槍爆式鈽彈:曼哈頓計劃優先方案,核轟廣島的原子彈都得叫它聲哥

1945年8月6日8時15分許，美國陸軍航空兵（USAAF）第509混合飛行大隊指揮官保羅·蒂貝茨（Paul Tibbets）上校，駕駛代號「伊諾拉·蓋伊」（Enola Gay）的B-29「超級空中堡壘」戰略轟炸機（序列號44-86292），在位於日本廣島上空9400米高度，投下了人類歷史上第一枚用於實戰的原子彈——「小男孩」（Little Boy）。

投彈前一天，機組站在「伊諾拉·蓋伊」號轟炸機前合影，照片中叼著菸斗的即為保羅·蒂貝茨

經過44.4秒的平拋運動後，「小男孩」在廣島市中心「志摩醫院」（島病院）上空約580米的高度爆炸。根據1945年公布的數字顯示，「小男孩」原子彈在爆炸後，造成66000人當場死亡、69000人受傷（截止1945年12月時，死亡人數上漲到90000至120000）。

「小男孩」爆炸後盛開的蘑菇雲

從「小男孩」原子彈說起

「小男孩」原子彈，是一種採用了「槍爆式」設計的鈾彈，即將一塊鈾-235，通過發射藥爆炸時產生的推動力，射到另一塊鈾-235上，當兩塊低臨界狀態的鈾-235撞擊到一起時，就會達到超臨界狀態，引發鏈式反應產生核爆炸。

「小男孩」原子彈（戰後模型）

「小男孩」彈體中部靠後的位置，有一塊重39千克、長17.8釐米、直徑15.9釐米、內徑10釐米，由9層環狀鈾-235組成的空心圓柱體、又被稱為「子彈」；彈體前部，有一塊直徑10釐米、長18釐米，由6層圓片狀鈾-235組成的圓柱體、又被稱為「目標」。當 「子彈」後部的無煙發射藥（由65％硝酸纖維素、30％硝酸甘油、3％凡士林和3％氨基甲酸酯組成）被引爆之後，會產生280000千帕的壓力，推動「子彈」通過內徑16.5釐米、長1.8米的「槍管」，以每秒300米的速度與「目標」撞擊。

「小男孩」的構造

組裝中的「小男孩」原子彈，可見其部分內部結構

關於「槍爆式」這一設計，其實並不是在「小男孩」上首次出現。在它之前，美國還設計過一種採用「槍爆式」設計的核武器，它就是被稱為「瘦子」（Thin Man）的原子彈，只不過因為種種原因未能成功。咱們今天，就來聊聊「小男孩」的大哥——「瘦子」原子彈。

優先研究方案——「槍爆式」鈽彈

「原子彈之父」朱利葉斯·羅伯特·奧本海默

1942年6月至7月，後來被稱為「原子彈之父」的朱利葉斯·羅伯特·奧本海默（Julius Robert Oppenheimer），在先後芝加哥大學、加利福尼亞大學召開會議，與眾多理論物理學家、實驗物理學家討論了關於原子彈設計等方面的問題。雖然在會議上，物理化學家理察·切斯·託曼（Richard Chace Tolman）提出了採用「內爆式」設計的想法，但最後大多數人還是傾向於採用「槍爆式」設計，之所以這樣，是因為「槍爆式」設計不僅結構較為簡單、而且不確定因素也較少。另外，有資料顯示，當時人們考慮，一旦「槍爆式」鈽彈出現問題，更容易將其改為同種原理的鈾彈，也就是代號「小男孩」的原子彈。

採用「內爆式」設計的「胖子」原子彈

1943年初，在代號為「瘦子」的「槍爆式」設計成為優先研究的方案之後，奧本海默還檢查了作為備選方案，即代號為「胖子」（Fat Man）的「內爆式」設計，並在洛斯阿拉莫斯實驗室（Los Alamos Laboratory）成立了由物理學家塞斯·內德邁爾（Seth Neddermeyer）負責的「E-5」小組，其工作就是對「內爆式」設計進行更深層次的研究。雖然在之前的會議上，也提出了「小男孩」的設計方案，但被研究等級被排在了「胖子」之後。

埃德溫·麥克米蘭

奧本海默組建了一個由物理學家埃德溫·麥克米蘭（Edwin McMillan）、查爾斯克裡奇菲爾德（Charles Critchfield）和約瑟夫赫斯菲爾德（Joseph Hirschfelder）在內的設計團隊，專攻「槍爆式」原子彈的設計工作。1943年4月，「瘦子」方案的設計工作開始。1944年初，「瘦子」方案的設計工作大致結束。同年4月，全尺寸「瘦子」模型被製造出來。

查爾斯克裡奇菲爾德（中間），右側即為奧本海默

「瘦子」的設計

「瘦子」與前文提到的「小男孩」，使用同樣的設計，即將一塊位於彈體後方的鈽-239「子彈」，通過發射藥爆炸時產生的推動力，射向位於彈頭的另一塊鈽-239，也就是「目標」來達到超臨界狀態，引發核爆炸。

「槍爆式」（上）和「內爆式」（下）的示意圖

在核武器的設計中，有一個詞叫做「預爆」，即兩塊低臨界狀態的材料（鈾-235或鈽-239）在碰撞時的速度不夠快，導致僅碰撞處達到了超臨界狀態（引起部分裂變反應），發生一起威力大於常規炸藥、但小於預計TNT當量的核爆炸，並將其它大部分低臨界狀態的材料炸開。

預爆的示意圖，僅碰撞處達到了超臨界狀態

發生預爆，主要是因設計方面的問題所致。為了避免發生預爆，克裡奇菲爾帶領「E-6」小組人員，赫希菲爾德帶領「E-8」小組人員，通過反覆計算，確定了使兩塊鈽-239達到超臨界狀態時所需的壓力和速度。即在起爆時，讓發射藥在「炮管」內產生520000千帕的壓力（可理解為推動力），推動「子彈」在「炮管」內加速至每秒910米的速度。

從上至下，分別為「小工具」、「瘦子」和「小男孩」

發射藥達到所需壓力，通過計算裝藥量即可達成，但「子彈」的速度，與「炮管」的長短息息相關。這個原理與炮管倍徑差不多，即「子彈」在「炮管」內，受發射藥燃氣作用的時間越長，炮口初速越高。這裡的炮口初速，就相當於兩塊低臨界狀態材料撞擊時的速度。

「瘦子」原子彈線圖

為達到所需要求，「瘦子」果真是又瘦又長。其彈體長度為5.2米、彈頭的直徑為97釐米、彈體中部至尾部的直徑為58釐米（拋去尾翼）、重量為3600千克。做這麼長，就是為了讓「子彈」獲得足夠的速度。

英國「蘭開斯特」轟炸機長10米的大彈艙

當時，為了能夠掛載「瘦子」，軍方先是準備使用英國的「蘭開斯特」（Lancaster）轟炸機用於投擲，因為其有一個10米長的大彈艙。後來，考慮到機組乘員需要重新培訓等多方面原因，改為對B-29「超級空中堡壘」（Superfortress）轟炸機的彈艙進行修改，即拆除主翼翼梁下方的艙壁和位於兩個彈艙之間的氧氣罐來掛載原子彈。

準備掛載到「伊諾拉·蓋伊」號前彈艙內的「小男孩」原子彈，可以看到在此彈艙之後，還有一個彈艙

「瘦子」存在的問題

1944年7月，奧本海默得出結論，鈽-239無法使用「槍爆式」設計，並選擇了「內爆式」設計。同年8月，他對洛斯阿拉莫斯實驗室進行了全面改組，將開發重點放在了「內爆式」上，也就是「胖子」原子彈。

溫多弗軍用機場的「瘦子」測試彈體，後面可見「胖子」的測試彈體

之所以鈽-239無法使用「槍爆式」設計，主要是因為以下兩方面問題：

1.「瘦子」比較長的彈體，導致其穩定性較差。從1943年8月開始至1944年3月，在位於維吉尼亞州（Virginia）的美國海軍達爾格倫測試場（Dahlgren），美國海軍用TBF「復仇者」（Avenger）魚雷轟炸機，進行了24次投放「瘦子」比例模型的測試。測試結果表明，很多次模型在離開彈艙後，都會朝側面旋轉。1944年6月，在對「瘦子」進行修改後，由經過改造的B-29「超級空中堡壘」轟炸機進行投放測試（此時為全尺寸的測試彈體）。高速照片顯示，尾翼會在壓力的作用下變形，導致不穩定的情況發生。

「瘦子」原子彈五視圖

2. 自發裂變率過高。這個問題，其實早在1942年就有人提出，不過當時對於這一問題的解決辦法，就是提高核原料的純度。在鈽-239中，不可避免的會含有一定量的鈽-240，因為鈽-240有著高自發裂變率，因此它是必須移除的汙染物。核武器所使用的鈽中，鈽-240的含量不得超過7%。

「瘦子」的測試彈體

自發裂變率高，導致其極有可能發生預爆。但在當時的技術條件之下，如果使用「槍爆式」的話，只有通過提高鈽-239「子彈」與「目標」的撞擊速度來降低預爆的機率。所以在這種情況之下，唯一可使用鈽-239的方法就是「內爆式」設計。

尾聲

準備掛載到「伊諾拉·蓋伊」號彈艙內的「小男孩」原子彈，照片右上角可以看到B-29一部分彈艙門

1944年7月17日，在一次會議上，參會人員一致決定取消「槍爆式鈽彈」的研製。此後，奧本海默對洛斯阿拉莫斯實驗室進行了重組，幾乎將所有的人力物力，都放在了對「內爆式」鈽彈的研究上。

弗朗西斯·伯奇

在「槍爆式」鈽彈的研究工作被取消後，「槍爆式」鈾彈的研究工作，在弗朗西斯·伯奇（Francis Birch）所負責的「O-1」小組開始了，最後的結果，即為人類歷史上第一枚用於實戰的原子彈、大名鼎鼎的「小男孩」。