。生逢其时，当时中国科学院计算所刚研制成功一台可交付使用的104计算机，是电子管的，每秒可运算加法一万次，恰好赶上为我国第一颗原子弹设计而计算的工作。秦元勋和周毓麟及时地组织搞数学的同志解决计算方法问题，编制104机程序。秦元勋还高瞻远瞩，及时地向国家建议向中科院计算所下达研制更快速的119机和向四机部华东计算机下达研制J-501机任务，从而使这两台计算机能够有力地支持我国后续开展的氢弹研制工作。在后面的半年时间里，秦元勋提出用“人为次临界法”解非定常中子输运方程的问题，编制并通过“人为次临界法”解非定常中于输运方程的程序，合作研究了有效的数值计算方法，领导编制出第一个反应前的流体计算程序。在中国科学院计算技术研究所研制的104电子计算机上进行九组模拟计算，所得结果都与手算结果很接近，误差在5％左右，这等于直接验证所编程序计算结果的可靠性和程序的可行性。11月，秦元勋和周毓麟运用“人为次临界法”完成了核材料被压缩到超高临界后能量释放过程的总体计算，完成反应前的总体程序编制。1961年底，历时近一年的“九次计算”终于告一段落。这是原子弹理论研制过程中的一场攻坚战。它为原子弹理论设计打掉了“拦路虎”，更重要的是打破了“洋迷信”，极大地增强了九所科研人员的自信心。

　　1962年，中国的原子弹进入攻坚阶段。3月任务进展到“瓦片”的研究阶段，要实现“内爆”方案的关键在于能否获得会聚的同步波形。起爆元件（俗称“瓦片”）的设计极为重要，首先要回答的一个问题是需要多少块瓦片才能拼成一个球形结构。按照“美国原子间谍罗森堡夫妇案件”中透露，原子弹的球形结构是36块拼凑起来的多边形。但中国科学家们在研究时，却发现36块根本合不成那种特定的球形体。秦元勋等人用拓扑方法去论证，解决了这个问题，不是36块而应该是32块。

　　1963年9月，中国第一颗原子弹理论设计方案诞生，在这个理论设计方案中，必然要回答被设计出的这颗原子弹的威力究竟有多大的问题？必须要给出一个理论预估值，可由真正的试验来检验。这使秦元勋有了用武之地、大显神手之时。秦元勋不但给出原子弹威力计算的粗估公式，而且还对原子弹威力计算误差做出整体估计。

　　1964年4月周恩来总理主持召开第八次中央专委会，决定“596”采用塔爆方式爆炸，要求第九研究院的科学家们保证：依据他们的计算结果，试验成功概率在99％以上。当时大多数技术数据资料已经送到试验基地。刘杰部长指派周光召、黄祖洽、秦元勋去完成这个任务，必须在8小时内做出回答。三位科学家只能凭自己的记忆用计算尺进行核算，整整花了一天功夫，核算完毕，三人同时在送给中央专委的备忘录上签字，说明成功概率能够达到99％的要求，备忘录通过刘部长上报中央。10月16日15时整，“596”原子弹在罗布泊地上爆炸，根据现场采集的数据表明，爆炸威力初估TNT当量在2万吨以上，这意味着中国第一颗原子弹爆炸成功！

　　秦元勋因负责我国首颗原子弹（“596”）、首颗氢弹（“639”）任务的威力计算问题，荣获1978年全国科学大会个人重大成果奖状；《原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题》荣获1982年度国家自然科学一等奖，这是一项集体成果奖。秦元勋是荣誉证书上9名代表者之一。



　　1984年10月16日，党中央、国务院、中央军委领导同志接见参加我国首颗原子弹试验成功二十周年纪念活动的全体人员，秦元勋荣获“核事业开拓者”称号。他在庆祝大会主席台上就座，发言时朗诵了他自己创作的《七律：中华火球照人寰》：“三家定约莫斯科，世界无赖原子何。七亿神州翘首盼，试验何日奏凯歌。百战将军穿戈壁，七旬元帅临楼兰。万众齐心核子裂，中华火球照人寰。”


▲右一发言者秦元勋  




▲同时对有功参战人员颁发军功纪念章。对秦元勋还颁发“核事业开拓者”证明书。  

来源：中国科学院数学与系统科学研究院