テラー・ウラム型
この核融合反応は核出力にほとんど寄与しないが、効率的に中性子を発生させる。この中性子が核分裂反応のブースターとして作用し、発生した中性子はプライマリー内のウラン235やプルトニウム239にさらなる核分裂を起こさせる。このブースティングにより、核分裂燃料の反応する割合を向上させることができる(この増強手法を使わなかったため、リトルボーイでは1.4%、ファットマンでは14%が実際に反応を起こした部分であると言われている)。
プライマリーで発生したエネルギーは、セカンダリーの核融合燃料部分に転送される。しかしながら、転送の正確な仕組みは不明である(この仕組みに関する推測は下記を参照のこと)。転送されたエネルギーは、核融合燃料およびスパーク・プラグを外側から圧縮する(圧縮されたスパーク・プラグは臨界に達し、核分裂連鎖反応を起こす。この反応で出る熱は、圧縮された核融合燃料をさらに加熱し、核融合反応が起こるに十分な温度にまで燃料の温度を上昇させる。さらにスパーク・プラグの核分裂反応は中性子を発生し、これが核融合燃料中のリチウムから核融合を起こす三重水素を生成させる)。一般的には、一定の容積内にある気体分子の運動エネルギーが上昇すると、気体の温度と圧力が上昇する(これは一般的な気体の振る舞いである)。
セカンダリーの核融合燃料は、通常は劣化ウランや天然ウランのタンパー/プッシャーに囲まれており、この部分のウラン238は通常の核分裂爆弾で発生する中性子では核分裂を起こさないが、核融合燃料が反応を起こした際に発生する高速中性子では核分裂を起こし、場合によっては核融合によるエネルギー以上のエネルギーを発生させる。
実際の熱核兵器のデザインは多様である。
1995年に出版された本「原爆から水爆へ — 東西冷戦の知られざる内幕」で、作家のリチャード・ローズはアイビー・マイクの“ソーセージ”装置内部の構成詳細を述べており、これは計画に関わった多くの科学者と技術者に行ったインタビューから得た情報を基にしていた。ローズによれば、“マイク”装置の中にはポリスチレンが使用されていたが、これはプラズマの発生源としてではなかった(プライマリーからの放射線は、セカンダリーを圧縮するのに十分であったためとされている)。これは“マイク”装置に限って適用されたものなのか、あるいはテラー・ウラム型に共通なものなのかは不明であり、発泡剤の役割と正確な放射線の伝達機構に関して潜在的な疑問を投げ掛けるものである。
テラー・ウラム型(テラー・ウラムがた、英: Teller–Ulam design : H-bombまたは、MOS型 - 英: MOS-typeとも)は、多段階式メガトン級熱核兵器に使われる構造であり、より一般的には水爆の構造のことを表す。この名称は1951年に構造を考案した2人、ハンガリー生まれの物理学者エドワード・テラーと、ポーランド生まれの数学者スタニスワフ・ウラムから付けられた。このアイディアは、核融合燃料のそばに起爆剤として原子爆弾を置くことで考え出され、核分裂反応を用いて、核融合燃料を圧縮・加熱する方法として知られている。ここで述べる内容は、異なった情報源からの追加情報と差分により推定されたものである。
本理論に基づく最初の核実験は、1952年にアメリカ合衆国により"アイビー作戦"として実施された。本理論は、ソビエト連邦ではサハロフの第3のアイディアとして知られている。また同様の兵器は、イギリス、中華人民共和国、およびフランスでも開発されている。この中でも一番強力な熱核爆弾は、ソビエトが行った核出力50メガトンの核実験で使われたツァーリ・ボンバである。
1952年11月1日には、テラー・ウラム型の本格版としてアイビー作戦のマイク実験がエニウェトク環礁で行われ、核出力10.4メガトン(第2次世界大戦時に長崎に投下されたファットマン型原爆の450倍以上の威力)を記録した。この実験装置はソーセージと呼ばれ、起爆用に巨大な核分裂爆弾が使用され、液化重水素18トンを冷却しながら液体状態に保つ必要があったため、装置の総重量は70トンに及んだ。
マイク実験で使用した液化重水素燃料は、配備可能な兵器としては非実用的で、次の段階では固体の重水素リチウム核融合燃料が代わりに使用された。1954年3月1日、この方式はキャッスル作戦のブラボー実験として実施され、核出力15メガトンを記録した(実験装置はエビと呼ばれた)。なおこの実験は、米国が実施した核実験の中で最大規模のものである。
米国はすぐにテラー・ウラム型兵器の小型化に着手し、ICBMやSLBMに搭載可能な形状にさせた。1960年には、メガトン級の核弾頭が0.5mの大きさと、320kgの重量に抑えられ、W47型核弾頭 としてポラリスミサイルに搭載され潜水艦に配備された。しかし後になって、ポラリスミサイルには信頼性に問題があることがテストによって発見され、設計変更が必要になった。核弾頭の小型化は、1970年代中盤にはほぼ完成され、テラー・ウラム型は10発もしくはそれ以上の核弾頭を搭載したMIRVミサイルとして発展した(詳細はW88型核弾頭を参照のこと)。
1991年にサンノゼ・マーキュリー新聞の記者は、トライデントII型SLBMに搭載されるMIRVの小型核弾頭W88についてレポートし、W88は回転楕円体(卵形、またはスイカ形)のプライマリー(暗号名は“コモド”)と、球体のセカンダリー(暗号名は“カーサ”)を内部に持ち、特別な(ピーナッツに似た)形状の放射性物質の容器に入っていると報告した。この報告から4ヶ月後に、ニューヨーク・タイムズのウィリアム・ブロードは1995年に起きた中国からの二重スパイに関するレポートを行い、スパイがもたらした情報によって中国はW88核弾頭の詳細を知った可能性があると伝えた(この調査は結局、中国人スパイのウェン・フー・リー(李文和)の裁判で敗訴をもたらした)。もしこの内容が事実であれば、テラー・ウラム型のバリエーションとしてMIRV化核弾頭の小型化が可能であることを示している。
回転楕円体のプライマリーが実際に存在することの価値は、プライマリーの直径で決まっていたMIRV化核弾頭の大きさを、(球形楕円体のプライマリーが正しく動作するなら)今までの高核出力の弾頭よりかなり小型化できることを示している。W88核弾頭は、最大径55cm、高さ175cmの大きさで、質量はおよそ360kg以下でありながら、核出力は最大475キロトンまで上げることが可能である。 小型の核弾頭は1基のミサイル内に多数を搭載することが可能であり、同様にミサイルの速度と射程を向上させることができる。
非球形のプライマリーに対する計算量は、球形のものに比べてより大量で難しいものとなり、例えば中国の様な既存の核戦力に対して興味深いものとなっている(核出力が可変であることの情報になるため、彼らはもはや核実験を実施していない)。
ソビエト初の核融合兵器は、1949年にアンドレイ・サハロフとヴィタリー・ギンツブルクによって開発された。これは当時“スロイカ”(後年には“ロシアの重ねケーキ”)と呼ばれた、テラー・ウラム型ではない構造をしていた。この設計は、核分裂物質と(重水素に三重水素を混入した)水素化リチウム核融合燃料を互いに重ね合わせたものであった(この構造は“サハロフの第1のアイディア”と呼ばれた)。しかし核融合反応は厳密には達成されたが、これには多段階式兵器の持つ規模を拡大する機能は無かった。核融合層は核分裂性の核を包み込んでおり、核分裂のエネルギーを多少増加させる働きをしていた(現在のテラー・ウラム型では、エネルギーを30倍にまで増やすことが可能である)。加えて全ての核融合層は、爆縮機能により核分裂性の核と共に圧縮させる必要があり、爆縮用の通常爆薬も多量に用意しなければならなかった。
最初の“スロイカ”構造の爆発テストは1953年に行われたRDS-6であり、核出力400キロトンを記録した(このうちの15%〜20%が核融合によるものであった)。しかしスロイカ構造を用いて“メガトン級”の核出力を得ることは困難であった。1952年に米国が実施した“アイビー作戦マイク実験”により、数メガトン級の爆弾が作れることが証明されたため、ソビエトはさらなる構造の追求を行った。
上記3種の圧力法をアイビー作戦マイク実験、およびW80に適用すると、以下の様になる。
放射圧力法 マイク実験:7,300万バール(7.3テラパスカル) W80核弾頭: 14億バール(140テラパスカル)
プラズマ圧力法 マイク実験:3億5千万バール(35テラパスカル) W80核弾頭:75億バール(750テラパスカル)
蒸発圧力法 マイク実験:53億バール(530テラパスカル) W80核弾頭:640億バール(6.4ペタパスカル)
蒸発圧力法による計算結果は、プラズマ圧力法より1桁以上大きく、また放射圧力法より2桁近く大きな値である。放射性の容器やタンパーがエネルギーを吸収することを防ぐ方法が無ということは、これらの蒸発は明らかに避けられないということを示している。蒸発圧力法以外の方法は、必要ない様に見える。
アメリカ国防総省の機密解除された正式文書では、発泡プラスチック剤は恐らく放射性容器の内部に使用されていると述べている。プラズマ圧力の効果が低いにもかかわらずこれが使用されているのは、エネルギーが全体に均等に行き渡るまで重金属の蒸発を遅らせ、十分な量の拡散物質がタンパー・プッシャーまで届く時間を確保するためとされている。