枪式核分裂武器

枪式核分裂武器示意图
枪式核分裂武器是核裂变武器的一种，设计方案是通过「枪」的形式让可裂变物质达到超临界质量，利用常规炸药将一块次临界物质射向另一块可裂变物质从而使裂变物质达到临界质量。虽然这有时被设想为二个次临界半球形成一个超临界球，触发核裂变，但它通常是一个中空的「子弹」射向另一个实芯的可裂变物质。枪式这名字对应其像「枪」一样发射可裂变物质。
因为这方案相对上较慢，钚并不能用于此方案，除非它是非常纯的钚-239。生产无杂质的钚是十分困难且不实用。枪式核分裂武器需要大量的铀，所有它的整体效率相对上是较低的。主要原因是铀金属并没有如内爆式设计一样受到压缩(密度上升)。相反，枪式设计通过安装大量的铀来达到超临界质量，这使子中子必须经过的总距离的平均自由径较长，大多数中子在超临界质量消失前有更高的可能与铀原子核碰撞。
枪型方案在四个已知的计划上被采用。第一，是在日本广岛上空爆炸的小男孩原子弹和相同设计的40枚Mark 8与其替代品40枚Mark 11。Mark 8和Mark 11的设计都旨在用作透地炸弹(英语:Earth-penetrating bombs)(参见:掩体核炸弹 英语:Nuclear bunker buster)，枪式方案曾一度受到设计师的青睐，因为他们不太肯定早期的内爆式武器会在撞击后是否会成功引爆。第二个项目是11英寸(280mm)糸列核火砲(英语:Nuclear artillery)砲弹W9 (核砲弹)和其衍生型号W19，加上供美国海军战舰用的W19 16英寸(406mm)重新封装版本W23。第三个是8英寸(203mm)糸列砲弹W33。后来，是南非研发的基于枪式方案的6枚核弹和正在研究的基于相同基本设计的导弹弹头(参见:南非和大规模杀伤性武器)。
目前并没有已知的枪式核分裂武器服役，先进的核武器国家倾向采用内爆式武器、强化裂变武器(英语:Boosted fission weapons)和热核武器。新的核武器国家往往只发展强化裂变武器和热核武器。已知所有在以前制造的枪式核武器都已拆除。

**小男孩原子弹**
小男孩的内部结构。红色的是铀-235。
枪式大致就是在广岛上方爆炸的小男孩的工作原理，使用铀-235为裂变材料。在小男孩的设计中，铀-235「子弹」重约86磅(39kg)，长7英寸(17.8cm)，直径为6.25英寸(15.9cm)。它由中空圆筒形的次临界物质制成。「子弹」由线状无烟火药提供能量。铀目标重约57.3磅(26kg)。「子弹」和目标都是由多个裂变材料环堆叠组成。
使用环形裂变材料有两个好处，它让更大的子弹可更好地保持在次临界(中空柱形有助于防止材料与其他裂变材料接触过多)，它也能在次临界组件测试中使用相同的子弹，但只使用一个环来测试。
枪管内径为6.5英寸(16.5cm)。长70.8英寸(1.8m)，可让子弹在接触目标之前加速至约1000 ft/s (300 m/s)。
当子弹距离目标9.8英寸(25cm)时，两者的结合变得至关重要。这意味着一些自由中子可能会导致在两者完全结合前发生链式反应。(参见:链式反应)
通常，连锁反应需要不到1μs，这时间内子弹只移动0.3mm。虽然它在超临界较低时链式反应较缓慢，但它仍在如此短的时间内发生，以至于子弹在那段时间内几乎没有移动。
这可能会导致提前爆炸(英语:Fizzle)，这是一种预爆，在产生更大的爆炸前将裂变材料炸开。因此，与此时的撞击时间相比，重要的是保持自由中子的产生频率较低。这也表示子弹的速度必须足够高，其速度可以提升，但这需要更大和更重的枪管，或推进气体有更高的压力让次临界物质子弹加速。
在小男孩的例子中，铀中20%的铀-238每秒进行70次自发裂变。当可裂变物质处于超临界状态时，会有很高的概率爆炸，每次裂变平均产生2.52颗中子，每个中子产生另一个裂变的概率超过1:2.52。在两者完全结合之前的1.35ms超临界期间，裂变的概率有10%，发生提前引爆的机率较少。
「瘦子」钚枪式原子弹
小男孩原子弹在广岛爆炸后的废墟景象
最初，曼哈顿计划聚焦在使用钚作为裂变材料的枪式核分裂武器上，如瘦子。人们认为，如果可以制造钚枪式原子弹，那么相比之下，铀枪式原子弹将很容易制造。然而，它在1944年4月被发现钚增殖反应堆内的增殖钚(钚-239)被其他钚的同位素(钚-240)污染，它会增加裂变材料的自发裂变和中子释放率，必定会发生预爆。所以，枪式原子弹只能使用高浓缩铀作为裂变材料。
在发现瘦子计划不会成功后，洛斯阿拉莫斯国家实验室将焦点落于制造内爆式钚原子弹︰胖子原子弹。枪式原子弹的研发完全转移至制作铀原子弹上。
小男孩原子弹的目标(「子弹」射向的裂变材料)次临界物质被封闭在由碳化钨(WC)制成的中子反射器中。中子反射器减少在链式反应期间逃逸的中子，因此能减少所需的铀的量。一种更有效的中子反射器所用材料是铍，但这直到战后，物理学家Ted Taylor开发了一种被称为「蝎子」(英语:Scorpion)的内爆设计时才为人所知。
设计「小男孩」的科学家对于他们的设计十分有信心，以至于它并没有进行核试验便投入实战(一些科学家如路易斯·斯洛廷等对次临界物质的进行了非破坏性的试验，发生临界事故，并于九天后逝世)。因为那裹的铀-235仅足够制造一颗原子弹，并没有足够的铀-235多制造一颗原子弹进行试验。尽管它并没有进行试验，但人们认为它发生故障，并被敌人取得的风险近乎零。因为提前爆炸会完全破坏原子弹，而「小男孩」设计中的多个冗余使该原子弹在没有引爆的情况下，撞落地面的可能性微乎其微。
为了使链式反应在正确的时刻能更快地启动，使用了中子起爆器(英雄:Neutron initiator)。中子起爆器对于有效的枪式原子弹设计并不是必须的，只要使用「目标捕获」(英语:Target capture)的设计(实际上，这设计是为了确保两个次临界物质，不会在爆炸前便分开)便可以。考虑到其中的铀每秒进行70次自发裂变，这只会导致70分之几秒的延迟，这对于整个过程并无关紧要。起爆器亦只是在设计后期才添加到小男孩中。

**核扩散兴恐怖主义**
关于核扩散和核恐怖主义的风险，一个相对简单的原子弹设计为人们所担心，因为它的制造并不需要像其他设计一样需要高深的工程或生产技术。只要有足够的高浓缩铀，任何技术不相对较成熟的国家或组织都可以制造效率低下(只是相比于其他核武器，但它的威力依然十分强大)的枪式原子弹。

**枪式与内爆式的比较**
枪式设计(上方)和内爆式设计(下方)
现时，技术先进的国家的枪式原子弹基本上都因它的效率和安全性而被淘汰。当内爆式技术成熟时，枪式设计便被美国抛弃，但是它仍被保留在核火砲的特殊作用上一段时间。其他拥有核武器的国家，如英国和苏联都没有制造枪式原子弹的试验品。除了枪式设计需要使用高浓缩的铀-235外，该技术还有其他严重的局限性。内爆式比起枪式有更多合适的方法以减低其重量，与增加裂变材料进行裂变的比例。南非制造了约5个枪式原子弹，并没有内爆式。其后她完全放弃了这核武器计划。
枪式设计自身也有安全上的问题，例如，一个载有一定数量和特定形状的裂变材料的武器本质上是危险的，这些裂变材料可以通过相对简单的事故达到临界质量。再者，如果它从飞机掉入海中，海水的中子慢化效应也会导致武器在没有物理损伤的情况下达到临界质量。这在内爆式上不会发生，因为在没有正确引爆炸药的情况下，通常没有足够的裂变材料来达到临界质量。

**核火砲**
结果-节孔行动，1953年在内华达试验场进行的枪式核砲弹试验，图片右下方为280mm火砲
枪式设计亦应用在美国的核火砲之中，因为枪式原子弹较简单的设计可以更容易地设计，以承受火砲施加的高加速度和G力，此外，枪式原子弹直径较少的设计相对容易安装到现役砲弹上。
1953年5月25日，美国枪式核砲弹，W9，于内华达试验场进行试验。这是结果-节孔行动(英语：Operation Upshot-Knothole)的一部分，代号为Shot GRABLE，280mm的砲弹被发射至10,000米远，并于离地160米爆炸，估计爆炸当量为15千吨。虽然W9的重量只是小男孩十分之一(W9 : 365 kg 小男孩:4000 kg )，但其爆炸当量大约和小男孩相同。W9长1,384mm。
这次是唯一在美国的核试验计划中实际发射的核砲弹(由火砲发射)。它由特制火砲M65原子炮发射。在1952-1953年期间生产了80枚砲弹，于1957年退役。
W19也是280mm枪式核砲弹，是W9的加长版。也是生产了80枚砲弹，于1963年退役。
W33更细小，8英吋(203mm)枪式核砲弹，它在1957年开始生产，服役至1992年。其中两枚被试射（引爆，不是从火砲发射），一个悬挂在露天的气球下引爆，一个在地下434米引爆。
其后的型号采用内爆式设计。

**美国枪式核武器列表**

**原子弹**
(武器名称 服役年份)
*小男孩，1945年-1951年
*马克2号，已取消
*马克8号 (掩体核炸弹)，1952年-1957年
*马克10号，已取消
*马克11号 (掩体核炸弹)，1956年-1960年

**核火砲**
W9，1952年-1957年
*W19，1955年-1963年
*W23，1956年-1962年
*W33，1957年-1992年

**其他**
T4-核子爆破武器，1957年-1963年
*RGM-6巡航导弹用的W8，已取消

**参见**
核武器