摘要：简而言之，核弹的主要成分可分为两大类：引发链式反应的核装药 (Nuclear Payload)和一系列确保核装药在预定时刻以精确方式发生反应的高度复杂的非核部件。
核武器，这一代表着人类科技巅峰与毁灭潜能的造物，其惊人能量的核心究竟源自何物？
简而言之，核弹的主要成分可分为两大类：引发链式反应的核装药 (Nuclear Payload) 和一系列确保核装药在预定时刻以精确方式发生反应的高度复杂的非核部件。
核弹的“心脏”是其核材料，根据反应原理的不同，分为裂变材料和聚变材料。
中核集团纳米比亚罗辛铀矿（图片来源：C.Brady/原子能机构）
原子弹（或称裂变弹）的威力来自于重原子核（如铀或钚）分裂时释放的巨大能量。要制造一枚有效的原子弹，其核心必须使用“可裂变”的同位素。这些材料的原子核在被一个中子撞击后，会变得不稳定并分裂成两个较小的原子核，同时释放出更多的中子和巨大的能量。这些新产生的中子再去撞击其他可裂变原子核，便形成了雪崩式的“链式反应”，在微秒内释放出毁灭性的能量。
在地球上天然存在的三种铀同位素中，铀-238占99%以上 （图片来源：A.Vargas/原子能机构）
天然铀矿中，绝大部分是无法高效进行链式反应的铀-238，而能够作为核武器燃料的铀-235含量仅占约0.7%。因此，必须通过气体扩散法或更先进的气体离心法等极其复杂且昂贵的技术，将铀-235的浓度提升至90%以上，这个过程被称为“浓缩”。图：在天宁岛炸弹坑中的“小男孩”，准备被装载到艾诺拉·盖号轰炸机的炸弹舱中。
投掷于广岛的“小男孩”原子弹，其核心就是约64公斤的高浓缩铀。钚-239 (239Pu)。钚-239在自然界中几乎不存在。它是在核反应堆中，由铀-238吸收一个中子后，经过一系列衰变而人工制造出来的。相较于铀-235，钚-239的临界质量更小，且每次裂变释放的中子更多，使其成为制造更小、更高效核武器的理想材料。图：胖子核弹的“物理套件”核装置即将被安装入弹壳
投掷于长崎的“胖子”原子弹，其核心便是一个约6.2公斤、垒球大小的球形钚-239。著名的“恶魔核心”（Demon Core）也是一个同样大小的钚球，因在两次独立的临界事故中导致科学家死亡而闻名。氢弹（或称热核武器）的威力远超原子弹，它利用的是轻原子核（如氢的同位素）在极高温度和压力下聚合成更重原子核时释放的、更为巨大的能量。这一过程与太阳内部的能量产生机制相同。
图：１９６７年６月１７日，我国在西部地区上空成功地爆炸氢弹
然而，要引发热核聚变，需要数千万甚至上亿摄氏度的极端高温。目前，人类实现这一条件的唯一手段，就是引爆一颗原子弹。因此，所有氢弹内部都包含一个作为“扳机”或“初级”的原子弹。
氢弹的核心聚变燃料通常是：
图：聚变反应D-T反应
氚 (T 或 3H)：氚是最高效的聚变燃料，但它是一种半衰期仅为12.3年的放射性气体，会随时间推移而衰减，且生产成本极为高昂。因此，它通常以“助爆”的形式少量使用于裂变弹或氢弹的初级中，以提高裂变效率，而非作为主要的聚变燃料。仅有核材料不足以构成一枚核弹。一系列精心设计的非核部件必须完美协作，才能将核材料从亚临界状态瞬间推向超临界状态，并启动链式反应。
枪式 (Gun-type Assembly)：这是一种相对简单的设计，仅适用于铀-235。其原理如同开枪，将一块亚临界质量的铀“子弹”通过常规炸药（如线状无烟火药）的爆炸，高速射向另一块同样处于亚临次的铀“靶标”。两者结合后，整体质量超过临界值，引发链式反应。图：枪式方法（上）和内爆式方法（下）的示意图。
内爆式 (Implosion-type Assembly)：这是一种更先进但结构更复杂的设计，是引爆钚-239的唯一方式，也可用于铀-235。其核心是一个处于亚临界状态的球形核材料（如钚-239）。核球外部包裹着一层精心设计成球形的常规烈性炸药，如B炸药（RDX和TNT的混合物）或更先进的聚合物粘结炸药。这些炸药被塑造成精确的“炸药透镜”(Explosive Lenses)。当数十个雷管被同步精度要求在微秒级的电子引爆系统同时引爆后，炸药透镜会产生一个向心汇聚的、均匀强大的球面冲击波。这个冲击波会以巨大的压力瞬间压缩内部的钚球，使其密度急剧增加，从而达到超临界状态并发生爆炸。长崎的“胖子”原子弹和人类首次核试验“三位一体”中引爆的装置，都采用了内爆式设计。图：胖子核弹“物理套件”的剖面图
在核核心的外部，通常包裹着一层由高密度材料制成的外壳，兼具两种功能：
中子反射：这层材料能够将链式反应中向外逃逸的中子“反射”回核核心，让它们继续参与反应，从而显著降低引爆所需的核材料量（即临界质量），并提高核材料的利用率。惯性约束：由于其巨大的质量和惯性，它能在核爆炸开始的最初几微秒内，延缓核心物质被炸散的时间，使得链式反应能够持续更久，从而释放更多能量。常用的材料包括天然铀（铀-238）、钨或铍。天然铀不仅密度大，还能被裂变产生的高能中子部分引爆，额外增加爆炸威力。为了确保链式反应在核材料达到最佳超临界状态的精确瞬间才开始（过早或过晚都会导致爆炸效率极低的“ fizzle”），需要在核心内部或附近设置一个中子源。它就像是点燃篝火的火柴。早期的中子引信（如用于“胖子”原子弹的“urchin”引信）通常是一个精巧的小球，内部含有两种物质：
钋-210 (210Po)：一种强烈的α粒子放射源。铍-9 (9Be)：一种在被α粒子轰击时会释放中子的金属。这两种物质被薄膜隔开。当内爆冲击波压碎这个小球时，钋和铍混合，瞬间产生大量中子，“点燃”已被压缩至超临界的核材料。现代核武器则使用更先进、可精确控制的外部脉冲中子源。
泰勒-乌拉姆设计方案示意
现代氢弹普遍采用一种被称为“泰勒-乌拉姆”的二级辐射内爆构型。这是一个极为精巧的设计：
初级（扳机）：一枚内爆式裂变弹（原子弹）。次级（聚变包）：包含主要聚变燃料（如氘化锂-6）和一个位于中心的钚或铀棒（被称为“火花塞”）。辐射道与外壳：初级和次级被放置在一个由高密度材料（如铀-238）制成的特殊外壳内。外壳内部填充有泡沫状的塑料。泰勒-乌拉姆构型，泡沫等离子机制引爆顺序
第一步：初级的原子弹爆炸，释放出巨量的X射线。第二步：这些X射线以光速充满整个外壳，其能量被外壳内壁和次级的外层吸收，使其表面瞬间蒸发气化，产生巨大的向内压力。这个过程被称为“辐射内爆”。第三步：辐射内爆的巨大压力将次级中的聚变燃料和中心的“火花塞”压缩至极高密度。第四步：“火花塞”被压缩后达到临界并发生裂变，提供了点燃聚变燃料所需的第二重高温高压。第五步：被彻底压缩和加热的氘化锂燃料开始大规模热核聚变，释放出比初级原子弹大得多的能量。（可选）第六步：聚变产生的大量高能中子会进一步引爆包裹在最外层的铀-238外壳，形成裂变-聚变-裂变的三相弹，进一步提升爆炸总威力。综上所述，核弹并非仅由单一的“核原料”构成。它是一个集核物理、材料科学、化学、精密机械和电子工程于一体的复杂系统。其核心成分是高浓缩铀或钚-239这类裂变材料，以及在氢弹中使用的氘化锂-6等聚变燃料。然而，真正将这些材料转化为武器的是一套由常规烈性炸药、中子反射层、中子引信和精密引爆控制系统等组成的非核部件。正是这些部件的完美协同，才得以释放出原子内部蕴藏的、足以改变世界格局的恐怖力量。
来源：装备帝