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。
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