小男孩原子彈

小男孩，造成廣泛的傷亡和廣島市區毀滅性的破壞。成為人類歷史上第二次人造核爆炸，僅次於三位一體核試驗。小男孩原子彈是由曼哈頓計劃的洛斯阿拉莫斯實驗室於第二次世界大戰期間由中校領導的小組開發，這是他們對瘦子原子彈的改進版本。和瘦子一樣，小男孩是一種槍式裂變武器，但其爆炸能力來自於鈾-235的核裂變，而瘦子則基於鈽-239的裂變。透過使用硝酸纖維素火藥驅動，將一個空心圓筒高度濃縮鈾，但僅不到一公斤的鈾進行核裂變。其元件在三個不同的工廠製造，以確保沒有任何一家擁有完整的設計複製品。與需要精密協調成型爆炸裝藥的內爆設計不同，槍式設計被認為幾乎可以確保有效，因此在首次在廣島使用之前並未經過測試。戰爭結束後，人們原本不認為效率低下的小男孩會再次使用，因此許多計劃和圖紙被摧毀。然而到了1946年中期，漢福德區開始受到維格納效應的嚴重影響，使得鈽變得稀缺。為瞭解決這個問題，生產了六個小男孩裝置。1947年，為P-2海王星巡邏機部署另外25個小男孩裝置，這些飛機可以從中途島級航空母艦上起飛。所有的小男孩裝置在1951年1月底之前全部退役。命名.在第二次世界大戰期間，物理學家羅伯特·瑟伯爾根據兩種原子彈的外形，分別取名為「瘦子」，該角色在1941年的電影版本中由悉尼·格林斯特里特飾演。而「小男孩」之名則由他人所取，是暗指「瘦子」，因為它是根據其設計來命名的。開發.由於得知鈾-235可以發生裂變，因此它成為原子彈開發的首要材料。作為第一種成功開發並在戰爭中使用的原子彈設計，通常這被稱為馬克I。其中大部分的工作均涉及對鈾進行同位素分離，以獲得武器所需的鈾-235，因為天然鈾中只有140份之1是鈾-235。濃縮工作則在田納西州橡樹嶺的電磁分離廠，即Y-12國家安全大樓進行，最後於1944年3月完全投入營運。第一批高度濃縮的鈾則於該年6月運送到洛斯阿拉莫斯實驗室。製造原子彈所需的大部分鈾，則來自比屬剛果的，這得益於的CEO的深謀遠慮。他在1940年將約1,200短噸氧化鈾，在被捕獲後也被送至橡樹嶺濃縮。小男孩是先前的槍式分裂核武器「瘦子」，而這似乎是不可避免的。這意味著鈽的背景裂變率非常高，在形成臨界質量的初期，鈽很有可能會提前引爆並自行。1944年7月，洛斯阿拉莫斯的幾乎所有研究都轉向內爆型鈽武器的開發。鈾槍式武器的整體責任歸給了上尉的軍械部門。所有設計、開發和技術工作由的小組統籌。相較於鈽內爆型核武器和鈽槍式裂變武器，鈾槍式武器的設計更直截了當，甚至可以說是簡單的。這個概念的追求是為了萬一開發鈽彈失敗，仍然可以使用槍式原理。因此，槍式設計之後只需使用濃縮鈾，這使得「瘦子」設計大大簡化。不再需要高速炮，可以用更簡單的武器代替。簡化後的武器長度足夠短，可以輕易放入B-29轟炸機的炸彈艙中。設計規格於1945年2月完成，並在簽訂了建造各部件的合同後使用了三個不同的工廠進行製造，以確保沒有任何一家擁有完整的設計複製品。炮和炮膛由華盛頓哥倫比亞特區的華盛頓海軍工廠製造，目標外殼和其他一些部件由的海軍軍械廠製造，尾部罩和安裝支架由底特律的專家工具和模具公司製造。炸彈於7月16日從加利福尼亞州啟程，經由印第安納波利斯號重型巡洋艦於7月26日抵達。目標外掛則於7月30日透過航空運送。儘管所有部件都經過了測試，但在小男孩投放廣島之前，並未對槍式核武器進行實際試驗。關於核武器概念的唯一核試驗是使用鈽作為裂變材料的內爆型裝置，在1945年7月16日的三位一體核試驗中進行。沒有對類似小男孩的裝置進行測試有幾個原因。首先，相較於預期可以由漢福德核反應堆生產的相對較大量的鈽，濃縮鈾很少。此外，這種武器設計如此簡單，只需對槍式元件進行實驗室測試即可。與內爆設計不同，內爆設計需要對成型炸藥進行複雜的協調，而槍式設計幾乎可以確保有效。儘管「小男孩」裝置中包含了各種安全機制，但意外引爆仍然是可能的。舉例來說，若攜帶此裝置的轟炸機發生墜毀，「瘦子」狀的中空子彈可能會撞入「目標」圓筒，引爆炸彈或至少釋放大量輻射。然而，測試顯示這需要極不可能的500倍重力的碰撞力 。另一個擔憂是墜毀和火災可能會引發炸藥。若裝置沉入水中，鈾元件會受到中子減速劑效應，這並不會引起爆炸，但會釋放放射性汙染。因此，飛行員被建議在發生墜毀時選擇降落在陸地上而非海上。設計.小男孩長，直徑，重約。這個設計採用槍式方法，透過將一個中空的亞臨界濃縮鈾塊和一個固體的目標圓筒強行壓在一起，形成一個超臨界質量，引發核連鎖反應。這是透過四個裝填黑索爆藥粉末的圓柱形絲袋實現的，則將一塊鈾塊射擊到另一塊鈾上。其中黑索是一種廣泛使用的無煙推進劑，由65％硝化纖維素、30％硝化甘油、3％石蠟和2％氨基甲酸酯混合物製成，並擠成管狀顆粒。這使其表面積大且燃燒速度快，能夠產生高達每平方英寸的壓力。戰時的「小男孩」使用的黑索來自加拿大；戰後的版本則來自。炸彈內含有64公斤被轉化為幾種形式的能量，主要包括動能、熱能和輻射。裝配細節.武器內部的鈾-235材料按照槍式原理被分為兩個部分：「彈頭」和「目標」。彈頭是一個中空圓柱體，佔總質量的60%。插入物是由六個厚於彈頭環的洗衣機狀鈾圓盤組成，這些圓盤滑過一根直徑1英寸的棒子。然後，這根棒子透過鎢碳化物墊塞、吸收衝擊的鐵砧、以及鼻塞止墊等部件向前伸出，最終突出彈殼前端。整個目標元件的兩端都用鎖緊螺母固定。當中空前端的彈頭抵達目標並滑過目標插入物時，鈾的超臨界質量將完全被鎢碳化物和鋼的減壓器和中子反射器所包圍，這兩種材料的總質量為。。元件內部的會因彈頭撞擊目標而被啟用。反直覺系統.在1945年之後的前五十年裡，所有關於「小男孩」機制的出版描述和圖紙都預設一個小型實心彈頭射入一個更大的固定目標中心。然而考慮重要的質量，使得在「小男孩」中，更廣泛的中空部分應該是在彈頭部分。裝配的裂變核心則包含超過兩個鈾-235的臨界質量。這要求兩個部分中的一個擁有超過臨界質量，而較大的部分透過形狀和與中子反射的鎢碳化物減壓器的最小接觸，在組裝之前避免臨界。較大部分的中心有一個孔，使質量分散並增加表面積，從而允許更多裂變中子逃逸，防止預期之外的連鎖反應。但是，為了使這個更大的中空部分與減壓器接觸最少，它必須是彈頭，因為只有彈頭的後端在爆炸之前與減壓器接觸。其餘的鎢碳化物包圍著亞臨界質量的目標圓筒，兩者之間有一個氣隙。這種排列方式使最大量的裂變材料可以載入槍式組裝設計之中。引信系統.引信系統的設計旨在在最具破壞性的高度引爆，根據計算，這個高度是。它採用了三級互鎖系統：排練.小男孩的預組裝元件分別被編號為L-1、L-2、L-3、L-4、L-5、L-6、L-7和L-11。其中，L-1、L-2、L-5和L-6被用於測試投放。第一次投放測試使用L-1，於1945年7月23日在天寧島附近海域進行，目的是透過後來被稱為「大臭」的B-29轟炸機測試雷達高度計，該飛機由第509混合飛行大隊的指揮官上校保羅·W·蒂貝茨駕駛。之後的兩次海上測試分別於7月24日和25日進行，使用L-2和L-5裝置以測試所有元件。蒂貝茨也是這兩次任務的飛行員，但這次使用的轟炸機是隨後被稱為「」的一架B-29轟炸機。L-6在7月29日用作彩排，轟炸機使用「」，由查爾斯·W·斯威尼少校駕駛，飛往硫磺島，並進行裝載炸彈到待命飛機的緊急程式練習。這次排演後來在7月31日重複進行，但這次L-6被重新裝載到一架不同的B-29轟炸機，艾諾拉·蓋，由蒂貝茨駕駛，並在天寧島附近進行炸彈測試投放。至於L-11，則是用於廣島的原子彈裝置編號。廣島引爆.艾諾拉·蓋號轟炸機的武器專家帕森斯，曾對於飛機在起飛時墜毀導致「小男孩」意外引爆的可能性感到擔憂，因此他決定在飛行中才將四個火藥袋裝入槍膛。起飛後，帕森斯和他的助手第二中尉莫里斯·傑普森沿著左側的狹窄人行道進入炸彈艙。傑普森拿著手電筒，帕森斯則斷開了引信線取下了槍膛蓋，並插入了火藥袋，重新安裝了槍膛蓋，重新連線了引信線。在接近目標時攀升高度之前，傑普森將內部電池和引爆機構之間的三個安全插頭，從綠色換成紅色，這樣炸彈就完全武裝了起來。傑普森則監控著炸彈的電路。1945年8月6日，炸彈在日本標準時間上午08時15分左右投下。下落了44.4秒後，時間和氣壓觸發器啟動了引爆機構。爆炸發生在的高度。它的威力比投在長崎市的胖子原子彈要小，但廣島的損壞和受害者數量則比長崎要高得多，因為廣島位於平坦地帶，而長崎的原爆點位於一個小山谷中。根據1945年公佈的資料，有66,000人直接死於廣島爆炸，69,000人受傷程度不等 。後來的估算將死亡人數提高到高達140,000人。美國戰略轟炸調查報告估計，廣島爆炸時有24,158名大日本帝國陸軍士兵，其中6,789人因爆炸而死亡或下落不明。關於炸彈的爆炸能量確切測量具有困難，因為這種武器從未進行過測試。哈里·S·杜魯門總統正式宣佈炸彈的能量為。這是基於帕森斯對比起他在三位一體核試驗中所見的爆炸更大的視覺評估。由於特里尼蒂蒂的估算為，演說稿作了四捨五入的20千噸。之後的討論被壓制，以免減少炸彈對日本的影響。路易斯·阿爾瓦雷茨、和在觀察機大藝術家號轟炸機上收集了資料，但當時這些資料未用於計算爆炸能量。戰爭結束後，曼哈頓計畫的一個調查小組被派往廣島評估爆炸的影響，小組成員包括、羅伯特·瑟伯和。他們進行了對受影響物體和結構的評估，並得出炸彈的威力為12 ± 1千噸。隨後，根據焦炭現象進行的計算指出威力為13至14千噸。到了1953年，弗雷德裡克·萊因斯計算出炸彈的威力為，並且這個數字成為官方公認的威力資料。物理效果.1945年4月選定廣島作為原子彈的目標後，該城市被避免遭受常規的轟炸，以成為原始的目標，這樣可以觀察到核彈對一座未受損城市的影響。儘管損壞可以稍後研究，但未經測試的「小男孩」設計的能量產出只能在爆炸時刻確定，使用由一架與投彈飛機形成隊形的飛機降落傘投放的儀器來進行測量。這些儀器傳輸的無線電資料顯示威力約為15千噸。將此威力與觀察到的損害進行比較則得到了一個粗略估計的法則，稱為5磅力每平方英寸致死區域法則。在衝擊波帶有這樣的超壓或更大的區域內，幾乎所有人都會喪生。在廣島，這個區域的直徑為。損害主要來自三個主要影響：衝擊波、火災和輻射。衝擊波.核彈爆炸所產生的衝擊波或壓力波是由X射線加熱的空氣在所有方向上傳播，其初始速度超過音速，類似於雷電引起的雷聲。關於城市爆炸破壞的瞭解主要來自對廣島「小男孩」核彈的研究。雖然長崎的建築物在相似的距離上遭受了相似的破壞，但長崎的核彈在離市中心的地方爆炸，而該地區的地形部分裸露，缺乏建築物。在廣島，距離爆炸點正下方的幾乎所有物體都被完全摧毀，除了約50棟嚴重加固、抗震的鋼筋混凝土建築物，它們僅剩下外表，而內部幾乎被完全挖空。窗戶、門、窗框等都被撕裂。嚴重爆炸破壞的範圍周圍大致遵循距離爆炸點處的5磅每平方英寸等壓線。後來在核武器試驗中，透過與房屋和其他結構物靠近的爆炸測試，確認了5磅每平方英寸的超壓閾值。一般城市建築受到這種壓力的影響時，會被壓碎、推倒或內部被挖空。結構性破壞的主要效應之一是在嚴重破壞區域內同時引發了多處火災，因為燃料被點燃。火災.核彈爆炸的第一個效應是刺眼的光芒，伴隨著火球散發出的輻射熱。廣島爆炸時，火球的直徑達到，表面溫度高達，幾乎與太陽表面的溫度相同。靠近原爆點的地方，所有易燃物幾乎在瞬間被引燃。有一個著名但不知名的廣島受害者，坐在距離爆心260米的石階上，只留下了一個人的影子，因為吸收了火球的熱量，永遠地漂白了周圍石階的表面。該石日後被稱為人影之石。與此同時，由於火球的高溫和被撞倒的爐灶、爐子、電器短路等原因，火災在爆炸損壞區域內不斷爆發。爆炸發生後20分鐘，這些火災合併成了一股火風暴，從各個方向將地面上的空氣拉入，形成了一片吞噬所有易燃物的地獄。廣島的火風暴直徑約為3.2公里，與嚴重爆炸損壞區域基本吻合。爆炸損壞的建築物為火災提供了燃料，結構木材和傢俱被粉碎和散落。瓦礫阻礙了道路，妨礙了消防隊的行動。破裂的煤氣管釋放出燃料，而斷裂的水管使消防栓無效。相比之下，長崎的火災沒有合併成一個單一的火風暴，火災損壞面積僅為廣島的四分之一，部分原因是受到西南風的影響，將火災推離城市。另外，廣島的火風暴跳過了自然的防火帶，以及預先設定的防火帶。火災的蔓延僅在達到爆炸損壞區域邊緣時停止，因為可用的燃料減少。根據《曼哈頓計劃》對廣島的報告估計，60％的直接死亡是由火災造成的，但是要注意，「在爆炸中心附近的許多人因為受到炸彈效應的多重傷害而死亡」。輻射.放射性落下灰是指含有放射性裂變產物的炸彈坑灰塵和灰燼，它們被風吹向坑口下風處，僅靠輻射就能產生比爆炸和火災造成的致命區域大得多的範圍。然而，在「小男孩」核彈的情況下，由於是在距離地面580米的空中爆炸，裂變產物因而上升到平流層消散並成為全球環境的一部分，因此並沒有任何的炸彈坑，也沒有地方性的放射性沉降。然而，核彈爆炸產生的大量中子輻射和伽馬射線直接來自於鈾的裂變。其致命半徑約為，覆蓋了大約一半的火風暴區域。估計30％人口的直接死亡是因為受到致命劑量的輻射，但是在火風暴中死亡之前，他們的輻射傷害還不明顯。儘管超過6,000人在爆炸和火災中倖存下來，但最終均死於輻射傷害。在受傷的倖存者中，約有30％的人有輻射傷害，雖然他們康復了，但終生的癌症風險卻大幅增加了。迄今為止，尚未觀察到被爆者子女之間與輻射相關的遺傳疾病的證據。日本投降確定後，曼哈頓計劃的科學家立即開始對廣島進行調查，以更好地瞭解損害情況，並與日本醫生交流，特別是關於輻射影響的知識。這個合作計劃在1946年成為「」，是一個美國和日本聯合專案，用於追蹤被爆者中的輻射傷害。1975年，其工作由接替。1962年，洛斯阿拉莫斯的科學家建立了一個名為「一番計劃」的「小男孩」模型，以解答有關該炸彈的輻射輸出的一些未解之謎，這將有助於設定詮釋輻射暴露與後續健康結果之間關係的基準。然而，該模型未能解決所有問題。後在1982年，洛斯阿拉莫斯再次製作了一個與原始圖紙和規格相符的「小男孩」複製品。然後，他們在安全配置下使用濃縮鈾進行測試，以防止核爆炸發生。使用液壓升降機移動砲彈，並進行實驗以評估中子的放射。常規武器當量.儘管小男孩的爆炸產生了相當於16000噸TNT的能量，根據美國戰略轟炸調查團的估算，相同的爆炸和火災效應可以由2100噸常規炸彈引起：「220架B-29轟炸機攜帶了1200噸燃燒彈，400噸高爆彈和500噸破片彈。」由於目標分佈在二維平面上，單個球形核爆炸的垂直成分在很大程度上被浪費了。一個由較小爆炸組成的集束彈藥模式將更有效地達到目標。根據「一番計劃」的資料以及大藝術家號轟炸機所提供的壓力波資料，估計核彈的產量在1960年代為16.6 ± 0.3千噸。在考慮了許多估算方法後，一份1985年的報告得出的結論是，該核彈的產量是 ± 20％。戰後.戰爭結束後，人們原本不期望再次需要效率低下的「小男孩」設計，因此許多計劃和圖表都被銷毀。然而，到了1946年中期，漢福德核反應堆受到維格納效應的嚴重影響。面對無法再為新核心生產釙和為已生產核心的啟動裝置提供鉛的前景，曼哈頓計劃主任萊斯利·理查德·格羅夫斯少將下令準備一些「小男孩」作為一個臨時措施，直到找到解決方案。然而，當時並無可用的「小男孩」裝置，也找不到完整的「小男孩」的圖表，僅有各種零件的圖紙和備用零件仍存。在桑迪亞基地，三名陸軍軍官，艾伯特·貝瑟爾上尉、理查德·邁耶上尉和鮑比·格里芬上尉，試圖重新製造「小男孩」。他們受到了「小男孩」專家哈洛·W·拉斯的監督，他曾在天寧島的中服役，現在是洛斯阿拉莫斯實驗室Z部門Z-11小組的負責人。他們逐漸找到了正確的圖紙和零件，並弄清了它們的組裝方式。最終共製造了六個「小男孩」裝置。儘管外殼、槍管和零件都經過了測試，但未提供濃縮鈾用於裝置。到了1947年初，由於威格納效應引起的問題已經在解決中，這三名軍官最後被重新分配。在1947年製造了25個「小男孩」裝置，用於具有核能力的P-2海王星巡邏機。這些零件由愛達荷州波卡特洛和肯塔基州路易維爾的海軍軍械廠生產。到了1948年，已經有足夠的裂變材料可以製造十個彈頭和靶核，儘管只有足夠的啟動裝置可以製造六個。所有的「小男孩」裝置都在1951年1月底前從服役中撤回。史密森尼學會曾展示了一個「小男孩」，直到1986年。美國能源部從博物館取出該武器的內部元件，以防止炸彈被偷竊並使用裂變材料引爆。政府於1993年將空殼還回給史密森尼學會。目前美國境內還有三枚解除武裝的「小男孩」核彈展示品，而另一枚則在倫敦的帝國戰爭博物館展出。