铍 用于洲际弹道导弹与核武器的关键材料

刑天

上世纪60年代，一个由地质学家、军人和工业部门专家组成的中国勘探小队在大风中艰难前行。炽热的阳光炙烤着中国准噶尔盆地东北边缘，额尔齐斯河之南的这块地方。在当时，得知这个小队存在的人极少，而这个小队肩负的任务则极重。

一天夜晚，勘探小队搭建的帐篷里突然传出了巨大的欢呼声。发现了！发现了！科学家和军人们都欢呼起来。声浪赛过了额尔齐斯河滚滚奔流，激动的泪水浸润了准噶尔盆地的粒粒黄沙。

铍之蕴

这个小队发现的，就是位于中国准噶尔盆地东北边缘，额尔齐斯河之南的可可托海矿区。这个矿区，饱含了一个崛起强国的苦难和奋进。

上世纪60年代，中国启动了6687工程，前文所述的那个勘探小队则是工程启动之前的开路先锋。（66指项目启动时间为1966年，87指的是该项目在国家重点工程项目中的序列号为87。）不久，重大的喜讯就在国内的工程界传开了：6687工程在可可托海三号矿发现了01、02和03共3项重要稀有金属矿物。（后来，这些代号逐渐在新中国的原子弹发展和导弹技术的发展中起到了非常重要的作用。實际上，01矿就是用于提炼铍金属的绿柱石，02矿是锂辉石，03矿则是钽铌石。）

“和平卫士”洲际弹道导弹的惯导系统的核心部件呈圆球状，被称为惯性参考球。该球体积为0.073立方米，重约50.2千克，由一整块铍金属经过400多道机械加工工序制成，堪称铍制陀螺的巅峰之作。

可可托海矿有个别称，叫做“世界地质圣坑”。全世界已知的可开采矿物有140多种，而可可托海三号矿自己，就产出86种。可可托海矿区的铍资源蕴藏量居全国首位，而铯、锂、钽等资源的蕴藏量也稳居全国前十。新中国早期的弹道导弹中的陀螺仪、第一枚原子弹和第一枚氢弹中所用的铍金属，都出自可可托海三号矿（6687-01矿物）;新中国第一枚原子弹用的锂金属用的是可可托海三号矿的6687-02矿;新中国第一颗人造地球卫星所用的铯金属同样出自该矿区。

本文为您重点讲述铍金属的特性与应用。或许在读罢全文之后，我们才可以更好地理解当年发现可可托海大型铍矿时的兴奋心情吧！

铍之美

铍是最轻的碱土金属元素，在地壳中的含量约为铝的1/8200。虽然它看起来没有黄金、铂金等传统意义上的贵金属那么稀少，但是在目前已经探明的数十种铍矿石中，只有绿柱石（又称绿宝石）等少数几种具有工业开采和提炼铍的能力。可以说，铍金属是从宝石里发掘出来的。

1956年麻省理工学院德雷珀实验室将铍引入了陀螺领域。这个做法让整个陀螺仪行业发生了翻天覆地的变化。（该实验室在制导控制领域一直以来保持着学术和工程方面的领先地位，当然，课题经费也是很给力的，仅2006年签署的一项升级“三叉戟”潜射弹道导弹制导控制系统的合同就高达1.96亿美元。）

铍有三大优良品质促使其迅速取代了钢、钛和铝等金属，成为了制造陀螺仪的理想材料。

第一，良好的热学特性。铍的导热系数是钢的3倍，热膨胀系数不足镁的一半。陀螺仪里高速旋转的转子会产生大量的热。良好的导热性能够使这些热量在陀螺上均匀分布以减小陀螺的内部应力。较小的热膨胀系数则进一步减小了陀螺的形变。

第二，优秀的力学性能。铍的比重是钛的1/3，铝合金的2/3，而弹性模量却分别是钛、铝、镁的3倍、5倍和7倍。其比强度是铝合金的1.7倍、镁合金的2.1倍、钢的1.5倍。这意味着陀螺的骨架可以在更轻的同时变得更坚固。将一枚三级导弹的惯导系统的结构改为铍金属可以减轻该系统数千克的重量，从而大幅减轻了制导控制系统给导弹总体系统带来的负担。

第三，超强的稳定性。陀螺转子质心位置如果有百分之一微米的偏差，就会给远程导弹带来数百米的误差。而铍金属的外形尺寸可以保持得很稳定，即使是在很大的应力作用后，也能很快恢复原样。没有经过任何表面处理的铍制外壳拥有的抗氧化能力和抗腐蚀能力甚至要强过大多数经过多种防腐蚀处理的不锈钢材料。（铍的表面会形成氧化层，有效避免了进一步被空气氧化;要加热至1 000 °C以上，铍才会继续和空气发生反应。）

铍的应用使洲际弹道导弹的打击效能得到极大地提升。其中，以“和平卫士”导弹最为典型。“和平卫士”洲际弹道导弹的最大射程为14 000千米，可以携带10枚装有W87核弹头的MK-21再入飞行器。每个核弹头的当量为30万吨TNT（相当于20枚二战广岛原子弹），因此仅从当量上计算的话，一枚和平卫士导弹就相当于200枚广岛原子弹。但是，10枚子弹头的投掷精度需要非常精确，才能更好地发挥多弹头导弹的作战效能。“和平卫士”洲际弹道导弹的陀螺仪大量应用了铍，使其精度极高。最终应用在导弹上的惯性参考球把导弹的落点误差控制在了120米左右。

“和平卫士”洲际弹道导弹的惯导系统的核心部件呈圆球状，被称为惯性参考球。该球体积为0.073立方米，重约50.2千克，由一整块铍金属经过400多道机械加工工序制成，堪称铍制陀螺的巅峰之作。喜欢机械表，喜欢各种精密仪器的人，一定也会对这家伙提起兴趣的。

铍对X射线的吸收率极低，不会在同步加速器能量等级的X射线下过分加热。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以铍作为材料。X射线光谱实验的样本固定器一般都以铍制成。

1958年，美国对铍的消耗量达到了3.45吨，而1960年又进一步跃升到136吨，这个用量是相当惊人的。要知道，在铍金属大部分应用于原子能工业领域的时期，其年消耗量仅为18千克左右。

早期的核武器将一种称为顽童的装置放置在核装药的内部，这个装置主要由钋-210和铍这两种金属制成。钚和铍被一个薄片分开。核装药内爆时，将会压碎顽童，使两部分金属混合在一起，这样钋衰变产生的α粒子会与铍相互反应，从而产生自由中子。中子的轰击引发链式反应，使得巨大的能量被参悟出些许自然奥秘的人类释放出来。

因此，如果说钚能产生熊熊燃烧的火球的话，铍就是将其点燃的火把。用铍来促进原子弹和氢弹的爆炸的技术可以追溯到投向日本的第二颗原子弹上面。1945年在日本长崎市爆炸的原子弹内含一个钚核，是一枚钚弹。1952年11月1日，美国在马绍尔的埃尼威托克珊瑚岛试爆了世界上第一颗氢弹装置“迈克”。这枚氢弹的爆炸当量为1 040万吨TNT。而如果没有铍金属的话，这样的爆炸是难以实现的。

早期氢弹内部，会有一层铍金属制成的球壳紧紧包裹住核反应物质，用来促成内爆并大量反射中子。这种结构类似橙子（里面的果肉相当于核反应物质，外面的薄皮相当于铍金属壳。）

铍之狂

转眼到了上世纪50年代末。这是一个铍金属的狂热时代，也是陀螺仪结构快速铍金属化的时代，更是陀螺仪的精度实现进一步突破的时代。

1958年6月，美国海军启动了一项代号为“阳光行动”（Operation Sunshine）的实验。铍金属赋予陀螺仪的不仅有更高的精度，还有更长的寿命。用于“民兵”洲际弹道导弹的气浮陀螺仪除电子元器件和小部分壳体外几乎全部用铍制成，其理论连续可靠工作时间可达1 500万小时，约合1 712年。（实际上，在“民兵”导弹身上，除惯导系统外，其级间段的壳体、制导舱段等均由铍制成。）

到了上世纪80年代，美国对铍的消耗已达到了每年将近300吨的程度，其他拥核大国和航天大国也有着巨大的铍消耗量。各种惯导系统的核心器件中都少不了铍的身影。比如B-52轰炸机的陀螺罗盘的核心部件也是用铍金属制成的。

铍之用

自1956年铍金属成为陀螺仪的理想材料至今，仍没有其他任何一种金属材料能够撼动铍在陀螺中的地位。在材料和工艺都难以继续获得突破的时候，要想让陀螺仪的精度进一步的提高，就需要在陀螺的结构设计上有所创新了。在这样的背景下，静电陀螺出现了。

再后来，激光陀螺、光纤陀螺、挠性陀螺都得到了蓬勃发展。洲际弹道导弹和核弹头的生产在进入21世纪之后，开始锐减，因此铍金属的产量开始下滑。（1998到2008年间，铍的全球年产量从343吨降至约200吨，其中176吨也就是88%产自美国。）真空铸造的铍金属块在2001年的售价为每磅338美元（即每公斤745美元）。

原本用于机械陀螺与核武器的铍开始在科学探索领域得到了应用。

在粒子物理学方面：铍的优点有四。密度低，能够减少撞击产物在抵达四周的探测器之前的交互作用;刚性高，射束管内可以维持高真空，从而降低各种气体对实验的干扰;热稳定性高，能够承受绝对零度以上几度的低温;抗磁性，不会干扰用于聚焦和引导粒子束的多极磁系统。因此，很多探究宇宙本源的实验仪器上面，会大量应用铍。

   詹姆斯·韦伯太空望远镜拥有18块高反光度、能够耐受极低温、又轻又坚固的镜子。这些镜子也是铍金属制成的。

建在法国地下洞穴中的紧凑μ子线圈侦测器（或简称为CMS）大量应用了铍。铍对X射线的吸收率极低，不会在同步加速器能量等级的X射线下过分加热。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以铍作为材料。X射线光谱实验的样本固定器一般都以铍制成。

在铜里面仅仅加入1.9%～2.15%的铍，就可形成比铜金属的强度高6倍的铍铜合金。铍合金弹性高、热导率高、强度高、硬度高、电导率高、几乎无磁性、抗腐蚀性强、抗疲劳性强，因此用途很广。尤其是在可燃气体附近使用的无火花工具、空间飞行器的结构材料方面，铍合金是很有用的。铍铜合金扳手在加油站、采气站、火箭燃料仓库等特殊场合使用。

铍的刚度很高，比较适合做高频扬声器驱动器。但由于铍价格昂贵（比钛高几倍），通常只有非常高端的音响设备才会使用含铍的高音扬声器。

詹姆斯·韦伯太空望远镜重6.2吨，约为哈勃太空望远镜（11吨）的一半，口径达到6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。詹姆斯·韦伯太空望远镜位于离地球150万千米的轨道上，即使出现故障也不可能频繁派遣修理人员。但它位于第二拉格朗日点上，引力相对稳定，故相对于邻近天体来说可以保持不变的位置，不用频繁地进行位置修正，可以更稳定地进行观测，而且还不会受到地球轨道附近灰尘的影响。其主镜被分割成18块六角形的镜片，每个镜面的抛光误差不得超过10纳米;同时镜面也经过专门研磨，使得其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。每块镜片背部都装有7个电机，能够在10纳米的精度内调整镜片的形状和方向。而这种拥有高反光度、能够耐受极低温、又轻又坚固的镜子，当然得用铍金属来制成了。

  可将质子束“转化”为中子束的铍目标体

铍，这种从宝石中诞生的金属，有着自己的性格，见证了一个掌握两弹一星技术大国的崛起，為导弹和核武器提供了坚固可靠的支撑，为现代科学研究和工业建设提供了有力的保障，也终将会在今后的日子里，寻找到更多更有益的用途。

责任编辑：邢强

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当在实验室中需要少量中子时，可把铍用作中子源，无须用到核反应堆或粒子加速器。要产生中子，须对铍目标体进行高能α粒子的撞击，α粒子源可以是钋-210、镭-226、钚-239、镅-241等放射性同位素。α粒子与铍原子核反应之后，铍会嬗变成碳-12，并发射一颗中子。中子的方向接近于原先α粒子的前进方向。这种以α衰变驱动的铍中子源称为海胆型中子引发剂，曾用于早期核武器中。

铍之毒

不过，就像玫瑰虽然美丽却带有扎人的利刺那样，铍金属也是有缺点的。铍不仅昂贵（数倍于钛）还有极强的毒性。

铍从呼吸道或者皮肤伤口进入人体后会引发急性中毒反应。而长期接触微量铍的人员则会产生慢性中毒反应，该反应的潜伏期有时长达数年（均值为5年），之后便以肺部疾病甚至癌症的方式显现出来。所以，精密仪器仪表和航天工业等部门，在使用铍金属时要特别注意劳动保护，预防铍中毒。