【核能2】認識連鎖反應與原子彈的原理

想像把一個蘋果劈開，你會看到裡面的果肉；再想像把原子核這個極小的「果核」切開或把兩個小「果核」黏在一起，竟然可以釋出巨大的能量。這不是科幻，而是物理學告訴我們的事：有些重的原子核裂開（核裂變）會放出能量；有些輕的原子核合成（核聚變）也會放出能量。理解這兩種反應，可以幫助我們看懂核電廠、氫彈，以及太陽為何長年發光發熱。

核裂變是什麼？為何會放能量

核裂變是指一個較重的原子核（例如鈾）吸收中子後分裂成兩個較小的核，同時釋出能量和更多的中子。能量來自於原子核內質子和中子間的束縛能變化：裂變後的兩個碎核總束縛能比起原本的一個核更高，差額以能量形式釋出。生活化地說，就是原子核裡的「鍵」重新排列，釋放出「熱」。

重要的一點是，不是所有放射性元素都能做成武器—要能支持自持的鏈式反應，需要特定的材料與條件。第一個被利用的就是鈾-235（寫作U-235），它容易被慢速中子誘發裂變；鈾-238（U-238）本身較不容易裂變，但吸收中子後可以形成更重的放射性元素（例如鈽，plutonium），這些可再用於鏈式反應。

鏈式反應與臨界質量：一傳十、十傳百的成長

裂變時會釋出中子，如果每一次裂變平均產生的中子能再引發至少一個新的裂變，反應就會自持，稱為鏈式反應。數量上，裂變的次數可以呈幾何級數增長，這正是核爆威力巨大的原因。要做到這點，材料的量、形狀、密度與是否有吸收中子的物質都很關鍵。當讓反應持續增加時，系統達到所謂的臨界（critical）或超臨界狀態，若控制不當就會爆發性地釋能。

中子能量與命中率：為何要減速？

一個很有意思的物理事實是：中子撞擊原子核能否引起裂變，很大程度取決於中子的速率（即能量）。這裡有個簡單比喻：想像你是射箭手，箭射得太快反而不容易命中某些目標，輕推一點反而更有機會命中。原子核也是如此：某些核對慢中子的吸收截面（可理解為「目標大小」）比高速中子大得多。把太快的中子適當減速，能顯著提高它們被重核捕獲並誘發裂變的機會，從而提升鏈式反應的效率。

減速劑（moderator）：如何讓中子慢下來

在核反應堆和早期核武研究中，有一個重要元件叫做減速劑（moderator），目的是把快中子減速成慢中子而不吸收它們。常見的減速劑有高純度石墨（碳）和重水（heavy water，水分子中含有重氫）。以石墨為例，碳原子可以像撞球一樣把中子彈回來、帶走部分能量，使中子變慢；重水則用重氫原子與中子彈撞，效果也很好。

但材料有講究：石墨必須極為純淨，雜質（例如硼）會吸收中子、破壞鏈式反應。歷史上，二次大戰期間德國與美國都有研究減速劑；美國因為提煉出高純度石墨，成功把中子減速控制得更好，這對後來的原子彈開發很關鍵。

自然界的核裂變：地球內部會不會有小型核反應？

有人提出地球內部的岩漿加熱與地震，或許與地下放射性元素的裂變有關。事實上，地球內部確實包含放射性元素（像鈾、釷等），它們的自然衰變會釋放熱量，長期來看幫助地球保持溫暖。但這些自然裂變的速度相對甚慢，整體熱量散失速度更快，所以不太可能突然靠這些自然裂變引發大規模的瞬時加熱或地震。簡單說：有影響，但不像電影裡那樣瞬間爆發。

核聚變：為何氫能比鐵釋放更多能量

核聚變是將兩個或更多輕的原子核合成成一個更重的核。重要的經驗規則是：把輕於鐵的原子核聚合成較重的核會放出能量；相反，把重於鐵的核再分裂也會放出能量。這就是為何太陽（主要由氫組成）靠融合氫成為氦釋出巨大能量。

在太陽內部，氫原子在重力壓縮和高溫下變成電離的帶電粒子（質子和電子），質子在極高溫度與壓力下獲得足夠能量，衝破電荷間的排斥（庫倫障礙），兩個質子最終結合並透過一系列步驟形成氦，這個過程釋出比化學燃燒大得多的能量。過去人們曾以為太陽只是靠收縮產熱，後來發現這種機制只能解釋很少一部分能量，核聚變才是真正的來源。

氫彈與人造太陽：聚變的軍民兩面向

核聚變的能量密度非常高，因此有人把它用於武器（氫彈）。氫彈的設計通常用裂變爆炸（原子彈）作為「引爆器」，先提供極高的溫度與壓力，讓燃料（例如氘、氚等氫同位素）達到能發生聚變的條件。這也是為什麼氫彈威力遠大於原子彈。

另一方面，人類長期夢想做一個「人造太陽」，即在控制下穩定地把核聚變當成能源產生電力。挑戰在於要達到並維持極高溫度、密度與足夠長的停留時間，並且以安全、有效的方式取得凈能量。目前有很多國際合作的實驗與工程（例如托卡马克類型的磁場約束），但把實驗室成果放到商業化發電還需要時間。

核武與核能：同樣原理，不同使用方式

核武器與核電站都用到核裂變或核聚變原理，但差別在於控制方式與目的。武器追求瞬間、極大的能量釋放；反應堆則追求受控、穩定的小量連續釋放，並把熱轉成電。在工業上，經常要做的技術工作包括：挑選合適的燃料（例如高濃縮U-235或製造鈽），使用適當的減速劑以控制中子能量，並設計能吸收多餘中子的控制棒來停止反應。

結語：從微觀規則看宏觀世界

核物理告訴我們：原子核內的規則決定了能量釋放的方式。理解中子、同位素、減速劑、鏈式反應與聚變條件，不僅能解釋歷史事件（如廣島用U-235、長崎用鈽的不同設計），也能幫我們理性看待地球熱源、太陽的光熱，甚至未來能否把聚變變成乾淨能源。這些看似高深的概念，其實可以用身邊的比喻來理解：箭靶與射箭、撞球與能量交換、火種與連鎖反應。當我們用簡單的圖像把核子世界想像出來，複雜現象就不再那麼遙遠，而成為可以思考和討論的生活知識。