核武器面面觀(上)

 

前言

    如果此刻有飛機攜載核武器向你襲擊,你該怎麼辦?你有機會倖免於難嗎?

    據長崎統計顯示,距爆炸點半哩內,每一百人中十四人可免於死亡,在一哩內則一百人中有六十九人可以生存。這些人毫無原子彈的知識,事先也沒得到警報,尚能保全他們的生命,如果你有可靠的核武器知識及事先的預警,你當然不會遭到連向世界說聲再見都來不及的命運!

    1945年美國初次製成原子彈三枚,其中兩枚加入作戰行列,分別投擲於廣島與長崎,結束了第二次世界大戰,也震開了人類的眼睛。此種快速的成就,馬上就帶領了科學界的新研究,為全世界製造了另一種戰爭局面。然而迄今為止,各國所研製的核子武器,均未敢冒然用於戰場,祇當作國際冷戰資本而已。

    原子彈為具極大威力之武器,屬核武器之一種(註一)。它在爆炸時放出強光,此外,與普通炸彈不同之點,其放出的能量高於後者甚多,同時產生具有穿透力的放射線,能危害有機體的生存。目前,基於各項國際因素及科技發展所趨,許多稍具能力的國家,均朝核子武器之目標而努力。處於這種情況下,無論是平時或戰時,對核武器的徹底瞭解是必需的。本文將在不涉及數學和高深物理的原則下,對核子武器的種種作淺顯但完整的介紹。

第一章 核武器之沿革

    原子彈的歷史,可遠溯至中世紀的煉金術家,他們企圖將普通金屬變為黃金。這是「元素互變」觀念的起始。到了1896年,貝克勒系(A.H. Becquerel)在一偶然的機會發現鈾元素能放出一種不可見的射線,使照相底片感光,遂提出放射現象的重要理論。1898年,居禮夫婦發現鐳元素在正常狀況下,會不斷地放出更強的射線而變為其他元素,便稱之為「原子蛻變」現象。

1905年,愛因斯坦發表相對論,律定一切能量和質量的關係,即E=mc2,創造了原子能發展的基礎。1919年,拉塞福(E. Rutherford)將極微量的物質變為其他物質,為歷史上用人工使物質蛻變的首次;雖未能實現煉金術家的幻夢,卻開拓了原子物理的新天地。

    1932年,柯克勞夫(J. D. Cockcraft)與沃耳吞(T.S. Walton)由核反應的實驗證實愛因斯坦的能量關係式。19391月,二次大戰期間,波耳(N. Bohr)在動身由丹麥前往美國和愛因斯坦討論若干問題之前,他的同事就告訴他,如果鈾原子核吸收一個中子,可能會分裂為大約相等的兩部分,同時放出大量的能,此一假說已為德國科學家哈恩(O. Hahn)和史特拉斯曼(F. Strassmann)用實驗證實。波耳到達美國後即通知他以前的學生惠勒(J.A Wheeler)以及普林斯頓大學的其他學生。哥倫比亞大學的費米(E. Fermi)遂和鄧寧(J.R. Dunning)開始從事此項研究。

    同年夏天,齊拉德博士(Dr. L. Szilard)和愛因斯坦討論上述諸人的研究結果;鑑於如納粹德國首先完成原子能利用,則人類將捲入不可避免的災禍,愛因斯坦遂上書當時美國總統羅斯福,建議設廠研製原子彈。這項建議得到逐步支持,美國動員全國工業,耗用經費無數,研究製造原子彈。

    19429月,美國科學研究發展局局長布西博士(V. Bush)建議,使美國陸軍工兵新建化名為「曼哈坦區」的地區擔任將實驗室研究擴展為工業生產之任務。同時,在芝大,費米及助手們已首次完成鈾分裂連鎖反應之控制。在田納西州的橡樹嶺(Oak Ridge),華盛頓州的漢福德(Hanford),新墨西哥州的洛斯阿拉摩斯(Los Alamos)均建立龐大的工廠,製造分裂性物質及原子彈。

    1945716日,第一枚原子彈在新墨哥州的阿拉摩葛多(Alamogordo)陸軍航空基地試爆成功,人類遂步入一個新的紀元(見圖一)。

第二章 核武器之運用原理

    核子武器的威力,純粹是由於原子核堶鴩蚗x存的大批能量,在核分裂或熔合反應的瞬間,釋放而出,因而形成巨大的爆炸力量。

分裂反應

    根據傳統的定義,原子為保有元素化學性質的最小單位。每種元素的原子構造均不相同,但均有一原子核,組成原子核之基本質點只有兩種:質子及中子(都叫做核子)。另外尚有在包圍在原子核外面的電子。關於原子構造的詳細理論,請參閱本刊第二卷第六期頁賴昭正的「原子的構造」一文,在此不擬重述。

    原子核內的質點具有極大的結合力,當諸質點從自由的狀態結合成原子核時,會損失一部分能量(稱為結合能),此能量可依愛因斯坦的質能公式根據損失的質量而求出。愛因斯坦的質能關係式 E=mc2E表能量,m表質量,c表光速。由此可推算出1公斤的質量若完全變為能量,則達25×109瓩小時的能量;但等量的煤經燃燒,僅能發生8.5瓩小時的熱能。

    各種元素的結合大小不同;就較重元素而言,原子核愈重則其中每核子的平均結合能愈小。所以當重原子核分裂為較輕的碎片時,有剩餘的能量釋放出來。這些能量主要變成各種放射線的能量。此種放射線計有α,β和γ射線三種。α射線由氦的原子核組成,有兩個質子,兩個中子,動能大但穿透力小。β射純由高速的電子組成,能穿薄布或皮膚。γ射線為波長甚短的電磁波,穿透力甚強。

    大多數較重同位素的原子核均不穩定,自己會放出放射線而衰變為其他穩定的元素,半衰期(註二)有的長有的短。如鈾235及鈽239的半衰期就很長,可以儲存但若以慢速中子撞擊其原子核則可促使其產生「分裂」現象(如圖二所示)分成兩個大小相當的兩個碎片(也有分為三片的情形)。

    依照波爾的說法,鈾235分裂可能生成的物質如下:

92U235+0n1 56Ba140+36Ky94+20n1+

92U235+0n1 39Y97+53I136+30n1+

92U235+0n146Pd117+46Pd117+20n1 +

92U235+0n1 54Xe136+38Sr97+30n1+

即每一鈾原子分裂時,除了分為大約相等的分裂碎片(即他種元素)之外還放出二至三個中子。然而上述分裂反應無法自動發生,需先供給原子核以小量的能來克服阻礙分裂的能障。我們可從圖三瞭解分裂反應時的大略情形。 

熔合反應

    週期表上質量數在60以下的元素,不可能使其分裂而發出能量,因為對於這些原子核而言,質量愈少的,每核子的平均結合能也愈小。但我們卻可反過來將小的原子核熔合成大的而使其放出能量。目前根據此理論用來產生熔合反應的有氫及氘(1H2),氚(1H3)等,後兩者與普通氫不同的是除含一個質子外,另分別含有一個及二個中子。例如兩個氘原子核可以產生氦原子核:

        1H2+1H2 2He4+

    由上可知,較重元素傾向分裂而變成另一種更穩定的狀態,較輕元素則傾向熔合反應變成更穩定的原子核,兩者均釋放出大量的能。這就是核武器研製成功的基本原理。

第三章 核武器之製造

    有人認為生產核武器是一件容易的事,並估計在今後十年內,將有廿個國家左右能自力或靠外援製造核子武器;果真如此,則世界末日將提前來臨。事實上製造核子武器必須具備許多條件。由過去三十年原子能的發展歷史來看,核武器很難做到國際共有,讓與或支援生產的地步,這並非受聯合國提案的約束(註三),而是核武器保有國具有獨佔性和排他性使然。因此,各國自力發展核子武器乃是當然之事,但也受到許多條件的限制。

先決條件

    首先,裝造核子武器需要有「分裂物質」,亦即眾所周知的鈾或鈽,通常製造一顆原子彈,使用鈾235,至少需五公斤以上,若使用鈽239,則量可較少。鈽的生產較易,只要把天然鈾放在原子爐堣獉_反應便能產生鈽;不過生產鈽仍需大量的天然鈾作原料,估計生產一公斤鈽,就要一噸到三噸的天然鈾。世界上鈾礦最豐的是美國、加拿大、南非共和國和剛果等地,其次是東歐,蘇俄、澳洲、中國大陸和法國。另外,印度和巴西的藏量亦豐,其他國家縱使有意製造原子彈,也非輸入金屬鈾不可。(註四)

     依照日內瓦第三屆國際原子能會議的報告,世界鈾量蘊藏如表一所示。

燃料來源

    鈾235為鈾同位素的一種,在天然鈾中含量僅佔0.7%,要得到鈾235,須先開採提煉天然鈾。此在近代工業技術上已非難題,最困難的是把鈾235從天然鈾中分離出來。因鈾235和鈾238性質極相似,質量相差很小,很難分離,目前最主要的分離法為「氣體擴散法」(Gasous Diffusion)(圖四),其次離心法及電磁分離法,後兩種效果較差。

    氣體擴散法是先使鈾和氟化合而成氟化鈾UF6,降低鈾熔點與沸點;再加熱減壓而成氣體,引入多孔網之鈾氣室中擴散;再利用鈾235比鈾238略輕的原理,用特殊設計分離這兩種元素。

氣體擴散法的技術需賴高度工業及浩繁的工廠設備來作業。美國在二次大戰期間曾費去浩大預算,動用千萬技術人員,歷經數年之久,才分離出一點製造原子彈的材料。據報導中共為獲得鈾235,在新疆省建立氣體擴散工廠,就浩用了不少的民力與財力。

    除了鈾以外就是鈽239了。自然界中並不存在此種元素,係利用鈾238捕獲中子而製成:                           

    此即鈾238捕獲一個中子,生成鈾239,然後連續放出兩個β質點,得到鈽239,在此過程中需要大量的中子,全靠原子爐分裂反應來供給。原子爐中每一燃料原子分裂後,平均得到二至三個中子,如全被鈾238吸收變成鈽,則可得二至三倍的鈽。此外,以鈾製鈽尚有下列利益:

1.節省鈾235分離之龐大費用。

2.以自然界中存量最多的鈾238製鈽,鈽再用於原子爐,原子爐循環生鈽,不愁來源匱乏。

3.鈽之製造為原子爐的副業,可減低燃料成本。

    縱使有上述各種利益,鈽的製造卻相當費時,因為以鈾製鈽,需使每一鈾原子均捕獲中子,但原子爐生產中子的速率一定,無法在短期內得到充分的鈽。

    核武器製造所用的燃料,有鈾和鈽,選用何者全賴國家經濟原則而定。若一國家有豐富的鈾礦,且有提鍊分離的作業能力,便可在短期內取得鈾二三五為燃料,勿需賴人工製鈽。

    熔合性武器所用的燃料為氘和氚。前者在空氣中與氫共存,且易與氫分離,又可在水中以分解法直接獲得,為成本低廉的燃料。後者在自然界中並不存在,需由人工蛻變而製成,可由原子爐反應得到:

3Li6+0N1 1H3+2He4

5B10+0N1 1H3+22H4

即鋰與硼元素在原子爐中吸收中子後分裂成氚和氦,每一份燃料可得二至三份氚。但二至三份氚與氘熔合所生的能量僅為一份分裂燃料分裂能量的四分之一,故以鈾鈽為燃料的分裂性核武器較為經濟。

第四章 核武器之構造

    核武器之所以能於瞬間放出能量造成爆炸,全靠連鎖反應。這和分裂過程中的中子增加率有關,而中子增加率決定於分裂性燃料本身形狀、大小、純度和質量。若燃料形狀、大小、純度等均達一定條件,則反應一開始,中子數會不斷增加而形成爆炸,此時燃料質量謂之超臨界質量(super critical mass);如果條件不足,則縱使由外界引進中子,整個系統仍然穩定不生爆炸。這時的燃料質量稱為次臨界質量。燃料要達超臨界質量,須具備下列條件。

1.一定的體積和形狀--體積過小或過於單薄,則中子容易逃逸。

2.一定的密度--密度過低時中子產生後不易捕捉。

3.一定的純度--燃料有雜質時會妨礙中子被捕捉。

    核武器爆炸時處於超臨界狀態,但在平時貯存或運輸期間,須避免引起爆炸,故武器內皆有防爆設計,能在平時安全地控制核子武器,而在戰時投射後能引起爆炸。

    一般設計有兩種,即膛壓式(Gun assembly)及爆壓式(Implosion)裝置。膛壓式係利用黃色炸藥TNT爆炸後,將原來為次臨界質量的分裂性燃料推擠在一起,增加密度而達到超臨界質量狀態,引起爆炸。(如圖五所示)

    爆壓式係利用TNT爆炸,壓縮次臨界質量燃料,使密度增大而達超臨界質量狀態,如圖六所示。

    至於熔合性核武器,使用氘或氚燃料。需施以高溫(增加元素碰撞能量)、高壓(縮短元素距離),才會產生熔合反應。以往的試驗均賴分裂性燃料爆炸所產生的高溫高壓來進行熔合,故熔合性核子武器目前尚無法單獨作業,需有分裂性爆炸裝置伴隨著,如圖七所示。

 

 

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    註一:核武器(Nuclear Weapon)包括甚廣,其純分裂型者,藉鈾235及鈽239爆炸而成,為最原始的核彈俗稱原子彈(Atomic Bomb);採用氘或鋰的熔合性者,須藉分裂反應釋放高熱引發,俗稱氫彈(Hydrogen Bomb)。

    註二:半衰期(half-life):某一放射性物質的半數原子蛻變成另外的核形式所需的時間,稱為半衰期,每一種放射性元素均有自己的半衰期,有短到幾百萬分之幾秒的,有長達幾十億年的。

    註三:1961年聯合國通過一次提案,建議不可把武器讓與他國。

    註四:鈾在地表分布不廣,約略可分六大區域即:

1.哈德遜灣周圍的花崗岩,所謂「加拿大之屏障」。

2.美洲大陸西部山脈地區。

3.赤道非洲及其南部。

4.澳洲。

5.歐洲中部及西部。

6.亞洲中部高原及北部。