強化裂變武器

強化裂變武器的計劃起初在1947年末和1949年末，洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出的。[3]強化裂變武器的主要益處是可以進一步將核武器小型化，因為它在臨界質量（爆炸）導致自身解體前，給快中子提供一個突然的湧集，減少超臨界爆炸所需的最小慣性約束時間。這取消了鋁填層（英語: aluminum pusher）和鈾包覆融合芯（英語: uranium tamper）的需要，以及將它們和裂變材料擠壓至超臨界狀態所需的炸藥。雖然笨重的胖子原子彈的直徑為5英尺（1.5m）並需要3噸重的高爆炸藥作內爆之用，但可以在小型核彈頭（例如W88）上安裝強化裂變基本組件，以啟動次級核彈（該核武器由兩種核彈組成，分為初級和次級）。

在裂變彈中，常規炸藥爆炸，快速地將裂變材料「組裝」在一起，以達到超臨界質量。在這個狀態中，裂變材料的原子核會發生裂變，釋出中子，這些中子亦會導致其他原子核發生裂變，也會釋出中子，導致鏈式反應。在炸彈爆炸解體前，這反應最多消耗20%的核燃料，在不在理想條件的情況下，它的效率也可能會更低，如小男孩原子彈（槍式設計）和胖子原子彈（內爆式設計），其效率分別僅為1.38%和13%。

強化裂變武器利用氚氣和氘氣來實現其目的。在某些情況下也使用了固體氚化-氘化鋰，但氣體的靈活性更高（可在存儲在外部），氣體可注入至球形的裂變材料中央的中空空腔中，或注入至外層與「懸浮」（levitated）內芯之間。當有1%的裂變材料發生裂變時，其產生的溫度足以發生核融合/熱核融合（英語: thermonuclear fusion），熱核融合會產生大量的中子，加快最後階段的鏈式反應，約使其效率上升一倍。

氘-氚融合產生的中子攜有很大的能量，是核裂變產生的平均中子能量的7倍，會使裂變材料更有可能發生中子捕獲，並導致其發生裂變。這是由於以下的幾個原因:

1. 當攜有很大的能量中子轟擊裂變材料的原子核時，更多的次級中子會在裂變過程中釋放。（如鈈-239裂變產生的平均中子數4.6 vs 2.9 ）
2. 裂變截面在散射截面和捕獲截面成正比的情況下更大。

綜合以上條件，在鈈（密度為19.8 g/cm³）中氘-氚融合產生的中子的最大值，大約是平均裂變中子能量的8倍。（2.5×10⁹ vs 3×10⁸）

聚變增強（英語: Fusion boosting）的潛在貢獻可以通過觀察核聚變來感知，1摩爾氚（3克重）和1摩爾氘（2克重）完全聚變會產生1摩爾中子（1克重）（忽略逃逸損失和散射的中子），1摩爾中子可以直接使1摩爾鈈（239克重）直接裂變，並產生4.6摩爾的次級中子，這些次級中子可以使另外4.6摩爾鈈（1,099克重）裂變。這1,338克的鈈在頭兩次裂變會釋放相等於23[4]千噸TNT爆炸的能量（97 TJ），對於含有4.5公斤鈈的炸彈（典型的小型裂變觸發器，英語: Small fission trigger），其自身效率為29.7%。5克的聚變燃料聚變所釋放的能量只是1,338克鈈裂變的1.73%。因為鏈式反應可以在聚變增強和頭兩次裂變後繼續進行，所以有可能達到更高的爆炸當量與效率。[5]

大多數現代核武器都是聚變強化裂變武器（英語: Fusion-boosted fission bombs）。

聚變反應進度通常在2-3千萬開爾文時變得重要。當少於1%的裂變材料發生裂變（相等於數百噸TNT的爆炸當量）時，以非常低的效率達到此溫度。即使中子在臨界狀態下存在，內爆式武器的設計仍可以達到以上的爆炸當量，因此聚變增強設計使可製造不受預爆影響的高效武器。消除預爆的風險是使用聚變強化一個非常重要的優點。現時，美國軍械庫中的每一種武器都是聚變增強設計。[5]

根據其中一個武器設計者所說，自1945年以來，裂變武器的效率顯著提高了100倍，這主要歸功於聚變增強設計。[6]

早期的熱核武器設計，如Joe-4，蘇聯"Layer Cake" （"Sloika", 俄文: Слойка），使用大量的聚變材料，以誘導貧鈾中的鈾-238原子發生裂變。這武器的彈芯由可裂變物質組成，它被一層氘化鋰-6包圍，而又被一層貧鈾包圍。一些設計（包括layer cake）有幾層交替的氘化鋰-6和貧鈾層。蘇聯layer cake；沒有製造的美國Alarm Clock（鬧鐘）設計；製造了，但沒有進行試驗的英國Green Bamboo設計相似。

當這類核武器爆炸時，高濃縮鈾或高濃縮鈈的彈芯發生裂變，產生中子，有些會逃逸，有些會轟擊鋰-6的原子，產生氚。在彈芯內，裂變材料裂變所產生的溫度下，氚與氘可以在沒有高壓（如太陽內的壓力）的情況下進行熱核融合。氚和氘融合會產生14MeV的中子，這遠比鏈式反應開始時1MeV的中子高。這過程產生高能中子，而不是能量（雖然都有能量釋放，但這不是主要目的，且相較於核裂變，聚變釋放的能量較少），高能中子才是聚變增強的主要目的。這14MeV的中子轟擊鈾-238的原子核，會導致其裂變；在沒有熱核融合產生高能中子的情況下，鏈式反應開始時1MeV的中子轟擊鈾-238原子核，很大可能只是被吸收，而不是裂變。這個裂變反應也會釋放能量和中子，使原本的鋰-6中產生更多氚，依此類推，形成一個持續的循環。鈾-238裂變所釋放的能量在核武器中十分有用，因為貧鈾的遠比高濃縮鈾便宜，加上鈾-238在沒有被高能中子的轟擊或變成鈈-239前並不是可裂變物質，所以不會達到臨界狀態，因此不大可能造成災難性事故。

這類型的熱核武器有20%的能量是來自核融合，其餘的來自核裂變，這限制它們的爆炸當量在100萬噸 （4 PJ）之下。Joe-4的爆炸當量為400千噸 （1.7PJ）。相比之下，一枚「真正」的氫彈，97%的能量是來自核融合，其爆炸當量僅受核彈大小的限制。

氚是一種放射性同位素，其半衰期為12.355年。它的主要衰變產物是氦-3，氦-3是其中一種中子俘獲截面最大的核素。因此，該武器需要定期更換氚和清除氦-3。因為任何在該武器氚源中的氦-3是中子毒物，它會吸收可能與裂變材料的原子核撞擊的中子。[7]

氚的生產相對較貴，因為每一個氚核（氚的原子核）的產生需要至少1顆自由中子轟擊原材料（鋰-6，氘或氦-3）。實際上，中子會在過程中逃逸、損失或未能成功撞擊，每個氚核都需要約2顆自由中子（加上氚會立刻開始衰變，所以氚會在生產設施收集、儲存、運輸到武器的過程期間損失）。自由中子的產生需要專門生產氚的中子增殖反應堆或粒子加速器（帶有散裂標靶，英語: Spallation target）等設施。[8][9]

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