美國國家檔案與文件署供圖 原子大炮試射，1953年

我們已經(jīng)見識(shí)過這些裝置所擁有的令人難以置信的破壞力，那么它們的原理是怎樣的呢？在這篇文章中，你將了解使核彈威力如此巨大的物理學(xué)原理以及核彈的設(shè)計(jì)、核爆炸的后果等方面的知識(shí)。

核彈利用了強(qiáng)和弱的相互作用力，正是這些力將原子（特別是原子核不穩(wěn)定的原子）的原子核束縛在一起（有關(guān)詳細(xì)信息，請參見核輻射揭秘）。核能從原子中釋放出來的基本方式有兩種：

• 核裂變——你可以使用中子將一個(gè)原子的原子核分裂成兩個(gè)小一點(diǎn)的碎片。這種方法通常涉及鈾（鈾-235、鈾-233）或者钚-239的同位素。
• 核聚變——你可以將兩個(gè)較小的原子，通常是氫或者氫的同位素（氘、氚），結(jié)合在一起形成更大的原子（氦或氦的同位素）。這正是太陽能量的來源。

不論裂變還是聚變，任一種過程中都有大量的熱能和輻射被釋放出來。

要制造一顆原子彈，你需要：

• 可裂變或可聚變的燃料
• 觸發(fā)裝置
• 使大部分燃料在爆炸前發(fā)生裂變或聚變（否則炸彈的爆炸將會(huì)失?。┑耐緩?

第一批核彈都是裂變裝置，而之后出現(xiàn)的聚變炸彈需要用裂變炸彈來觸發(fā)。我們下面將要討論的裝置有：

• 裂變彈（大體介紹）。
• 槍觸發(fā)式裂變彈（“小男孩”），它于1945年在日本廣島上空被引爆。
• 內(nèi)爆觸發(fā)式裂變彈（“胖子”），它于1945年在日本長崎上空被引爆。
• 聚變彈（大體介紹）。
• 泰勒-烏拉姆型氫聚變彈，它于1952年在埃留吉拉布島（Elugelap Island）上試爆。

裂變彈使用像鈾-235這樣的元素來制造核爆炸。如果你閱讀過核輻射揭秘，那么你已經(jīng)了解了放射性衰變和裂變背后的基本過程。鈾-235有一種額外的特性，這種特性使它既可以用于核能發(fā)電也可以用于制造核彈——鈾-235是少數(shù)能夠發(fā)生誘發(fā)裂變的材料之一。如果一個(gè)自由中子撞擊鈾-235的原子核，它的原子核將會(huì)立即吸收這個(gè)中子而變得不穩(wěn)定，并馬上分解。

這幅圖展示了一個(gè)中子從上部接近鈾-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它馬上分解為兩個(gè)輕一些的原子，同時(shí)釋放出兩個(gè)或三個(gè)新的中子（發(fā)射出的中子的個(gè)數(shù)取決于鈾-235原子分解的方式）。兩個(gè)新的原子釋放出伽馬射線并穩(wěn)定到新的狀態(tài)（請查看核輻射揭秘）。有三件事情讓誘發(fā)裂變過程變得有趣：

• 鈾-235原子捕捉一個(gè)正在穿過的中子的概率非常之高。在正常爆炸的核彈中，每個(gè)裂變事件釋放出的中子中都有一個(gè)以上導(dǎo)致了另一次裂變的發(fā)生。這種條件被稱為超臨界。
• 捕捉中子并發(fā)生分解的過程非常迅速，數(shù)量級(jí)為皮秒（即1*10E-12秒）。
• 當(dāng)原子分解時(shí)，有令人難以置信的能量通過熱和伽馬輻射的形式釋放出來。單個(gè)裂變反應(yīng)能夠釋放出能量是因?yàn)榱炎儺a(chǎn)物和中子加在一起的質(zhì)量比原來的鈾-235原子的質(zhì)量要小。
• 質(zhì)量的差異轉(zhuǎn)化為能量的比率是由方程e = m * c²決定的。0.45公斤用在核彈中的高濃鈾所產(chǎn)生的能量在量級(jí)上等于約379萬升的汽油所產(chǎn)生的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個(gè)棒球還小，而379萬升的汽油卻能夠裝滿邊長為15米（約五層樓高）的立方體，你就能對那么一小點(diǎn)鈾-235所蘊(yùn)含的能量有個(gè)概念了。

為使鈾-235的這些特性得到發(fā)揮，鈾樣品必須得到濃縮。武器級(jí)的鈾至少含有90%的鈾-235。

臨界質(zhì)量
在裂變彈中，燃料必須被分開保存為多個(gè)不會(huì)發(fā)生裂變的亞臨界質(zhì)量，以避免過早引爆。臨界質(zhì)量是可裂變物質(zhì)維持核裂變反應(yīng)所需的最小質(zhì)量。這樣分開保存給裂變彈設(shè)計(jì)帶來了幾個(gè)必須解決的問題：

• 兩塊或多塊亞臨界質(zhì)量的材料必須結(jié)合在一起才能形成一塊超臨界質(zhì)量，這樣才能提供足夠多的中子以在引爆時(shí)維持裂變反應(yīng)。
• 自由中子必須被引入超臨界質(zhì)量中才能引發(fā)裂變。
• 炸彈爆炸前必須有盡可能多的材料發(fā)生裂變以避免核爆失敗。

• 槍觸發(fā)
• 內(nèi)爆觸發(fā)

1. 當(dāng)亞臨界質(zhì)量的燃料塊結(jié)合時(shí)箔片被弄破，釙自發(fā)地釋放出阿爾法粒子。
2. 這些阿爾法粒子撞擊鈹-9生成鈹-8和自由中子。
3. 這些中子將誘發(fā)裂變。

1. 炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)子彈沿槍管向下運(yùn)動(dòng)。
2. 子彈撞擊燃料球和發(fā)生器并引發(fā)裂變反應(yīng)。
3. 裂變反應(yīng)開始。
4. 核彈爆炸。

“小男孩”就是這類核彈。它有14.5千噸當(dāng)量（等價(jià)于14500噸的TNT炸藥），效率約為1.5%。就是說，在爆炸將裂變材料炸開之前有1.5%的材料發(fā)生了裂變。

內(nèi)爆觸發(fā)式裂變彈
早在曼哈頓計(jì)劃（即美國開發(fā)原子彈的秘密計(jì)劃）中，參與這個(gè)計(jì)劃的科學(xué)家們就意識(shí)到通過內(nèi)爆將多個(gè)亞臨界質(zhì)量壓縮成球形是一個(gè)制造超臨界質(zhì)量的好辦法。這個(gè)想法有很多問題，特別是應(yīng)該怎樣控制和引導(dǎo)沖擊波以使之均勻地分布在球形中。不過，曼哈頓計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)問題。內(nèi)爆裝置由鈾-235球殼（反射層）和被高強(qiáng)度炸藥包圍的钚-239燃料核組成。當(dāng)炸彈被引爆，將發(fā)生如下的事件：

• 炸藥點(diǎn)火引爆，制造沖擊波。
• 沖擊波壓縮燃料核。
• 裂變反應(yīng)開始。
• 核彈爆炸。

“胖子”就是這類核彈。它有23千噸當(dāng)量，效率為17%。這類炸彈在幾分之一秒內(nèi)爆炸。而裂變則通常發(fā)生在5600億分之一秒內(nèi)。

現(xiàn)代內(nèi)爆觸發(fā)設(shè)計(jì)
在最新的改進(jìn)型內(nèi)爆觸發(fā)設(shè)計(jì)中，引爆的過程如下：

• 炸藥爆炸并制造沖擊波。
• 沖擊波驅(qū)動(dòng)钚碎片形成一個(gè)球。
• 钚碎片撞擊位于球心的鈹/釙彈丸。
• 裂變反應(yīng)開始。
• 核彈爆炸。

聚變彈
裂變彈能夠爆炸，但是它們的效率不高。聚變彈，也稱熱核彈，有比裂變彈更高的當(dāng)量和效率。要設(shè)計(jì)聚變彈，需要解決下列問題：

• 聚變的燃料氘和氚都是氣態(tài)的，這使得它們難以存儲(chǔ)。
• 氚供應(yīng)短缺并且半衰期很短，所以將不得不持續(xù)地補(bǔ)充炸彈中的燃料。
• 為引發(fā)聚變反應(yīng)，氘或氚必須處于高溫高壓的狀態(tài)下。

泰勒-烏拉姆型聚變彈
為理解這種核彈的設(shè)計(jì)，想像彈殼內(nèi)有一枚內(nèi)爆的裂變彈和圓筒形的鈾-238套管（反射層）。反射層內(nèi)的是氘化鋰（燃料）和位于圓筒軸心的中空的钚-239棒。將圓筒和內(nèi)爆彈分離開的是鈾-238護(hù)罩和填充核彈套管剩余空間的塑料泡沫。核彈的引爆導(dǎo)致如下事件順序發(fā)生：

1. 裂變彈爆炸，釋放出X射線。
2. 這些X射線加熱核彈內(nèi)部和反射層，而護(hù)罩則避免燃料過早引爆。
3. 熱量導(dǎo)致反射層膨脹并被燒盡，同時(shí)向內(nèi)部的氘化鋰施加壓力。
4. 氘化鋰被擠壓到大約原來的三十分之一。
5. 壓縮沖擊波引發(fā)钚棒的裂變。
6. 裂變中的钚棒釋放出輻射、熱量和中子。
7. 中子進(jìn)入氘化鋰，與鋰結(jié)合生成氚。
8. 高溫和高壓的結(jié)合足以引發(fā)氘-氚和氘-氘聚變反應(yīng)，從而生成更多的熱量、輻射和中子。
9. 聚變反應(yīng)釋放出的中子導(dǎo)致反射層和護(hù)罩中的鈾-238碎片裂變
10. 反射層和護(hù)罩碎片的裂變將生成更多的輻射和熱量。
11. 核彈爆炸。