氫彈小學堂:一文看懂製造氫彈有多難

北韓領導視察工作 / 圖片來源:afp
北韓領導視察工作 / 圖片來源:afp

據《Time》報導,北韓週日 (3 日) 報導上宣稱已經成功測試洲際彈道飛彈所用的氫彈。氫彈為核武器的一種,利用氫的同位素氘 (deuterium) 與氚 (tritium) 產生核融合反應,可在落地前便爆炸,而威力也比原子彈更大。

北韓核武測試 / 圖片來源:afp
北韓核武測試 / 圖片來源:afp

自美國測試氫彈已經過了 60 餘年,而只有另外 4 國 (俄、英、中、法) 測試過,而在週末時北韓宣稱也成功的測試了氫彈。全球只有少數的國家知道氫彈製作的 Know-how,而對於為何大多數國家未取得自己的氫彈,英國倫敦國王學院 (King's College) 核武專家 Robert Downes 認為原因是難度太高。

擁核國家

美俄英中法被認為是屬於「核武俱樂部」的 5 大國 (同樣也都是聯合國安全理事會 U.N. Security Council 的五個常任理事國)。除了這 5 國以外,以色列、印度、巴基斯坦、與北韓都擁有核武。

放棄核武的有白俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦、南非、及伊朗。

核武國家 / 圖片來源:afp
核武國家 / 圖片來源:afp

核武需要把質子 (正極) 控制在原子的核心 (比地吸引力還強 10 的 38 次方),防止正正排斥。而有兩種核武,一種是拆分原子 (原子彈的核裂變) 或把原子壓縮 (氫彈的核聚變)

取得原料

較少的原子是可製作核武的,需要夠多與適當大小的元素。原子彈 (核裂變,nuclear fission) 需要鈾 (uranium) 或鈈 (plutonium),氫彈 (核聚變,nuclear fusion) 需要氘 (deuterium) 與氚 (tritium)。氘與氚都為較罕見的氫元素,因此氫彈的名稱再適合不過。

武器用途的鈾較難取得,需要從較不穩固的「鈾 - 235」做「濃縮」,而天然鈾裡面只有 1% 才是「鈾 - 235」,另外天然的「鈾 - 238」不容易分裂,不適合原子彈。鈾同位素 235 與 238 只有重量有些微差別,其他性質都較相似,而分類階段就需花時間與金錢。全球第一起原子彈的鈾分類廠就佔地 0.16 平方公里,擁有近 161 公里的管路,與加熱器和壓縮機把金屬特性的鈾轉換成氣體以好區分這兩國同位素。

亞洲武器盤點 / 圖片來源:afp
亞洲武器盤點 / 圖片來源:afp

至於氚 (氫的同位素) 更是麻煩,全球幾乎沒有天然氚,需要人工合成。此核反應爐難製造,而產量也不高。伊朗也是因無法濃縮足夠的「鈾 - 235」而在 2015 年簽約的核武條約就把其低濃度鈾送給俄羅斯,製造核武宣告失敗。

小太陽的製造

有了原料後,需創造核鏈鎖反應 (Nuclear chain reaction) 的「環境」。在核裂變時,當一個「鈾 - 235」原子分裂後會釋放 2 個中子,如果中子在撞擊任何「鈾 - 235」原子,會再釋放 2 個中子,導致連環反應。而這種情況的發生需要足夠的「鈾 - 235」到達群聚效應 (Critical mass) 才可發生「爆炸」。

當有足夠的「鈾 - 235」後,用兩組「鈾 - 235」高速相撞,就成為了原子彈。

氫彈較複雜,需要猶如太陽的環境,如高壓與高溫,同時,核原料需要在這種環境中存在夠久的時間才會開始聚變。有一種創造如太陽環境的方法就是使用核裂變,等於是製造一個原子彈來引發氫彈的爆炸。當然,高風險和高難度大部份時間是帶來高報酬的。

舉例來說,最大的氫彈是俄羅斯的沙皇炸彈邦巴 Tsar Bomba (1961 年) (5000 萬噸 TNT 威力),可在這裡觀看,比廣島的原子彈 (1.3 萬至 2.2 萬噸 TNT 威力) 威力大近 3000 倍,可把遠在 900 公里的玻璃震破。

擊中目標

二次大戰落在廣島的原子彈 (1945 年) 重量為 4400 公斤,而沙皇炸彈則重 27000 公斤,需要特殊的轟炸機發射。而現今的防空系統會使得飛機未抵達目的地前被擊落,所以最可行的方法則是把核武放置在導彈上,當然,導彈可是有承載限制的。
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據了解,廣島的原子彈只用了 1.4% 的鈾,所以現代核武國家把研發精力放在「增強型」導彈上,也就是彈頭使用較多的核原料。現今的技術則是把核聚變原料放在原子彈核心中,壓縮氘與氚讓聚變發生。這樣會製造更多中子,使得核裂變時鏈鎖反應較大。等於是使用原子彈引發氫彈,再用氫彈引發原子彈

專家認為北韓的「氫彈」很有可能是增強型的原子彈,而地震儀顯示了原子彈範圍的數據。而北韓之前測試的彈道導彈也將做為彈頭的搭載體。據韓國國民大學教授 Andrei Lankov 提道,認為原子彈只能剷平紐約的一半,但氫彈可蒸發整座城市。

氫彈測試簡史

1952 年:美國首先在太平洋馬紹爾群島 (marshall islands) 的埃內韋塔克環礁 (Enewetak Atoll) 上的伊魯吉拉伯島 (Elugelab) 試爆了第一枚氫彈
1953 年:蘇聯在中西伯利亞 (Siberia) 試爆氫彈
1957 年:英國在太平洋聖誕島 (Christmas Island) 試爆氫彈
1967 年:中國在新疆試爆氫彈
1968 年:法國在南太平洋方加陶法環礁 (Fangataufa Atoll) 試爆 2 階段熱核裝置 (氫彈)
1998 年:印度在拉賈斯坦邦 (Rajasthan) 試爆核武


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