原子彈(atomic bomb)

By巫莫夫

在開始介紹各種核子武器之前，我們先來回顧一下核武的歷史：

核武的研製工作最早是由納粹德國開始的，但是由於希特勒對猶太科學家的迫害使得大批的猶太科學家移居美國，其中最有名的就是愛因斯坦，他們帶了有關核武的資訊和資料到美國，並得以在這個國家裡進行自己的研究工作，美國的核武研製進程開始突飛猛進，在1941年12月6日，也就是珍珠港事件的前一天，美國成立了一個龐大的工程機構-曼哈坦工程管理區，目的是要設計並製造一顆原子彈，1942年12月2日在義大利物理學家費米的主持下，建立了世界上第一座原子反應堆，經過前後五年多的時間，共耗資了二十多億美元終於在1945年春天製成了三顆原子彈；同一年的7月16日，美國在新墨西哥州的沙漠裡成功地進行了世界上第一顆原子彈試爆，這代表著人類開始進入“核子時代”，此後蘇聯、英國、法國、中國也分別於1949年8月、1952年10月、1960年2月及1964年10月試爆了各自的第一顆原子彈，印度也在1974年5月試爆了第一個核裝置，隨著第二次世界大戰的局勢變化，美國於1945年8月6日和8月9日將代號為“小男孩”和“胖子”的兩顆原子彈分別投在日本的廣島和長崎兩個城市，這也是歷史上在戰爭中僅有的兩次使用核子武器，原子彈的使用不僅給日本人民帶來了巨大的災難，而且也在世界上所有的人心中留下了揮之不去的陰影，在中華人民共和國成立之後，1964年10月中共也成功地研製出原子彈。


原子彈是利用裂變鏈式反應釋放出來的巨大能量而製成的起殺傷破壞作用的核武，，核武的威力就是指核爆時釋放出的能量，它的單位以多少噸TNT炸藥的能量來表示，而這個單位則稱為該核彈的當量(Yield)，TNT(Trinitrotoluene)即是三硝基甲苯，它是黃色的結晶體，是一種烈性炸藥，一噸的TNT爆炸時所產生的能量約為一千億焦耳(Joules)，原子彈就跟核子反應爐一樣，是利用重核裂變鏈式反應中釋放出巨大能量，只不過在反應爐內，能量的釋放是緩慢和受控制的，而原子彈則是瞬間和不受控制的，原子彈爆炸時，在小於百萬分之一秒的時間之內，會釋放出巨大的能量，使得爆炸中心的溫度立即上升到上千萬度，壓力上升到幾十億大氣壓，把一切物質化為氣體，形成一團火球，從而產生衝擊波、光熱輻射、貫穿輻射、放射性污染和電磁脈衝等殺傷因素，早期原子彈的爆炸威力相當於兩萬噸TNT炸藥的爆炸力，之後所發展的原子彈最大可達到約五十萬噸TNT當量，所使用的原料是高濃度的鈾-235(它的同位素純度達到93.5%以上)或鈽-239。

如何控制這種鏈式反應呢？任何一種軍事武器，都必須能夠準確地加以控制，否則就有傷到自己人的危險，原子彈也是如此，鈾-233、鈾-235、鈽-239這些裂變性物質並不是在任何情況下都能引爆的，只有當它們的體積或質量超過一定的臨界值之後才會爆炸，在有良好反射層(如天然或貧化的金屬鈾)的情況下，鈾-233、鈾-235和鈽-239球體的臨界質量大約分別為6、16和5-8公斤，通過對臨界體積或臨界質量的控制，可以控制原子彈的引爆。


根據原子彈引爆方式的不同，可分為槍式原子彈和內爆式原子彈：

槍型原子彈：它是利用一種炮筒裝置，將兩塊小於臨界質量的裂變物質迅速合攏以達到超臨界而發生爆炸，在這種炮筒裝置中，一塊裂變物質(小於臨界質量)固定於炮筒裝置的一端，位於另一端的另一塊裂變物質(也小於臨界質量)借助於裂性炸藥的爆炸射向那塊固定的裂變物質而發生核爆炸。在裂變物質的外面有中子反射層。為了延遲裂變物質的飛散以提高原子彈的效率，要把原子彈裝在堅固的外殼內。槍型原子彈的結構簡單，較易製造，但它有兩個缺點：(1)核原料的利用率低，這是因為每塊裂變物質不能做得太大，最大不能超過鈾-235(或鈽-239)的臨界質量，因此，當兩塊合攏時，只能比臨界質量多出一倍左右，換句話說，它不能有較高的爆炸效率(2)很難利用鈽-239作核原料，因為鈽-239中不可避免地會含有一些鈽-240，它自發裂變的機率特別大。

內爆型原子彈：它的原理是利用普通的烈性炸藥製成一個球形裝置，將小於臨界質量的核原料(鈾-235或鈽-239)製成一個小球體，置於炸藥球中，通過電雷管同步點火使炸藥球的各點同時引爆，產生向心聚焦的壓縮波(又稱內爆波)，將次臨界質量的鈾-235(或鈽-239)小球瞬間猛烈壓緊，增加其密度，使其超臨界，實現自持鏈式反應而導致核爆，內爆型結構優於槍型結構的地方是，由於壓縮波效應所需時間遠較槍型結構合攏的時間為短，因而過早點火的機率大為縮小，由於內爆式效率高，所以現在的原子彈大多都採用內爆式。


原子彈主要原料的生產
原子彈的原料可以使用鈾-235，也可以使用鈽-239，但生產鈾-235要比鈽-239困難得多，天然採掘的鈾-235和鈾-238的比例為1比140，只有1兆電子伏(MeV)以上能量的中子才能使鈾-238裂變，而且許多中子被其他的過程減慢，因此，僅用238U鏈式反應不可能在核武中持續下去，同樣地因為天然鈾僅含少量的鈾-235，所以必須提高鈾-235的比例，才能製造核子武器，原子彈所用鈾-235需用人工方式使鈾-235在鈾礦中富集起來，製成各種濃度的濃縮鈾，並加以利用，如鈾-235濃度在90%以上的高濃鈾是製作原子彈的主要原料，生產濃縮鈾的技術相當複雜，工廠規模也非常龐大，生產成本很高，各國有關濃縮鈾的生產和技術問題均極為保密，到目前為止，國外的工業規模生產濃縮鈾都採用氣體擴散法，離心法正在向工業生產過渡，有的國家已確定採用這種方法，鈽-239是核子反應爐的副產物，幾乎不必付出額外代價即可生產，核武的試驗結果亦表明，鈽-239性能比鈾-235好，除早期核子裝置外，鈽-239是製造現代裂變核子武器的主要物質，但是，鈽-239的放射性強，毒性很高，這給武器製造者增加了許多困難，他們不得不在手套箱內進行武器製造。

自從人類製造出第一枚原子彈之後，至今也改良了不少，第一枚原子彈只有相當於二萬噸黃色炸藥的威力，目前已經能製造出由數千噸至數十萬噸之炸彈，而研究發展計劃仍不斷地進行，目標是如何使原子彈體積變小，威力變大，由於使用中子反射器及人工中子發源器，現在已可製造極小體積的核分裂爆炸物。


美國內華達州的原子彈試爆

現代的核子武器可分為兩類：原子與熱核(指氫彈)武器，而原子武器又可分為爆炸原子武器與軍用輻射劑兩種，軍用輻射劑是指那些具有傷害性的放射性物質，這些輻射劑可使用空投、炮彈、火箭或者藏在地雷中，也可以用飛機佈灑，撤退時更可利用它來對水庫或井水甚至於是敵方的糧食下毒，一般核電廠的廢料皆可作為輻射劑，核子反應堆通常是使用濃縮鈾或天然鈾，燃燒後形成的鈾碎片或鈽原子包含各種不同放射物質，通常約有三百多種，可是僅有數種半衰期較長且在蛻變中可產生b或g射線者可做為輻射劑，這些同位素及個別的輻射能，b及g的能量單位是百萬電子伏特，除了鈾或鈽的分裂碎片之外，也可以用其他較穩定元素置於反應堆中，然後以中子撞擊使他們變成同位素，再取出當做軍用輻射劑，其核武按照作戰的使用範圍時可分為核武飛彈、核航彈、核炮彈、核地雷、核水雷等，按TNT當量來分時有特大當量(50萬噸級)、大當量(10萬∼50萬噸級)、中當量(2萬∼10萬噸級)、小當量(1千∼2萬噸級)和特小當量(小於1千噸級)的核子武器等。

第二次世界大戰結束後，美國為壟斷核子武器技術並稱霸世界，於1946年通過原子能法，停止了與英國和加拿大在核武研製和生產方面的合作，秘密地發展核子武器，從1945年算起共耗資7000多億美元，為116個武器系統生產了71種型號核彈頭，共計約60000枚，由於核彈頭不斷更新和退役，現庫存數量約26000枚，蘇聯自1949年8月和1953年8月先後試爆第一顆原子彈和氫彈以來，一直致力於發展核子武器，其核武的發展過程大致可分為三個階段：從1942年美國實施核武計畫開始到50年代中期為第一階段，這一階段的重點是解決核武的有無問題；第二階段從赫魯雪夫上臺到他下臺止，在十年左右的時間裡，解決了飛彈與核裝置的結合問題，使飛彈核武器得到迅速發展；從60年代中期至今為第三個階段，這個階段的特點是發展多彈頭飛彈核武(MIRV)，研製成功並裝備了帶分導式彈頭的飛彈核武器。

在1949年8月29日，蘇聯進行了第一次大氣層核裝置爆炸試驗，這是一顆以鈽作裂變原料的核裝置，塔爆在設計上與美國在日本長崎投下的胖子原子彈相似，在裂變材料外邊用天然鈾作反射層，爆炸當量為1至2萬噸，1951年9月24日，蘇聯進行了第二次核試驗，該試驗的核裝置採用鈽作為裂變材料，它是在地面或稍低於地面時爆炸的，鈽的利用率比第一次的要大，爆炸當量至少為2萬5千噸，1951年10月18日蘇聯試爆了第3個核試驗裝置，它是鈽和鈾-235混合裂變原料設計，爆炸中鈽的利用率約為35%，爆炸當量約為5萬噸，1955年進行過5次試驗，最初兩次是鈽裂變裝置大氣層爆炸，它們的爆炸當量分別為5千噸和2萬5千噸，1955年9月21日蘇聯在巴倫支海進行了第一次水下試驗，爆炸當量約為2萬噸，該試驗裝置大概是用鈽作原料，可能是在100多英尺的水下栓系後進行試爆的，1955年11月6日，蘇聯進行了第18次核子試驗，這次試驗是1953年助爆原理結構的武器化試驗，以使其重量減輕到易於空投，爆炸當量為21萬5千噸。

原子彈是熱核武器的點火器，原子彈的小型化是戰略和戰術核武小型化的基礎，原子彈因其殺傷效應廣泛，有著強大的破壞力，而不同於像炮彈和輕武器這樣的常規武器，有鑑於核子武器的這種性質，使用這種武器往往會引起國際的反彈，因此，核武的使用權不掌握在軍事指揮官手中，而是置於政治控制之下，在歷史上，核武曾使用過兩次，就是分別投在日本的廣島和長崎的那兩顆原子彈，因此人們對核武破壞城市和傷害平民的效果略知一二，但至今核子武器尚未用於對付戰場上的部隊，在核武試驗和模擬試驗中曾評價過核武的效應，某些人已相當清楚核子武器對裝備的毀傷效應以及對人體的物理和生理殺傷效應，然而，卻沒有真正體驗過其心理效應，我們可以認定核子武器對人類所產生的心理衝擊效應極為嚴重。