盡管有關(guān)核武器的一些基礎(chǔ)技術(shù)和原理早已不是什么秘密，但是真正能制造出可以被用作軍事用途的核武器依然是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。核試驗(yàn)是其中的一個(gè)必需環(huán)節(jié)，只有通過(guò)核試驗(yàn)才能確認(rèn)核武器的設(shè)計(jì)和制造是否獲得成功。

裂變型核武器

核裂變是中子與原子核碰撞，原子分裂成兩個(gè)較小的原子并釋放出大量能量的過(guò)程。裂變時(shí)不但釋放出巨大的能量，而且同時(shí)還發(fā)射出幾個(gè)中子。既然中子能引起裂變，裂變又產(chǎn)生更多的中子，因此可以通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在宏觀尺度上使大量原子核釋放出能量。只要可以控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的規(guī)模和速率，就可以利用核裂變進(jìn)行發(fā)電或者制造大規(guī)模殺傷性武器。

在二戰(zhàn)中，美國(guó)在廣島引爆的原子彈使用了高濃縮鈾 （HEU） 作為裂變材料，這種高濃縮鈾是鈾的同位素U-235。鈾可以從礦石中提取，然而只有1%的礦石中才含有同位素U-235，99.3%的礦石中含有的是質(zhì)量更重的同位素U-238，而U-238不能用于維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。高濃縮被定義為濃度至少為20%的濃縮U-235；然而20%的濃縮濃度，需要從至少400公斤的原材料中提取，才能實(shí)際應(yīng)用到武器的制造中?！拔淦骷?jí)”鈾 （也用于潛艇和破冰船推進(jìn)） 定義為至少濃度為90%的濃縮鈾 U-235。低濃度的鈾被用作核電站中的燃料，通常燃料中僅包含3%到5%不等的U-235。同樣的技術(shù)，不僅可以制造出以和平用途為目的的低濃度鈾，還可以制造出以武器為最終產(chǎn)物的高濃度鈾。

核裂變武器制造過(guò)程十分簡(jiǎn)單，使用常規(guī)烈性炸藥將大量的U-235“射向”另一邊的U-235，如此就能在沖擊中產(chǎn)生大量的中子，保證了裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的正常進(jìn)行。核裂變核爆是最低效的一種核爆方式，比如在廣島核爆中只有約 1.4%的高濃縮鈾發(fā)生了裂變。同時(shí)，需要大量的裂變材料才能保證核鏈反應(yīng)的正常進(jìn)行，因此核裂變型核武器必然會(huì)比其他的核武器笨重。各國(guó)也因此尋求更為高端的戰(zhàn)略核武器，這種簡(jiǎn)單的裂變型核武器可能對(duì)恐怖分子更具有吸引力。由于這種核武器過(guò)于龐大，因此無(wú)法被放入到彈道導(dǎo)彈中，但是它可以使用飛機(jī)進(jìn)行投擲，也可以通過(guò)卡車和集裝箱運(yùn)輸。

世界上第一次核爆就是一個(gè)由可以將钚作為裂變材料的內(nèi)爆裝置引發(fā)的。設(shè)計(jì)出該裝置的曼哈頓科學(xué)家將其命名為“小家伙”，這個(gè)裝置于1945年7月16日，在美國(guó)新墨西哥州阿爾馬戈?duì)柖啾怀晒σ?，這次引爆被稱為三位一體核試驗(yàn)。

與鈾不同的是，钚并不存在于自然界中，必須經(jīng)由核反應(yīng)堆才可生成。钚是所有動(dòng)力反應(yīng)堆的副產(chǎn)品，要想將其作為裂變材料投入使用，必須將其從其他高放射性廢物中化學(xué)分離出來(lái)。這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)巨大，且頗具風(fēng)險(xiǎn)，要求有專業(yè)的設(shè)施以及設(shè)備。對(duì)于一般國(guó)家和恐怖組織來(lái)說(shuō)，要想掌握這樣復(fù)雜的技術(shù)，難度很高，因此他們通常會(huì)選擇盜取成品钚。同高濃縮鈾相比，钚只需較少的用量就可以維持自身的核裂變反應(yīng)。但基于钚物理性質(zhì)的制約，要想快速地將兩個(gè)單獨(dú)物質(zhì)通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)設(shè)備生成臨界物質(zhì)并不容易。

核爆中會(huì)使用钚最先引發(fā)內(nèi)爆，這個(gè)過(guò)程依賴復(fù)雜的高精度爆炸透鏡精密控制，需要同時(shí)從各個(gè)方向向钚反應(yīng)堆噴火。為了試驗(yàn)內(nèi)爆裝置，反應(yīng)堆必須壓縮均勻并且需要足夠快地完成試驗(yàn)，以避免過(guò)早的核爆，導(dǎo)致最終失敗。在試驗(yàn)過(guò)程中，不到大部分裂變材料都已被消耗殆盡之時(shí)，測(cè)試條件是不適合維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的。這是一個(gè)遠(yuǎn)比構(gòu)建鏈?zhǔn)椒磻?yīng)設(shè)備更具挑戰(zhàn)性的工程，但核控制研究所的專家警告說(shuō)，只要有機(jī)會(huì)獲得钚，一小群經(jīng)過(guò)相關(guān)培訓(xùn)和具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的一般科學(xué)家，仍有能力完成該項(xiàng)目的試驗(yàn)環(huán)節(jié)。

在核試驗(yàn)中，钚在內(nèi)爆中被瞬間壓縮成高密度，達(dá)到臨界質(zhì)量。然而僅僅壓縮到臨界質(zhì)量不能夠保證核鏈反應(yīng)的進(jìn)行，要想實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的進(jìn)行，在壓縮過(guò)程中，還需要高能中子。獲取中子僅僅依賴自然界中钚的衰變并不可靠，只有通過(guò)中子啟動(dòng)器獲取中子，才更有把握。

內(nèi)爆設(shè)計(jì)同樣可以應(yīng)用到高濃縮鈾的生產(chǎn)中，這樣一個(gè)小裝置可以實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)同樣的效果。1964年中國(guó)進(jìn)行了第一次核試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)試驗(yàn)中所使用的，是一個(gè)名為“596”的2.2萬(wàn)噸高濃縮鈾內(nèi)爆裝置。在第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，聯(lián)合國(guó)核查人員發(fā)現(xiàn)，伊拉克也曾試圖利用高濃縮鈾生產(chǎn)爆縮型核武器。

聚變核武器

核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。核聚變不會(huì)產(chǎn)生核裂變所造成的長(zhǎng)期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，聚變反應(yīng)當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境。裂變時(shí)靠原子核分裂而釋出能量，聚變時(shí)則由較輕的原子核聚合成較重的原子核而釋出能量。最常見的是由氫的同位素氘（重氫）和氚（超重氫）聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。每公斤原材料聚變反應(yīng)中釋放的能量，也要比裂變反應(yīng)中釋放的能量多。

裂變爆炸中應(yīng)用聚變可以提升武器的威力，大量的聚變?nèi)剂峡梢员粏为?dú)地引爆（氫彈的原理）。氘和氚的聚變是由裂變過(guò)程中所產(chǎn)生的極高溫和強(qiáng)輻射引發(fā)的。

在裂變武器發(fā)生聚變時(shí)，高能中子很有可能與裂變?cè)优鲎病＿@些高能量碰撞要比簡(jiǎn)單的裂變釋放出更多的中子，加速了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。這使得在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)之前，就已有很多原料發(fā)生了裂變。

利用重氫或超重氫等輕原子核的熱核反應(yīng)原理制成的聚變武器或稱熱核武器，通常稱為氫彈、三相彈、氫鈾彈、三級(jí)效應(yīng)超級(jí)炸彈。還有一種新型核彈，即中子彈（neutron bomb）。中子彈實(shí)際上是一種小型氫彈，只不過(guò)這種小型氫彈中裂變的成分非常小，而聚變的成分非常大，因而沖擊波和核輻射的效應(yīng)很弱，但中子流極強(qiáng)。

聚變核武器其實(shí)是一種內(nèi)爆裝置，在它的裂變反應(yīng)坑中心，將氘和氚氣體注入空心槽內(nèi)。裂變產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致聚變，并且聚變過(guò)程中產(chǎn)生的高能中子，會(huì)反過(guò)來(lái)加速裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。自從1945年以來(lái)，核聚變武器武器已經(jīng)將裂變核武器的效率提升了上千倍。

美國(guó)于1952年，在馬紹爾群島的環(huán)礁島上，進(jìn)行了第一次聚變核武器（氫彈）試驗(yàn)，名為“Ivy Mike”。作為回應(yīng)，蘇聯(lián)于1955年，在塞米巴拉金斯克試驗(yàn)基地投放了名為“Joe 19”的氫彈。英、法兩國(guó)分別于1957年和1968年，在圣誕島和方加陶法環(huán)礁測(cè)試了威力更大的氫彈。中國(guó)于1967年在位于新疆的羅布泊試驗(yàn)基地試驗(yàn)了第一顆氫彈，僅比試驗(yàn)裂變核武器（原子彈）晚了不到3年。