泰勒-烏拉姆構型

泰勒-烏拉姆設計方案初級核彈爆炸時產生的中子。級間結構負責精確調節從初級核彈傳向次級核彈的能量。它需要在適當地時間將熱空氣、電子輻射以及中子傳遞到適當的位置。如果級間結構的設計不能達到最優，很可能無法保證次級核彈每次都被成功引爆，這種情況被稱為"裂變失敗"。城堡行動系列核試驗中的Koon核試驗就是一個很好的例子。該實驗的一個很小的瑕疵導致初級核彈產生的中子流過早的加熱次級核彈，從而沒有充分壓縮，導致沒有產生任何聚變。在公開，很少有關於級間結構的詳細資訊。最好的資料一張來自英國熱核武器的簡化示意圖。這張圖與美國 W76核彈頭很像。這張圖出現在綠色和平組織的一份題目為雙重使用核技術的報告中。圖中顯示了主要的部件和排列方式，但是絕大部分細節都省略掉了；而圖中所提供的細節也很可能被省略和不準確的成分。圖中被標記為"中子聚焦透鏡和頂蓋"和"反射器包裝"；前一個用來引導中子流向鈾-235和鈽-239製成的火花塞，而後一部分指的是一個X射線反射鏡。這個反射鏡一般是一個由對X-射線不透明的物質，每一箇中子槍都有一端穿過反射器，這些槍被夾在槍架上，圍繞著封裝大致均勻排列。根據中子槍這個名字，可以認為中子會從每一支槍的末端服射出，射入核彈的中軸。每一支槍射出的中子都會在中子聚焦透鏡的作用下射向初級核彈中心，以增強鈽的裂變。下面還描述了聚苯乙烯極化/等離子源。第一份公開提到了級間結構的美國政府文件是是最近提供給公眾的關於宣傳可靠性替換核彈頭計劃的文件。其中有一張圖片分項描述了可靠性體更換核彈頭的可能優勢，其中一項是級間結構的新設計將會替換原來的易碎的有毒材料以及需要唯一的工廠製造的昂貴的專用材料。易碎的有毒材料很可能是鈹，因為它符合這個描述，而且也可以調節初級核彈的中子流量。當然，也有可能採用一些透過特別方式吸收並重新輻射X-射線的材料 。而專門的材料名為FOGBANK，這其實是一個尚未解密的代號。它的成分目前仍是機密，但是有人認為它可能是一種氣溶膠。生命延長計劃要求這種物質在停產多年以後重新開始生產。Y-12工廠目前是唯一的提供者，這也是唯一的工廠所指。製造過程涉及一種名為氰化甲烷的物質，這種物質有一定毒性，是一種高揮發性的溶劑，對工人有害，僅僅在2006年三月就引起了三次疏散。總結.對以上的解釋簡要總結如下：實際生產的熱核武器的設計可能會發生一些變動。比如，可能不使用聚變增強的初級核彈、使用不同種類的聚變燃料、可能在聚變燃料周圍包裹一層鈹以避免發生進一步的裂變。最後的秘密：如何壓縮次級核彈.泰勒-烏拉姆設計方案的基本思想是每一級都會發生裂變或者聚變，或者二者同時發生，同時釋放出的巨大能量中的大部分都會傳輸到下一級並觸發下一級的爆炸。在公開資料中，能量到底是怎樣從初級核彈中傳遞到次級核彈的仍然有一些爭論，但是，基本上都是認為是透過初級核彈中裂變釋放出的X射線傳遞的。X射線的能量被用於壓縮次級核彈，在公開領域裡，人們爭論的主要是X-射線產生壓力的細節問題。對於如何壓縮次級核彈，曾經提出的有如下五個理論：輻射壓力.在密閉的容器中，大量的X射線光子可能會施加的很強的輻射壓，這個壓力可能可以用來壓縮次級核彈。目前有兩種熱核炸彈的基本大小和主要特徵都是已知的，它們是常春藤麥克試驗裝置與現代的W-80巡航導彈核彈頭。針對這兩種核彈設計，人們可以計算出它們的輻射壓。常春藤麥克的輻射壓是七千三百萬個大氣壓。泡沫等離子壓力.泡沫塑膠製造的等離子體也會產生壓力，這個概念是查克·漢森在進步雜誌案件中所介紹的概念。這個概念是基於對解密檔案的研究，其中列出了一種泡沫塑膠作為熱核武器輻射盒中的襯墊物。引爆這種包含有泡沫塑膠的過程可能是這樣就完成了裂變-聚變-裂變的過程。聚變和裂變不同，相對來說比較乾淨。它能釋放出大量能量，但是不會產生有害的放射性產物或者大量的放射性塵埃。但是熱核武器中仍然需要用到裂變反應，尤其是最後一步中，會釋放出大量地裂變產物和放射性塵埃。如果取消最後一步的裂變反應而使用鉛製成的反射層，爆炸力會幾乎減半，但是產生的放射性塵埃卻非常少。當前對於這種泡沫等離子體壓力的機制仍有一些不同意見。透過對高能物理領域中無密材料的分析，透過等離子體所產生的壓力可能僅僅是輻射核中光子壓力的若干倍。而且目前所有已知的泡沫材料對γ射線和X射線的吸收能力很低，因此大多數能量都會被輻射盒壁和次級核彈周圍的反射層吸收。透過對吸收這些能量產生的效果進行分析，產生了第三種機制：燒蝕。然而，充滿了重金屬鹽的氣溶膠型別的材料對初級核彈產生的X射線的吸收率可能比較高，因此泡沫等離子壓力可能是輻射內爆的次要機制。反射層-推送層的燒蝕.圍繞著次級核彈聚變燃料的反射層/推送層由重金屬製成，這層材料在初級核彈釋放的X射線作用下會被劇烈加熱，結果表層被燒蝕掉，爆炸性的向外射出。由於表層射出速度極快，餘下的反射層被以極高的速度反推向內擠壓，從而對聚變燃料和火花塞進行壓縮。這個原理被認為是對次級核彈壓縮的主要機制。對基本的燒蝕作用進行粗略的計算相對來說比較簡單：初級核彈爆炸產生的能量在輻射盒外部所有的表面均勻的分佈，這部分會達到熱平衡，然後分析熱能量的作用。能量大部分會作用於大約推送層外層約一個X射線波長的深度，這部分的溫度可以被計算出來，隨後可以計算出表面物質膨脹而脫落的速度，最後根據基本的動量守恆可以計算出餘下的反射層的內爆速度。將上面的計算應用於常春藤麥剋核彈可以計算出推送層表面氣體膨脹的速度達到了290千米/秒，如果3/4的推送層被燒蝕，內爆速度可能達到了400千米/秒。對於W-80核彈，氣體膨脹的速度達到了大約410千米每秒，而內爆速度可以達到570千米/秒。根據計算，常春藤麥剋核彈中由於燒蝕金屬引起的壓力達到了53億個大氣壓。內爆機制的比較.下表對已經提出的三種機制進行了相互比較：計算出來的燒蝕作用產生的壓力比等離子壓高出大約一個數量級，而比輻射壓更是高出了兩個數量級。沒有任何人能夠提出阻止能量被輻射盒與次級核彈反射層吸收的機制，很顯然燒蝕是不可避免。由於燒蝕能夠提供足夠的壓力，看起來不需要其它的機制了。美國國防部官方解密的報告指出，泡沫塑膠材料可能被用於輻射盒的襯墊物，除了它們可以導致比較低的直接等離子壓，他們也可能用於延緩燒蝕作用，直至能量均勻分佈，而且足夠的部分能夠到達次級核彈的反射層/推送層。設計變種.目前已經提出一些可能的武器設計的變種下面將會談到兩個專門的變種：常春藤麥剋核試驗中的低溫冷卻的液化氘和卵形初級橢球形次級的W88核彈的公認設計。大多數核彈並沒有明顯地包含有第三級。美國曾被認為製作一種這樣的型號的核彈，威力巨大的兩千五百萬噸當量的B41核彈，而蘇聯也被認為使用多級級數造出了五千萬噸級的沙皇炸彈。目前除了關於蘇聯的"Sloika"設計，沒有任何公開的關於其它實驗成功的非泰勒-烏拉姆設計方案的氫彈的記載。從根本上說，泰勒-烏拉姆設計方案依賴於至少兩次內爆：第一次，次級核彈中傳統的化學爆炸將會壓縮裂變彈芯，使得裂變比化學爆炸強烈許多倍；第二次，初級核彈中產生的輻射被用於壓縮並點燃次級核彈，引起聚變的爆炸，又是第一次核爆的許多倍。這種壓縮的鏈可能會有任意多級，這種設計的威力可能被放大到任意倍，直到末日裝置的水平。但是目前熱核武器的當量不超過數十兆噸，而且一般也認為已經足夠摧毀最大的實際目標了。歷史.美國的開發.1941年，後世稱之為曼哈頓工程的計劃剛剛開始的時候，費米就向他的同事愛德華·泰勒提出可以使用一枚小型裂變彈引爆熱核炸彈，這是泰勒烏拉姆設計方案最原始的想法。泰勒在曼哈頓工程中的絕大部分時間都用在設想如何使這個設計能夠工作，甚至在某種程度上忽略了曼哈頓工程中裂變彈計劃指定給他完成的任務。由於泰勒本人非常難以和人相處，甚至經常為了爭論而爭論，奧本海默不得不將他和其他"問題物理學家"放到更高階的專案中去，以將他們邊緣化，防止阻礙曼哈頓工程。斯坦尼斯拉夫·烏拉姆是泰勒的助手，他最早提出了有關聚變核彈的概念性的飛躍的思想。烏拉姆的兩個創新使得聚變核彈成為可能，第一個創新是熱核燃料需要在加熱之前進行壓縮，以更加靠近聚變所需的條件；第二個創新是分級引爆，就是將熱核炸彈的聚變燃料放在初級裂變核彈之外，並採用某種方法使初級核彈來壓縮次級核彈。泰勒意識到如果將次級核彈包括在環空腔內，初級核彈爆炸產生的γ射線和X射線可以給次級核彈提供足夠的能量，以成功的完成內爆和聚變燃燒。後來，泰勒和他的支持者與他的反對者對烏拉姆在這個機制中的理論中做出的貢獻程度產生了爭議。1951年，溫室行動中的喬治核試驗第一次小規模的驗證了這個基本概念，使得人們幾乎確定這個理論是可行的。1952年11月1日，在埃內韋塔克環礁上進行的常春藤行動中，泰勒-烏拉姆設計方案第一次以全規模進行了測試，實驗當量為1040萬噸，超過第二次世界大戰中投擲於長崎的原子彈威力450倍。這個被稱為"香腸"的裝置採用了一枚特別大的裂變彈作為扳機，使用液態氘作為聚變核燃料。這些液態氘需要使用重達18噸的低溫裝置將它保持在液態。實驗裝置總重量大約70噸，而液態氘使其無法成為可以部署的核武器。後來的更先進的核彈中採用了氘化鋰作為聚變燃料。1954年，城堡行動中Bravo核試驗第一次採用了這種核燃料，引爆的核彈代號為"Shrimp"，當量為1500萬噸，是美國進行的規模最大的一次核試驗。美國後來將發展方向調整為將泰勒-烏拉姆設計方案的核彈小型化，這樣可以更容易的使用洲際導彈和潛射彈道導彈進行發射。到1960年，當W47核彈 可以在潛艇上使用的北極星導彈上列裝時，百萬噸級的核彈頭的直徑只有0.5米，重約320千克。後來在實際測試中，發現北極星核彈頭工作不可靠，因此退役。進一步的小型化核彈頭創新完成與二十世紀七十年代中期，這時可以將十餘枚熱核彈頭放置於多彈頭分導導彈的頂端。蘇聯的開發.蘇聯的第一個聚變核彈設計由安德烈·薩哈羅夫和維塔利·金茨堡在1949年完成，代號為"Sloika"。代號名字俄羅斯的一種層狀蛋糕。這枚核彈並未採用泰勒-烏拉姆設計方案，而是使用了分層的可裂變物質和作為聚變燃料的氘化鋰。這個方案後來稱為薩哈羅夫第一方案。儘管從技術角度來說爆炸過程中已經發生了核聚變，但是這種設計無法像分級核彈那樣繼續增加威力。圍繞著裂變彈芯的聚變燃料層僅僅能將裂變能量放大若干倍，而現代的泰勒-烏拉姆設計可以放大到30倍。另外，聚變階段需要透過傳統炸藥來與裂變核心一起內爆，因此需要非常多的化學炸藥。1953年，採用了Sloika設計的核彈進行了核試驗，試驗代號為 Joe 4，實驗當量達到了四十萬噸，但是僅有15%-20%的能量來自於聚變。設計人員證明"Sloika"設計無法使核彈達到百萬噸當量。後來，美國於1952年的常春藤行動中證明了可以透過某種方案製造出數百萬噸級的核彈，於是蘇聯開始尋找其他的核武器設計方案。薩哈羅夫第二方案是1948年金茨堡的一個提案，在核彈中可以被中子轟擊的位置上使用氘化鋰可以產生自由中子和氚 。1953年，科學家Viktor Davidenko找到了第一個突破點，就是將初級和次級置於核彈中不同位置。下一個突破點於1954年春天，由薩哈羅夫和雅可夫·澤爾多維奇發現，也就是使用初級核彈引爆產生的X-射線來在次級核彈聚變發生前將其壓縮。在蘇聯稱為薩哈羅夫第三方案的這個設計於1955年11月在RDS-37核試驗中進行了測試，當量達到了一百六十萬噸。1961年10月，蘇聯引爆了威力巨大的沙皇炸彈，向全世界展示了分級概念的力量。這枚核彈的威力達到了五千萬噸，97%的能量都來自聚變。這枚核彈是歷史上研製的威力最大的核彈，但是過於巨大，無法作為軍用武器。這枚核彈由一架圖-95轟炸機投擲於新地群島。英國的開發.1954年，英國的原子武器研究院開始研製聚變彈。這個研究院位於阿爾德梅斯頓，由威廉·彭尼負責。英國當時只瞭解非常基本的製造熱核聚變彈的知識，而且當時根據美國的1946年原子能法案，美國不能向英國傳遞任何核知識。 然而，美國允許英國參觀城堡行動的核試驗，並許可英國使用飛機採集蘑菇雲中的樣品，這樣可以清楚的提示他們在次級核彈中使用了輻射內爆法進行壓縮。由於存在著許多困難，1955年，英國首相安東尼·艾登同意簽署一項秘密計劃，如果英國科學家遲遲無法研製成功聚變核彈，研究計劃將改為製造威力極為巨大的裂變彈。1957年，格鬥行動核試驗開始進行。第一次測試，綠色花崗岩是聚變核彈的原型，但是與美國和蘇聯的聚變核彈相比，這枚核彈的當量非常小，只有大約30萬噸。第二次測試橙色使者是一種改進的裂變彈，當量約70萬噸，是歷史上威力最大的裂變彈。當時幾乎所有人，甚至投下核彈的飛行員都認為那是一枚聚變彈。這種核彈於1958年開始服役。第二種聚變核彈原型紫色花崗岩在第三次核試驗中引爆，但是當量只有約15萬噸。第二組核實驗計劃於1957年9月開始。第一次實驗是基於一種新的更簡單的設計，是一個二階段熱核炸彈，但是初級核彈的威力更大。這次核試驗使用的核彈在11月8日引爆，當量約180萬噸。1958年4月28日投下的一枚核彈當量約300萬噸，這是英國威力最大的核試驗。在1958年9月2日和9月11日進行的核試驗中投下的核彈稍小，當量約100萬噸。美國觀察員被邀請參觀這寫核試驗。在它們成功的引爆了百萬噸級的核彈以後，美國認為已經證明了他們已經真正理解了泰勒-烏拉姆設計方案的秘密，因此同意和他們交換一些核彈設計方案，於1958年簽署了美國-英國相互防禦協議。英國得到小一些的Mk28核彈以後，能夠進行復制，因此沒有繼續自行研發新的核彈設計方案。中國的開發.中國在1967年6月17日的第六次核試驗中，在羅布泊引爆了自行研發的熱核武器，為五大國中第四個成功試爆熱核武器的國家。該核試驗命名為1100工程，爆炸當量331萬噸TNT當量。法國的開發.法國為五大國中最後一個試爆熱核炸彈的國家，1968年8月24日在方加陶法環礁引爆了第一顆熱核炸彈，專案代號老人星計劃，其當量約為260萬噸，亦是法國最大當量核試驗。其它國家.以色列.以色列宣稱掌握了泰勒-烏拉姆設計方案的熱核武器，但是並沒有進行過任何核試驗。印度.印度的第一次核試驗發生於1974年5月18日。1998年5月11日，印度在代號為沙克蒂行動的核試驗中引爆了一枚氫彈。核試驗場負責人桑塔南博士稱，熱核爆炸的當量要低於預期，但是其他參與測試的印度科學家不同意他的看法。印度用了自己觀測的資料和並引用了美國地質調查局對全球125個觀測點觀測資料綜合的報告，認為核彈當量應該是6萬噸，與印度聲稱的5.6萬噸的說法一致。然而，幾個西方專家和獨立專家認為核試驗的當量要比它們聲稱的更小，同時認為即使印度真得引爆了一枚5萬噸的核彈，核彈當量也太小，無法說明印度掌握了熱核武器的設計。巴基斯坦.巴基斯坦原子能委員會宣佈，巴基斯坦陸軍工程兵團和卡胡塔研究實驗室於1998年在查蓋和哈蘭地區進行了六次地下核試驗，但是其中沒有熱核武器設計。朝鮮.朝鮮于2017年9月3日在咸鏡北道吉州郡豐溪裡核試驗場所進行的一次核試驗，當量為108.3±48.1kt，朝鮮官方在國營的朝鮮中央電視臺釋出“重大報道”，宣稱試爆了一枚可裝載於洲際彈道導彈彈頭部的氫彈，並取得成功。公開的資訊.泰勒-烏拉姆設計方案在許多年裡都被認為是最高級別的核機密，即使在今天，公開出版物中也沒有討論任何設計的細節。美國能源部的政策始終是他們不承認有任何的洩密行為，因為這樣將會意味著承認被認為是洩露的資訊的準確性。除了核彈頭包裝的圖片以外，大多數公眾的關於該設計方案的資訊都能源部的一些扼要表述和一些個人探索者的工作。能源部的敘述.1972年，美國政府解密了這樣一個事實：“熱核武器使用了一枚裂變核彈作為初級以觸發次級核彈中熱核燃料的熱核反應”，在1979年加入：“在熱核武器中，裂變爆炸產生的輻射可以被儲存並用於傳輸能量來壓縮並點燃包含有熱核燃料的物理隔離的部件”。對後一句話，他們特別宣告，“任何關於這句話的進一步解釋都屬於機密”。唯一的對火花塞的暗示出現於1991年他們所解密的事實：“次級核彈中使用了可裂變物質與可以發生裂變反應的物質，所使用的物質未知，位置未知，用途未知，使用該設計的武器不定”。1998年，能源部解密瞭如下事實：“通道中可能填充了一些物質。通道填充物不予進一步解釋”，這可能是指聚苯乙烯泡沫塑膠或相似的物質。這些表述是否可以用於某些或這所有的武器型別仍有待解釋，而美國政府官方釋放的核武器技術細節被故意寫得模稜兩可。某些其他資訊，如早期核武器使用的核燃料已經被解密，但是精確的技術細節仍未解密。進步雜誌案.當前公眾關於泰勒-烏拉姆設計方案的絕大部分知識都來自於一篇1979年的雜誌文章，美國能源部當時試圖透過預檢手段阻止反戰活動家霍華德·莫蘭發表這篇題為《氫彈的秘密》的文章。1978年，莫蘭認為將氫彈最後隱藏的秘密公之於眾將會使公眾的注意力聚集到軍備競賽上來，同時讓人民有足夠的力量來質詢官方對於核武器與核機密的陳述。大多數莫蘭關於核武器工作原理的想法都來自公開的資源，激發他的靈感的圖片來自於美國百科全書。莫蘭也非正式的採訪了許多以前工作於洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家。莫蘭最終認為，氫彈的秘密是初級核彈與次級核彈在核彈中放於不同的位置，而初級核彈爆炸產生的輻射壓在次級核彈點火前將其壓縮。將要發表在進步雜誌的文章早期的草稿曾被送入美國能源部，落入一個於莫蘭有不同觀點的教授手裡，美國能源部要求禁止發表這篇文章，同時施壓要求一個暫時禁令。能源部認為莫蘭的資訊很可能來自機密檔案，即使資訊並不來自機密檔案，根據1954年原子能法案天生機密條款，資訊本身可以被認為是機密。而且，這個資訊非常危險，可能引發核擴散。莫蘭和他的律師們對所有這些觀點都表示反對，但是禁令依然簽發了，因為審理案件的法官認為簽發一個暫時的禁令更為安全，同時允許莫蘭等人進行上訴，這個案件被稱為美國訴進步雜誌案。由於很多被能源部宣告為機密資訊的內容已經在數年前的學生用百科全書上出版，所以儘管莫蘭等人仍面臨著各種困境，能源部方面的力量日漸衰微。這時，另外一位反對氫彈的人查克·漢森將他對氫彈秘密的揣測觀點在威斯康辛的一份報紙上出版，這個觀點與莫蘭明顯不同。能源部最終允許雜誌刊登這篇文章，這篇文章於1979年11月出版。莫蘭當時已經改變了他對炸彈工作原理的看法。他認為，使用泡沫介質生成等離子體而產生的壓力要比輻射壓更大，可以更好的壓縮次級核彈，而且次級核彈中應當有裂變物質製成的火花塞。他將這些改變一個月後作為勘誤出版於進步雜誌。由於能源部試圖審查莫蘭的文章，而不是像平常一樣不置可否，一律不官方承認機密資訊是否洩露，人們認為莫蘭的觀點至少是部分正確的。然而，它仍然缺少足夠的資訊，甚至包含有錯誤的資訊，因而無法使人完全接受。尤其是目前已經有一些國家已經始研製泰勒-烏拉姆設計方案的核彈，但莫蘭的文章所表述的資訊仍然不足以成功製造熱核武器。不過莫蘭1979年發表的想法是當前所有對泰勒-烏拉姆設計的核彈進行猜測的基礎。變種.有一些資訊為泰勒烏拉姆設計方案有一些不同的變種，這些資訊稱他們有來自機密部門的資訊。這些是否僅僅是不同版本的泰勒-烏拉姆設計方案，抑或認為他們和以上對這個方案的描述是矛盾的，仍然是有待進一步確認的問題。《暗日》中描寫的常春藤麥克裝置.作家查德·羅茲在他1995年出版的《暗日：氫彈問世記》一書中詳細描述了常春藤麥剋核試驗中使用的核彈，資訊來自對裝配這枚核彈的科學家和工程師的大量訪問。根據羅茲的描述，儘管這枚核彈中使用了聚苯乙烯，他並不是用於產生等離子的從初級核彈產生的輻射已經足夠產生壓縮次級核彈的強大力量了。但是這一點是僅僅適用於這一枚核彈，還是適用於泰勒-烏拉姆設計方案，仍然是未知的。而他的描述也帶來了對泡沫塑膠作用和輻射能量傳輸的準確機制的懷疑。W88核彈洩露資料.1999年，一名來自《聖何塞水星報》的記者報道了美國的W88核彈，這枚核彈可以用於分導式多彈頭洲際導彈三叉戟-II型潛射彈道導彈。它的初級核彈外形是一種橢球形。四個月後，紐約時報發表了一篇文章稱，1995年，一個來自中國的雙面間諜提供訊息說中國已經知道W88核彈的這些細節，據猜測資訊間諜活動。對間諜活動的調查最終導致了李文和的錯案。如果這些故事都是真實的，那麼就可以解釋W88核彈大當量的原因了。W88核彈的當量達到了47.5萬噸，而W87核彈只有30萬噸。運載這兩種核彈頭的彈道導彈再入錐大小是一樣的，長1.75米，最大直徑55釐米。W88核彈的威力更大意味著作為當量主要次級核彈更大。將比初級核彈更重的次級核彈放在錐形較寬的一邊可以允許把它做得大一些，但是它也使得飛行器的重心移動，可能引起了再入大氣層時的空氣動力學穩定性問題。因此，彈道導彈必須在尖端增加配重，使其中心前移。這樣，和W87核彈相比，W88核彈有更重的次級核彈和更大的彈道導彈配重。為了使初級核彈能夠放進再入錐的尖端，需要將它做得足夠小。因此，需要將引爆它的不敏感高爆炸藥替換為體積更小的敏感高爆炸藥。這種炸藥處理起來更危險。W88核彈是美國生產的最新的核彈頭，它的大當量的代價就是重量和工作區的危險性。