氫彈的名稱和構造

Question

如提 氫彈的名稱和構造

Answer 1

氫彈的原理與構造 核熔合與核分裂氫彈的原理是基於原子核的熔合。凡原子核都帶陽電，所以彼此相斥。兩個原子核之間的距離，約為10-12公分左右。除直接接觸外，無法產生熔合反應。通常，促使原子核反應的辦法有四種：第一，使不帶電的中子接近並和原子核作用，產生更多的中子。新生的中子又與餘下的原子核作用，成連鎖反應。第二，將原子加速，使原子核互撞而發生反應。第三，在太陽或星球上行反應。那裏有數百萬度高溫，可予原子核動能，使彼此接近。這就是所謂的「熱核反應」。第四，人造的熱核爆炸。例如氫彈，溫度高而作用快。熱核爆炸的燃料，是氕（俗稱氫，1H）的同位素氘（deuterium, 2D）和氚（tritium, 3T）。欲使各原子飛快地運動，原子核能互撞而熔合，需要數百萬度的高溫。這樣的高溫，只有求諸原子彈引爆一法。所謂「原子彈引爆機」，遂應運而生。原子彈的原理是基於原子核的分裂，恰與氫彈相反。用中子射擊鈾-235(235U)，使鈾原子核不穩定而分裂為兩個較輕的元素。在這個過程中，減少的質量變成了原子能。1945年8月6日炸廣島的原子彈，便是由60公斤重的鈾-235製成的，威力為20,000噸TNT。引爆的原理是將小塊鈾射入大塊鈾內，使二者合併後超過鈾的「臨界質量」，引起爆炸。三日後，炸長崎的原子彈則是由鈽-239(239PU)製成的，威力亦20,000噸。引爆的原理是將鈽壓縮，使原子核接近，起反應而分裂。無論鈾或鈽，分裂後放出的中子至少要有一個擊中餘下的原子核，才能使反應連續，放盡所有的核能。計算中子的效能相當複雜，因與燃料的純度及臨界質量有關。純鈾-235的臨界質量是20公斤；即質量達到20公斤時，便自行爆炸。但如將鈾壓縮，使單位體積內原子核的數量增加，則鈾的臨界質量可減至5公斤。鈽-239是壓縮引爆的，臨界質量是2公斤。因此，「粗製」的原子彈只能達到100,000噸的威力；反之，熔合燃料則沒有這個限制。發展經過氫彈的構想，孕育於1942年為原子彈而設的曼哈坦計畫。1946年9月，泰勒（E. Teller）始建議製造氫彈。1947年底，他算出1,000萬噸威力的氫彈，可產自40～100噸重的裝置，並知大力壓縮，使燃料的密度增加數千倍（從13至800公斤／立方公尺），原子核才能接近而後熔合。那時，粗製的原子彈雖可勉強「點燃」熱核反應，但詳細的計算指出反應還來不及進行，燃料便已飛散冷卻，使英雄無用武之地。後來幾年裏，這問題一直困擾著核武器設計家。迨至1951年某日，烏林（S. M. Ulam）走訪泰勒，說他有一個新構想，於是閉門長談。泰勒聽了之後，馬上想出一個更好的辦法，來安排彈內各種組成。事後知悉，這兩位氫彈發明人的貢獻，是將原子彈引爆時所放出含不同能量的中子，轉變成適當的溫度、壓力、中子流量，以備點燃熱核反應之用。同年春天，熔合促進的原子彈試驗成功了。那是在小型的原子彈中央裝些氘、氚，使成一強力原子彈（或小氫彈）。用小氫彈點燃大氫彈，能力綽綽有餘。於是由設計進而開始製造氫彈。以氚作中間點燃劑，來點燃氘。因氚與氘熔合的溫度略低於氘與另一氘熔合的溫度；又因液體氚與氘不便於武器化，故採用固體的氚化鋰-6(6Li3T)及氘化鋰-6(6Li2D)，當場產生氚。又用鈾-238(238U)作外殼，取其質堅（註一），盛熔漿時能維持若干時間而不破；又取其變性，後期變為鈾-235而增強威力。第一個製成的氫彈長6.7公尺，直徑1.68公尺。1952年11月1日在Eniwetok試驗時，威力為1,000萬噸。那時，泰樂（T. Taylor）還是一個出道未久的研究助理，不夠格參加第一次氫彈的試爆盛典。但他察覺到如此笨重的氫彈，應有改良的餘地。泰樂是從重量上佔很大比例的中子反射體著眼。原來，中子的速度與核分裂有密切的關係：快中子飛行（速度超過16,000公里／秒）太快，不能被鈾-235「捕捉」，因此沒有反應，但它能分裂鈾-238。慢中子（速度小於16,000公里／秒）被鈾-238吸收後，不起作用，但它能分裂鈾-235，並放出中子，產生連鎖反應。熱中子（速度約1.6公里／秒）被鈾-235所吸收的數量，遠較鈾-238為多。故如能將中子的速度迅速降低，當可增加分裂的能力。早期的中子反射體係用比鋼還重的金屬做成，包括鈾-238在內。泰樂在原子週期表上找到了鈹（9Be）。於是，反射體的材料從重金屬改用輕金屬，這種構想實是創新的改變。當鈹製的中子反射體在原子彈試驗場試爆時，估計威力仍在2萬噸左右。不料引爆以後，傳來一陣陣的熱浪，竟將泰樂吊在儀器上的香煙點燃了。從此氫彈不但重量減輕，而且威力增強。巧妙的設計由氫彈的橫斷面可看到：中心部分是較多的氘化鋰-6和較少的氚化鋰-6（兩種熔合燃料），用鈾-238製的薄箔裹成小包，放在鈹製的格子中，排成橄欖形。熔合燃料之外是兩種分裂燃料，即鈾-235與鈽-239，其中滲入少許氘化鋰-6及氚化鋰-6，作為中間點燃劑。分裂燃料外面是鈾-238彈殼及鈹製的中子反射體。再外面是一層聚苯乙烯泡沫膠（polystyrene foam）及幾個烈性炸藥包。一支高電壓中子發生管，從外面經過各層，插至中央。這樣一個氫彈的組成，可放在1.2公尺長，0.45公尺直徑的圓筒中。爆炸過程氫彈爆炸的過程經簡化，包括：一、爆炸前。二、引發TNT，導致核分裂。三、核分裂引起核熔合。四、核熔合又衍生核分裂四個過程。點燃這樣一個高能的核子武器，是件複雜而精確的事。從烈性炸藥包爆炸至鈾-238分裂，每一過程都應準時開始。例如鈾-235與鈽-239的爆炸必須同時，才能產生壓力與射線，同時自四面八方均勻地壓向彈心的熔合燃料。如此複雜的過程，從頭至尾，為時只歷百萬分之幾秒。現簡述如下：一、烈性藥包爆炸。以TNT為主要成分的烈性藥包，形如透鏡（註二），貼於最外層的特定位置，由電線聯到電子控制箱，再到時間控制器。它們必須同時引爆，爆炸後約1/3的震波傳向彈心，經過一層聚苯乙烯泡沬膠時，力量加強，將整個裝置壓縮成原來體積的1/2~1/3。二、第一次核分裂。內壓至某一時刻，開動中子發生管，供應首輪中子。從前是用釙（Po）與鈹兩個半球相擊而產生少量中子。現在則將氚或氘放在管中，用高電壓加速，使原子核互撞而產生大量中子。中子就像化學反應中的作用物，必須與另一作用物（即分裂燃料）接觸，才能起反應。氫彈設計者的功勞之一便是將鈾-238（質堅，反射力弱）及鈹（質碎，且有毒，但反射力強）合併起來，做成彈殼，將中子困在彈內。中子的來回反射，增加了原子核的捕捉機會。慢中子被捕捉後，鈾核便一分為二。新生而質量較輕的元素包括由鋅至釓之間約300個放射性同位素；過程中失掉的質量轉變成能量，它較化學反應所放出的熱能大百萬倍，單位為MeV（百萬電子伏特）。可能的分裂反應約有四十個，其中之一如下：1n+235U→21n+γ+147Nd+87Ge+200MeV鈾分裂時平均新生2.5個中子；鈽分裂時平均新生3.0個中子，除供連鎖反應外，尚有剩餘。三、第一次核熔合。雜於鈾、鈽中的少量氘化鈾-6與氚化鋰-6，受到剩餘的中子撞擊時，鋰核分裂為氦與氚：1n+6Li→4He+3T+4.7MeV新生的氚與氘化鋰-6中的氘熔合，放出原子能及含不同能量的各類中子：3T+2D→4He+1n+17.6MeV低能的慢中子繼續鋰的分裂，氚與氘的熔合隨之而來；高能的快中子剛轟擊鈾-238薄箔及外殼，引起電離作用。四、恒能壓縮。鈾-238吸收快中子後，變為鈾-239。鈾-239放出一電子（β-），變成錼-239（239Np），再放出一電子，變鈽-239：【 瀏覽原件】鈾-238變性後新生的鈽-239，就是前面所說的兩種分裂燃料之一。變性時放出大量電子，使薄箔與外殼都帶負電。由於薄箔的負電受到外殼的負電排斥，箔內的氘化鋰-6與氚化鋰-6遂被壓縮，使0.1立方公尺的熔合燃料（重約90公斤）被壓縮至1.6×10-5立方公尺左右（約一湯匙大小），密度因而大增。這是因電離而壓縮，與能量無關，故稱恒能壓縮。五、熱量增加。第一次核分裂所生的中子與其他粒子均具有巨大的動能，此時轉變為熱量，使彈內的溫度陡升至千百萬度，受電離壓縮後的主要熔合燃料遂起反應。六、第二次核熔合。這裏所謂主要熔合燃料。是指彈心薄箔中大量的氘化鋰-6和氚化鋰-6而言。最初，熔合反應與上述的「第一次核熔合」相同。即中子分裂鋰為氦與氚，氚再與氘熔合為氦。此分裂與熔合反應均放出原子能。溫度於是再升高，一直到氘核具有足夠的動能與另一氘核接近時，遂再進行熔合而產生氦：2D+2D→4He實際上，發生下列兩反應的可能性也很高：2D+2D→3T+1p2D+2D→3He+1n其中1p是質子，3He是氦的同位素。氘和氘熔合時產生更多的原子能及快中子。在如此高溫下，快中子的動能很大。七、第二次核分裂。當熔合反應不斷進行時，彈內動能很大的快中子愈來愈多，它們不斷地撞擊鈾-238外殼，將其變為鈽-239（見「恒能壓縮」中的反應式）；鈽的分裂又與「第一次核分裂」中所述相同。因鈾-238在氫彈中的分量很重，故變性後幾個分裂過程中所放出的原子能，約佔了氫彈威力的50～60％。上面敘述的爆炸或反應過程，係發生於瞬間。它們交互作用，力量逐步加強，故時間是決定性因素──每一階段開始的時間必須恰當，否則便功虧一簣。結語本文的目的，只在介紹基本的氫彈常識，故盡量簡明通俗。圖一所示氫彈的形狀及各種成分在彈內的位置，都已經簡化，故不能作藍圖之用。如今製造氫彈，已不似當年創業時需要一群物理天才。因熱核反應的一切資料多已解密，並散載於大學課本、雜誌、專論，及百科全書之中。受過核子訓練的有心人當可將這些零碎資料像積木一樣地拼湊起來，如法泡製。實際上，製氫彈需要比本文所述更多更精確的資料。如原子核的各種反應，本文便掛一漏萬，所舉只是最重要的（註三）；又如時間控制器的構造與操作，本文也付諸闕如；至於分裂與熔合燃料的重量與比例，即使已經參加「氫彈俱樂部」的各國（註四），仍孜孜於一試再試。可見氫彈一行，也是學無止境。註一：鈾-238在天然鈾中佔99.28％。天然鈾較鋼的硬度稍軟，熔點為1132.3±0.8℃。註二：從計算中知透鏡形藥包的內壓效力最佳，約為全力的1/3。註三：其他反應，如4He+9Be→12C+1n也很重要，因能產生中子之故。註四：試爆日期為：美國（1952）、蘇聯（1953）、英國（1957）、中共（1967）及法國（1968）。參考資料http://lib.swsh.tpc.edu.tw/science/content/1980/00050125/0008.htm

Answer 2

1).如果能夠妥善控制（氫彈能量）於正當的（能源利用）上，而不是作為（武器使用）時，就是造福社會的喔。比如說，將其（奈米級縮小）方向研究呀。
2）•如何進行（奈米級極端微小化）呢？比如（單一原子）方式進行研究製造呀。
Ok.