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重磅登場!令人聞之色變的Little Boy原子彈——《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》

特殊槍管式構造:牽一「管」而動全身

要了解原子彈的構造,得從最單純的槍管式構造開始說起。

槍管式構造使用在史上第一顆實戰原子彈 Mk-1,代號:小男孩 Little Boy,也就是投在廣島的那顆原子彈。它準備了超過臨界質量的鈾 235 核心,並且將核心分成兩份。當兩份核心單獨分處於兩端時,兩端的質量分別都在臨界質量以下。直到起爆的時候,才一鼓作氣地將兩份核心合為一體,使質量超越臨界質量。

內部的砲管構造,兩端的核心分別配置。圖/聯經出版社提供

基於這種裝置辦法,它的內部採用類似砲管的構造,在砲管的兩端分別配置分割成兩份的核心。然後,在其中一份核心裝設使用一般炸藥(稱為推進劑)的起爆裝置,待推進劑爆炸,即可促使同一端的核心在砲管中朝反方向移動。

啟動物也是,分割成釙與鈹,分別裝設在兩份核心。在說明啟動物時曾提到,釙與鈹只要在空氣中相隔 4 公分以上,就能超越 α 射線的射程,啟動物也就不會啟動。

推進劑起爆,核心加啟動物那一端在砲管中往對向移動,核心的總量於是在合體的瞬間超越臨界質量,同時間,啟動物啟動,釋放中子,促成超臨界狀態──發生核爆。

欠缺失效安全模式,投彈前一刻才裝上起爆裝置

槍管式的優點是構造單純,不過也存在重大的問題。首先,

槍管式的核心只使用鈾製作。

至於不使用鈽的原因,請容我留待稍後說明。濃縮數十公斤的鈾異常艱辛,為了節省試驗消耗的鈾,這枚並未經過試驗,就被直接投入實戰。

槍管式的另一項重大問題是:

安全性。

如同前述說明,只要單方面的核心往管中央移動,就能引發核反應。不僅構造單純,就連啟動也簡單。一般而言,一失控就會造成慘重災情的機械或裝置,會被限定在所有條件都順利到位的情況才能啟動。換句話說,我們會希望,只要有任何一項非在意料之中的不適當情況出現,它就無法作動。這稱為失效安全(fail-safe)模式。然而,槍管式原子彈並不存在失效安全模式。

所以美國對廣島投彈的實況是:在缺乏起爆相關裝置的狀態下出擊,直到投彈前一刻才裝上起爆裝置。所以當時,能組裝起爆裝置的技術人員必須隨機待命。正因為它如此欠缺安全性,在處理上尤須謹慎。

小男孩的核心所使用的鈾 235 僅僅 50 kg,其中真正發生核分裂反應的量卻只有 1 kg。也就是說,費盡千辛萬苦濃縮精煉得來的鈾的絕大部分都沒有發生反應。而且其餘的鈾,也因為受到最初發生核分裂反應的部分爆炸之影響,而飛散至四處。

總而言之,小男孩的效率一點也稱不上好。

小男孩採用槍管式構造,體型細長。圖/聯經出版社提供

不容小覷的超級男孩:個頭小巧、威力無窮

儘管如此,小男孩的威力還是一般炸彈(化學反應型的炸彈)所無法比擬。小男孩的能量高達 60 TJ。一般而言,核武器的威力以「相當於幾公噸的 TNT 爆炸所產生的能量」的表現方法呈現。TNT(三硝基甲苯,俗稱黃色炸藥)為一般炸藥,它的爆炸能量定義為:每 t(公噸)4•184 GJ(十億焦耳)。小男孩的爆炸威力是 60 TJ,經過換算則相當於 15 kt 的 TNT。

核爆造成的蕈狀雲。圖/Wikipedia

換句話說,相當於引爆 15000 t 的 TNT。而 15000 t 又相當於重巡洋艦的重量。請各位想像一艘全部用火藥建造的重巡洋艦,這樣應該就不難想像它的威力—簡直誇張到荒謬的程度。而那麼龐大的威力,竟然只消一枚原子彈就能實現!只需要一架轟炸機,就能運載 15000 t 的爆炸當量。看在這樣的報酬率,當然是哪個國家都會拚了命地去開發原子彈吶。

 

 

 

本文摘自《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》,2018 年 6 月,聯經出版。

關於作者

聯經出版

聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

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