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核武器，這一代表著人類科技巔峰與毀滅潛能的造物，其驚人能量的核心究竟源自何物？

簡而言之，核彈的主要成分可分為兩大類：引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核裝藥 (Nuclear Payload) 和一系列確保核裝藥在預(yù)定時(shí)刻以精確方式發(fā)生反應(yīng)的高度復(fù)雜的非核部件。

第一部分：核裝藥——能量的來源

核彈的“心臟”是其核材料，根據(jù)反應(yīng)原理的不同，分為裂變材料和聚變材料。

中核集團(tuán)納米比亞羅辛鈾礦（圖片來源：C.Brady/原子能機(jī)構(gòu)）

裂變材料 (Fissile Materials)：原子彈的基礎(chǔ)

原子彈（或稱裂變彈）的威力來自于重原子核（如鈾或钚）分裂時(shí)釋放的巨大能量。要制造一枚有效的原子彈，其核心必須使用“可裂變”的同位素。這些材料的原子核在被一個(gè)中子撞擊后，會(huì)變得不穩(wěn)定并分裂成兩個(gè)較小的原子核，同時(shí)釋放出更多的中子和巨大的能量。這些新產(chǎn)生的中子再去撞擊其他可裂變原子核，便形成了雪崩式的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，在微秒內(nèi)釋放出毀滅性的能量。

歷史上和現(xiàn)代核武庫中，最重要的裂變材料主要有兩種：

• 高濃縮鈾 (Highly Enriched Uranium, HEU)，特別是鈾-235 (235U)。

在地球上天然存在的三種鈾同位素中，鈾-238占99%以上 （圖片來源：A.Vargas/原子能機(jī)構(gòu)）

• 天然鈾礦中，絕大部分是無法高效進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾-238，而能夠作為核武器燃料的鈾-235含量僅占約0.7%。因此，必須通過氣體擴(kuò)散法或更先進(jìn)的氣體離心法等極其復(fù)雜且昂貴的技術(shù)，將鈾-235的濃度提升至90%以上，這個(gè)過程被稱為“濃縮”。

圖：在天寧島炸彈坑中的“小男孩”，準(zhǔn)備被裝載到艾諾拉·蓋號轟炸機(jī)的炸彈艙中。

• 投擲于廣島的“小男孩”原子彈，其核心就是約64公斤的高濃縮鈾。
• 钚-239 (239Pu)。
• 钚-239在自然界中幾乎不存在。它是在核反應(yīng)堆中，由鈾-238吸收一個(gè)中子后，經(jīng)過一系列衰變而人工制造出來的。
• 相較于鈾-235，钚-239的臨界質(zhì)量更小，且每次裂變釋放的中子更多，使其成為制造更小、更高效核武器的理想材料。

圖：胖子核彈的“物理套件”核裝置即將被安裝入彈殼

• 投擲于長崎的“胖子”原子彈，其核心便是一個(gè)約6.2公斤、壘球大小的球形钚-239。著名的“惡魔核心”（Demon Core）也是一個(gè)同樣大小的钚球，因在兩次獨(dú)立的臨界事故中導(dǎo)致科學(xué)家死亡而聞名。

聚變材料 (Fusion Materials)：氫彈威力的倍增器

氫彈（或稱熱核武器）的威力遠(yuǎn)超原子彈，它利用的是輕原子核（如氫的同位素）在極高溫度和壓力下聚合成更重原子核時(shí)釋放的、更為巨大的能量。這一過程與太陽內(nèi)部的能量產(chǎn)生機(jī)制相同。

圖：１９６７年６月１７日，我國在西部地區(qū)上空成功地爆炸氫彈

然而，要引發(fā)熱核聚變，需要數(shù)千萬甚至上億攝氏度的極端高溫。目前，人類實(shí)現(xiàn)這一條件的唯一手段，就是引爆一顆原子彈。因此，所有氫彈內(nèi)部都包含一個(gè)作為“扳機(jī)”或“初級”的原子彈。

氫彈的核心聚變?nèi)剂贤ǔＪ牵?/span>

• 氘化鋰-6 (6LiD)：這是一種由氫的穩(wěn)定同位素氘 (D 或 2H) 和鋰的一種同位素鋰-6 (6Li) 構(gòu)成的穩(wěn)定化合物，形態(tài)為固體粉末。它是現(xiàn)代熱核武器中最主要的聚變材料。
• 當(dāng)氫彈初級的原子彈爆炸時(shí)，產(chǎn)生的大量中子會(huì)轟擊鋰-6，生成氫的放射性同位素——氚(T 或 3H)。
• 隨即，在原子彈創(chuàng)造的超高溫高壓環(huán)境下，氘和新生成的氚發(fā)生劇烈的聚變反應(yīng) (D+T→4He+n+17.6 MeV)，釋放出巨額能量。

圖：聚變反應(yīng)D-T反應(yīng)

• 氚 (T 或 3H)：氚是最高效的聚變?nèi)剂?，但它是一種半衰期僅為12.3年的放射性氣體，會(huì)隨時(shí)間推移而衰減，且生產(chǎn)成本極為高昂。因此，它通常以“助爆”的形式少量使用于裂變彈或氫彈的初級中，以提高裂變效率，而非作為主要的聚變?nèi)剂稀?/span>

第二部分：非核部件——精密的引爆系統(tǒng)

僅有核材料不足以構(gòu)成一枚核彈。一系列精心設(shè)計(jì)的非核部件必須完美協(xié)作，才能將核材料從亞臨界狀態(tài)瞬間推向超臨界狀態(tài)，并啟動(dòng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

1. 引爆方式與常規(guī)炸藥

為了觸發(fā)核爆炸，必須將分開存放的、總質(zhì)量超過“臨界質(zhì)量”的核材料在極短時(shí)間內(nèi)精確地組合在一起。主要有兩種引爆方式：

• 槍式 (Gun-type Assembly)：
• 這是一種相對簡單的設(shè)計(jì)，僅適用于鈾-235。其原理如同開槍，將一塊亞臨界質(zhì)量的鈾“子彈”通過常規(guī)炸藥（如線狀無煙火藥）的爆炸，高速射向另一塊同樣處于亞臨次的鈾“靶標(biāo)”。兩者結(jié)合后，整體質(zhì)量超過臨界值，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

圖：“槍式”組裝方法

• 廣島的“小男孩”原子彈就采用了槍式結(jié)構(gòu)。由于其設(shè)計(jì)簡單可靠，在投擲前并未進(jìn)行全面試驗(yàn)。

圖：槍式方法（上）和內(nèi)爆式方法（下）的示意圖。

• 內(nèi)爆式 (Implosion-type Assembly)：
• 這是一種更先進(jìn)但結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，是引爆钚-239的唯一方式，也可用于鈾-235。
• 其核心是一個(gè)處于亞臨界狀態(tài)的球形核材料（如钚-239）。核球外部包裹著一層精心設(shè)計(jì)成球形的常規(guī)烈性炸藥，如B炸藥（RDX和TNT的混合物）或更先進(jìn)的聚合物粘結(jié)炸藥。這些炸藥被塑造成精確的“炸藥透鏡”(Explosive Lenses)。
• 當(dāng)數(shù)十個(gè)雷管被同步精度要求在微秒級的電子引爆系統(tǒng)同時(shí)引爆后，炸藥透鏡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向心匯聚的、均勻強(qiáng)大的球面沖擊波。這個(gè)沖擊波會(huì)以巨大的壓力瞬間壓縮內(nèi)部的钚球，使其密度急劇增加，從而達(dá)到超臨界狀態(tài)并發(fā)生爆炸。
• 長崎的“胖子”原子彈和人類首次核試驗(yàn)“三位一體”中引爆的裝置，都采用了內(nèi)爆式設(shè)計(jì)。

圖：胖子核彈“物理套件”的剖面圖

2. 中子反射層/約束層 (Tamper/Reflector)

在核核心的外部，通常包裹著一層由高密度材料制成的外殼，兼具兩種功能：

• 中子反射：這層材料能夠?qū)㈡準(zhǔn)椒磻?yīng)中向外逃逸的中子“反射”回核核心，讓它們繼續(xù)參與反應(yīng)，從而顯著降低引爆所需的核材料量（即臨界質(zhì)量），并提高核材料的利用率。
• 慣性約束：由于其巨大的質(zhì)量和慣性，它能在核爆炸開始的最初幾微秒內(nèi)，延緩核心物質(zhì)被炸散的時(shí)間，使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠持續(xù)更久，從而釋放更多能量。
• 常用的材料包括天然鈾（鈾-238）、鎢或鈹。天然鈾不僅密度大，還能被裂變產(chǎn)生的高能中子部分引爆，額外增加爆炸威力。

3. 中子源/引信 (Neutron Initiator)

為了確保鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在核材料達(dá)到最佳超臨界狀態(tài)的精確瞬間才開始（過早或過晚都會(huì)導(dǎo)致爆炸效率極低的“ fizzle”），需要在核心內(nèi)部或附近設(shè)置一個(gè)中子源。它就像是點(diǎn)燃篝火的火柴。早期的中子引信（如用于“胖子”原子彈的“urchin”引信）通常是一個(gè)精巧的小球，內(nèi)部含有兩種物質(zhì)：

• 釙-210 (210Po)：一種強(qiáng)烈的α粒子放射源。
• 鈹-9 (9Be)：一種在被α粒子轟擊時(shí)會(huì)釋放中子的金屬。

這兩種物質(zhì)被薄膜隔開。當(dāng)內(nèi)爆沖擊波壓碎這個(gè)小球時(shí)，釙和鈹混合，瞬間產(chǎn)生大量中子，“點(diǎn)燃”已被壓縮至超臨界的核材料?，F(xiàn)代核武器則使用更先進(jìn)、可精確控制的外部脈沖中子源。

4. 氫彈的特殊結(jié)構(gòu)：泰勒-烏拉姆構(gòu)型 (Teller-Ulam Design)

泰勒-烏拉姆設(shè)計(jì)方案示意

現(xiàn)代氫彈普遍采用一種被稱為“泰勒-烏拉姆”的二級輻射內(nèi)爆構(gòu)型。這是一個(gè)極為精巧的設(shè)計(jì)：

1. 初級（扳機(jī)）：一枚內(nèi)爆式裂變彈（原子彈）。
2. 次級（聚變包）：包含主要聚變?nèi)剂希ㄈ珉?6）和一個(gè)位于中心的钚或鈾棒（被稱為“火花塞”）。
3. 輻射道與外殼：初級和次級被放置在一個(gè)由高密度材料（如鈾-238）制成的特殊外殼內(nèi)。外殼內(nèi)部填充有泡沫狀的塑料。

引爆過程如下：

泰勒-烏拉姆構(gòu)型，泡沫等離子機(jī)制引爆順序

• 第一步：初級的原子彈爆炸，釋放出巨量的X射線。
• 第二步：這些X射線以光速充滿整個(gè)外殼，其能量被外殼內(nèi)壁和次級的外層吸收，使其表面瞬間蒸發(fā)氣化，產(chǎn)生巨大的向內(nèi)壓力。這個(gè)過程被稱為“輻射內(nèi)爆”。
• 第三步：輻射內(nèi)爆的巨大壓力將次級中的聚變?nèi)剂虾椭行牡摹盎鸹ㄈ眽嚎s至極高密度。
• 第四步：“火花塞”被壓縮后達(dá)到臨界并發(fā)生裂變，提供了點(diǎn)燃聚變?nèi)剂纤璧牡诙馗邷馗邏骸?/span>
• 第五步：被徹底壓縮和加熱的氘化鋰燃料開始大規(guī)模熱核聚變，釋放出比初級原子彈大得多的能量。
• （可選）第六步：聚變產(chǎn)生的大量高能中子會(huì)進(jìn)一步引爆包裹在最外層的鈾-238外殼，形成裂變-聚變-裂變的三相彈，進(jìn)一步提升爆炸總威力。

結(jié)論

綜上所述，核彈并非僅由單一的“核原料”構(gòu)成。它是一個(gè)集核物理、材料科學(xué)、化學(xué)、精密機(jī)械和電子工程于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。其核心成分是高濃縮鈾或钚-239這類裂變材料，以及在氫彈中使用的氘化鋰-6等聚變?nèi)剂稀Ｈ欢?，真正將這些材料轉(zhuǎn)化為武器的是一套由常規(guī)烈性炸藥、中子反射層、中子引信和精密引爆控制系統(tǒng)等組成的非核部件。正是這些部件的完美協(xié)同，才得以釋放出原子內(nèi)部蘊(yùn)藏的、足以改變世界格局的恐怖力量。