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核子武器設計方案是指如何設計核子武器，使之能夠起爆引起核爆炸。設計核子武器需要考慮物理上、化學上以及工程上的各種因素。核子武器基本上可以分為三種類型，而這三種類型核子武器爆炸時的主要能量來源在一般情況下都是核分裂，而不是核融合。
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內爆式的核彈可以使用鈾或者鈽作為核裝藥，而槍式核彈只使用鈾。這是由於鈽-240會污染核裝藥，並造成提前起爆，使得其餘大量尚未進行分裂的材料被炸開，從而降低了核彈的效率。
大多數核子武器技術都是由美國發展完成，儘管其中的一些技術後來由其他核大國獨立完成。以下的描述都是美國設計的特徵。
早期的媒體一般都將純分裂核彈稱為原子彈，由於核爆炸的能量實際上來自於原子核而非原子，原子彈這個名字並不恰當。而帶有融合的核彈一般都稱為氫彈，但是由於所謂氫彈核爆炸能量的主要來源仍然是核分裂，這個名字依然不夠恰當。業內人士一般將這兩種類型的核子武器稱為核彈和熱核子武器。熱核子武器的名字來源於核融合一般都需要高溫，但是它沒有指出核融合的另一個條件——高壓，而這個條件是研製熱核子武器時的一個秘密。由於需要保密，很多核子武器的術語都不甚精確。
核分裂將重原子核分裂為輕一些的原子核，而核融合則是將輕的原子核聚在一起形成更重的原子核。這兩種反應都可能釋放出超出化學反應數百萬倍的能量。根據一份法國專利提供的數據，核子武器的威力比非核子武器強大數百萬倍[2]。
從某種意義上說，分裂和融合是相反的又互補的兩種反應。為了理解核子武器是如何設計的，我們首先要明白分裂和融合的相似之處和不同之處。下面的解釋使用了近似的數字[3]
鈾-235的分裂方式可能有幾十種，但是不論是哪種分裂方式，分裂產物的原子量加起來都是236，即鈾原子核和自由中子的重子數之和（重子數守恆），例如，如下的核反應方程表示鈾-235的原子核分裂為鍶-95原子核，氙-139原子核 (139Xe), 和兩個中子，同時釋放出能量 :[4]
反應中釋放了180百萬電子伏特的能量，也就是 74 TJ/kg，其中90%的能量為分裂後的原子核的動能。由於生成的兩個原子核帶有正電荷，兩個原子核將被強力推開，初始的動能可以達到67TJ/kg，也就是12000千米每秒。由於分裂碎塊帶有正電荷，他們會與周圍的原子核產生了大量的非彈性碰撞，於是這些碎塊仍然留在了核裝藥中，直到他們的能量轉化為了X射線熱量。在核爆中，這個過程大約僅僅持續1微秒。而X射線的能量將轉化為衝擊波和高溫，形成核子武器通常的主要危害。
在分裂反應慢下來以後，分裂材料的放射性仍然存在。由於新生成的元素中含有大量的中子，他們將通過β衰變轉換成為新的原子核。在這個過程中，中子通過釋放一個電子和γ射線轉化為質子。每一個分裂產物的原子核都會衰變1到六次，平均為3次，可以產生大量不同元素的同位素，有些穩定，有些有放射性，有些半衰期甚至長達20萬年[5]。在反應爐中，這些放射性產物為用過的核燃料中的核廢料。而在核子武器中，這些放射性產物將產生放射性塵埃。
同時，在爆炸時的核彈內部，分裂所釋放出來的中子會撞擊臨近的鈾原子核並使它們也發生分裂。這樣發生分裂的原子數量以指數的速度上升（這也就是所謂的連鎖反應）。在短短的一微秒內，發生分裂的原子數就可以翻上一百倍，也就是將會有數噸的鈾原子發生分裂。但是實際上，核彈中的裝藥不會有這麼多，而且在核裝藥被炸開之前，通常只有數千克的鈾發生了分裂反應。核子武器設計中的一個關鍵難題就是如何保證核裝藥能夠保持儘可能長的時間不被炸散。核分裂所釋放出來的熱量會使鈾發生膨脹，使得鈾原子的距離變遠。這樣分裂所釋放出來的中子在觸發新的分裂之前就飛出核裝藥的可能性就會大大增加，甚至會導致連鎖反應停止。
能夠通過連鎖反應來維持分裂的物質被稱為分裂物。核子武器中通常使用的兩種分裂物為
鈾元素最常見的同位素鈾-238也被稱為非濃縮鈾、貧鈾以及28（原子序數92的最後一位和原子量238的最後一位）。它也可以發生分裂，但是不能直接作為核彈的分裂物。由於鈾-238在分裂反應中所釋放出來的中子的能量不夠，不足以觸發新的分裂，因而無法維持連鎖反應。然而它的分裂仍然可以釋放巨大的能量。通常可以使用融合源所釋放的中子使其發生分裂。鈾-238在分裂中釋放的能量是二階段熱核子武器釋放的能量的主要來源。
由於融合所釋放出來的能量不足以維持高溫高壓的融合環境，它一般無法形成連鎖反應。它產生的中子通常會帶走絕大部分的能量[6]。在核子武器中，通常使用的融合反應被稱為D-T反應。在高溫高壓的環境下，氫的兩種同位素氘（D）和氚（T）會形成一個氦核與一個中子，同時釋放出能量：
注意，反應中釋放出的總能量為17.6百萬電子伏特，僅僅是分裂反應的十分之一。但是由於反應物的質量僅僅是分裂反應的約五十分之一，單位質量的融合物質釋放出來的能量更為巨大。然而由於主要的能量都被中子所帶走，而中子又不帶有電荷、質量又與氘氚原子核差距不大，它所帶有的能量不會被用來維持融合反應，也不會產生能夠引起衝擊波和火焰的X射線。為了利用融合所釋放的能量，在實踐中需要將中子源用重金屬包圍起來，比如鉛、鈾、鈽等等。如果14百萬電子伏特的中子被鈾原子核（238或235）捕獲，將會引發鈾原子核的分裂反應，同時釋放出180百萬電子伏特的能量，能量增加了十幾倍。
因此，通常分裂被用來引發融合，幫助維持融合，並增大融合產生的中子攜帶的能量。注意在中子彈中，我們不需要使用分裂來增加釋放能量，這是因為中子彈釋放的中子就是我們需要的目標。
第三個需要介紹的核反應可以用來製造氚，因此同樣非常重要。氚是使用了融合的核子武器的核心，並且也是核子武器中最貴重的部分。氚，也被稱為氫-3，包含一個質子和兩個中子。自然界中的氚一般是宇宙射線中的高能中子擊中了氘原子核，氘核於中子結合生成氚核。而在人工製造的過程中，一般通過用一個中子轟擊鋰-6原子核，從而產生一個氦-4原子核與一個氚原子核，同時釋放出能量，
中子由一個核子反應爐提供。工業化的將鋰-6轉為氚的過程於將鈾-238轉化為鈽-239的過程非常相似。在這兩個轉化過程中，反應物質都放置在一個核子反應爐，經過一段時間取出進行處理。在20世紀50年代，核子反應爐的容量有限，生產氚和生產鈽互為競爭關係。核子武器中使用的每一個氚原子都是本應用來生產鈽原子的。一個鈽原子分裂釋放出的能量是一個氚原子融合所釋放出的能量的十倍，因此僅當氚可以補償生產氚時所浪費的能量的時候，亦即可以觸發更多的分裂時，才會在核子武器中使用氚，也就是在融合增強彈中。
然而，一個爆炸的核彈就是一個核子反應爐。上面所說的過程可以在二階段熱核子武器的第二階段中同時發生，於是也就在設備爆炸的同時提供了融合所需要的氚。
在所有這三種類型的核子武器中，純分裂核彈僅使用了第一個核反應，第二個，融合增強彈使用了前兩個，而第三個，二階段熱核子武器使用了所有的三個核反應。
即俗稱的原子彈。
核子武器設計的第一個任務是快速的將分裂物鈾或者鈽快速的組合在一起並超過連鎖反應的臨界質量。當達到這個臨界質量的時候，分裂物質分裂產生的中子將會有很大的概率被其它的分裂物質原子核所捕獲，這樣就可以維持連鎖反應的進行了。換句話說，每一個分裂的原子核都可以引發多於一個的分裂事件。
在分裂物質達到臨界質量以後，為了儘可能多的引發連鎖反應，需要使用中子源將大量地的中子迅速的提供給分裂物質。早期的核子武器將一種稱為頑童的裝置放置在核裝藥的內部，這個裝置包括釙-210和鈹，這兩部分被一個薄片分開。核裝藥內爆時，將會壓碎頑童，使兩部分金屬混合在一起，這樣釙衰變產生的α粒子會與鈹相互反應，從而產生自由中子。在現代的核子武器中，中子源是一個包含有一個加速器的高電壓真空管，加速器用氘氚原子核轟擊氘氚的金屬化合物，產生的小規模融合會釋放出能夠射入核裝藥的自由中子。這個方式可以更好地控制連鎖反應的起始時間。
假設分裂材料被製成一個沒有任何封裝、沒有被壓縮的金屬球，那麼，對於鈾-235，它的臨界質量是50千克，而鈽-239的臨界質量是16千克。在實際的應用中，臨界質量與核裝藥的形狀、純度、密度、與中子反射材料的距離都有密切的關係，因為這些因素都會影響中子的逃逸和捕捉的概率。對於實際當中的核子武器製造來說，核裝藥的密度總是被事先加以提高，以有助於核子武器的小型化。
為了避免連鎖反應在製造的時候發生，核子武器的分裂物質必須保證在爆炸前處於臨界質量以下。它可能包含有一個或者更多的部分，每一部分都包含有一塊不超過臨界質量的分裂物質。如果外殼是一個細長的中空形狀，那麼裡面可以放置的分裂物質可以超過球形的臨界質量，這是因為柱形的分裂材料可以製成任意長而不會到達臨界質量。通常分裂物質用一層高密度金屬物質包裹起來。這些重金屬的慣性會延緩反應金屬的爆炸，從而提高核子武器的效率。而這一層也經常被同時用作填塞物和中子反射層。
在廣島爆炸的核彈小男孩使用了64千克的鈾，其中80%（大約51千克）為鈾-235，已經達到未封裝情況下的臨界質量。如果考慮到外面還要封裝一層中子反射器，64千克已經超出了臨界質量的兩倍。在爆炸前，鈾-235被分成了兩塊低於臨界質量的部分，其中的一塊會被以類似槍械彈丸發射的方式擊中另一塊，從而引發爆炸。大約只有1.5%的鈾發生了分裂[7]，而餘下的部分散布在了地面上，沒有任何用處。而這些鈾-235消耗了橡樹嶺的巨型工廠在整個戰爭期間大部分產量。[8] 這種低效率是由於沒有被壓縮的鈾在分裂時迅速的膨脹，隨後由於密度變得低於了臨界質量。由於這個設計需要使用細長的槍管，這種設計被裝在了小直徑的矩形彈殼中。這種核彈在美國一直部署到了1992年，消耗了美國兵工廠中大部分的U-235。由於槍式核彈的低生產量和其危險性，同時為了滿足限制核子武器數量的條約，這些核彈被首先拆除。
在長崎爆炸的核彈胖子，使用了6.2千克鈽-239，體積大約350毫升。這僅僅是未封裝球形情況下的臨界質量的39%。由於核裝藥由鈾-238包裹並充當中子反射層，核裝藥接近了臨界質量。核裝藥的周圍均勻的放置了常規炸藥，而這些炸藥將在爆炸時同時起爆，引起內爆。內爆使得鈽被強烈壓縮密度增加，達到了臨界質量並開始連鎖反應。內爆由多個起爆電橋線形雷管觸發。根據估計，大約只有20%的鈽發生了分裂，而剩下的近5千克鈽散落到地面上。
內爆時產生的衝擊波僅持續很短的時間，只有一部分的核裝藥在衝擊波經過的一瞬間被壓縮。為了增強內爆效果，可以將低密度金屬（如鋁、鈹或者是兩種金屬的合金，選用鋁是因為它很容易安全的變形，而選用鈹是因為它的中子反射性）製成中間層，放置在爆炸物和反射層之間。這樣，一部分的衝擊波會被反射回去，而衝擊波的作用時間就加長了。胖子核彈使用了鋁製成的中間層。
胖子核彈的高效率是因為大量的U-238填充物。儘管U-238不發生分裂，在內爆發生後，這層填充物會帶有向內的動量。雖然鈽的連鎖反應會使鈽膨脹並最終停止反應，膨脹首先需要克服內爆產生的動量。雖然僅僅將核裝藥多保持在一起僅僅幾百奈秒，核彈的效率卻因此而增加。
內爆核子武器的核心是分裂物質與周圍包裹的中子反射層，這被稱為核裝藥。在一些20世紀50年代的核測試中，核裝藥分別測試了僅僅使用鈾-235、使用鈾鈽合金等等情況[9]。 但是純鈽的核裝藥是體積最小的，因此從60年代早期開始，使用純鈽作為分裂武器的主要核裝藥成為了製造核彈的標準。但是，也有某些使用高濃縮鈾（HEU）的部件仍在一些分裂裝置中被使用，以從不同的方面來提高核子武器的性能或降低成本。
由於鈽有毒，而且還有許多同素異形體（參見鈽的同素異形體，鑄造、加工鈽成為一項艱巨的任務。當鈽冷卻時，相變會使鈽變形甚至裂開。這種變形可以通過添加3-3.5%摩爾分數（0.9-1%質量分數）的鎵以形成鈽鎵合金來解決，使得δ相可以占據一個很寬的溫度範圍。當鈽鎵合金從熔化狀態冷卻時，相變將會從ε相轉變為δ相，而不會經過四個相變。理論上也可以使用其他的三價金屬，但是由於鎵的中子吸收截面很小，同時也能保護鈽不受腐蝕，通常都使用鈽鎵合金。但是鈽鎵合金的缺點是鎵自己會被腐蝕，因此如果如果想將從拆除的核子武器中提取的鈽轉化為二氧化鈽用於發電核子反應爐時，很難從中去除鎵。
由於鈽的化學性質活潑，通常會將製成的核裝藥鍍上一層薄薄的惰性金屬。這層鍍膜還可避免鈽的毒性危害。第一枚核彈使用了銀鍍膜，隨後，使用蒸汽鎳鍍膜，但是現在，通常使用金。鈽部件的機械加工過程總是需要在惰性氣體的保護下進行。
對胖子核彈的第一個改進是在填充物與核裝藥之間留下一層空間，這樣可以產生一種類似於錘子敲釘子的效果。核裝藥被放在填充物的空洞中，由一個錐體支撐，被稱為是懸浮的。1948年，三次沙石行動的實驗使用了懸浮核裝藥的胖子核彈設計，最大的一枚達到了4.9萬噸當量，比未懸浮的胖子核彈兩倍還多。[10] 隨後。內爆法被確認為是分裂核子武器的最佳設計。它唯一的缺點是直徑太大了。胖子核彈的直徑是1.5米，而小男孩只有60公分。11年後，在成功的改進了內爆法設計之後，原子彈長僅需60厘米、直徑僅需30厘米。
胖子核彈中的鈽-239核裝藥的直徑僅有9厘米，一個壘球大小。胖子的巨大體積主要是由於它採用了內爆機制，有一層層同心的球面，包括鈾-238、鋁、以及高爆炸藥。降低半徑的關鍵是採用兩點式內爆設計。
一個非常低效的設計是用最小的壓縮簡單的將一個卵形壓縮成球形，在使用線性內爆的核彈中，核裝藥被裝入一個兩端裝有高爆炸藥的圓柱形容器。核裝藥為未填塞的實心的鈽-239，並將其拉伸，其質量需要超過球形時的臨界質量[11]。爆炸將核裝藥的兩端向內推，使其變成球形，從而使得核裝藥達到臨界質量。衝擊波可能還會使鈽從δ相變成α相，即使沒有內爆帶來的向內的動量，鈽的密度就可以增加23%。雖然內爆壓力不足使得這種設計方案效率較低，但是它結構簡單，半徑也非常小，從而可以將它裝在炮彈中或者手提箱核彈中。
不論是槍式的U-235核彈還是線性內爆的鈽-239核彈的當量都很低，而且需要很多分裂物質使得核裝藥的直徑達到15到25厘米。
更有效的兩點式內爆系統使用了兩塊高爆炸藥和一個中空的核裝藥。
1945年設計胖子核彈時，其實已經考慮了中空核裝藥的設計，但是那時沒有足夠的時間來生產這種內爆系統並進行測試。由於緊迫的時間限制，人們認為簡單的實心核裝藥設計將更為可靠，但是該設計需要大量U-238作為填充物，一個非常厚的鋁殼來延長內爆衝擊波的作用時間，此外還需要三噸重的高爆炸藥。戰後，人們又重新開始考慮中空的核裝藥設計。顯然，中空的鈽可以在內爆發生時發生變形，向內部空洞擠壓，和實心核裝藥設計相比可以帶來更大的向內的動量。中空核裝藥自身就可以完成部分填充物的作用，這樣就不需要那麼多的U-238填充物、不需要鋁殼緩衝，也減少了對高爆炸藥的需求量。
胖子核彈包含有兩層同心的球形高爆炸藥，每層都有25厘米厚。內爆由內層的炸藥驅動，而外層的炸藥包含有32個爆炸透鏡，這些透鏡排成足球形，每一個都可以將他們的爆炸物的衝擊波轉換為凹形的波，以和內層炸藥的輪廓匹配。如果這32個爆炸系統可以用兩個替代，那麼高爆炸藥球可以變成一個橢球形，而半徑也將大大縮小。
胖子核彈上使用的標準的爆炸透鏡使用了快速和慢速的炸藥，如果要能夠產生凹形衝擊波以包住整個半球，這個透鏡要麼非常長，要麼需要將一部分炸藥產生的衝擊波的速度降到很低。如果使用一個金屬盤，讓它在爆炸後變形，並由衝擊波推動它穿過一段空間，他的速度可以被設計得足夠慢。[12][13]使用了這個技術以後，一個兩點式的的內爆系統可以不超過其直徑的兩倍，如同瑞典示意圖所示。
核子武器小型化的下一步是加速核裝藥的分裂以減少最小的慣性約束時間。中空核裝藥的設計為我們提供了一個引入融合源來增強分裂的絕佳位置。我們可以在核子武器裝彈的時候將等量的氘和氚注入核裝藥的中空處，在分裂開始後，氘和氚就會融合成氦，並放出自由中子，由於此時的核裝藥仍然處在臨界質量的狀態或者接近臨界質量的狀態，融合產生的自由中子將會引發非常多的新的連鎖反應。因此，如果使用了中空核裝藥的設計，那麼沒有道理不使用融合增強分裂的設計。
融合增強分裂的概念在1951年5月25日進行了測試。這次核試驗名為「溫室項目」，是「溫室行動」系列核試驗的一環。測試地點在馬紹爾群島的埃內韋塔克環礁，爆炸當量為45.5千噸。
由於融合加快了分裂的速度，這個設計可以有效地減小核彈的直徑，原因如下：
如果降低融合的強度，就會造成爆炸當量的降低。因此，融合增強核彈是可變當量的核子武器。只要在裝載核彈的時候少放一些氚，就可以在爆炸前降低核彈的當量。
第一個滿足所有前面介紹的這些特徵（兩點式內爆、中空核裝藥和融合增強內爆）的核彈代號為天鵝，於1956年6月22日進行了測試。這次核試驗是紅翼鶇行動的一環，代號為inca，試驗地點仍在埃內韋塔克環礁。這枚核彈的當量為一萬五千噸，大約和小男孩核彈一樣。它的重量是47.6千克，柱形，長58厘米，直徑29.5厘米。上面的示意圖展示了它的基本結構。
11天後，1956年7月3日，天鵝又一次在埃內韋塔克環礁試爆，這次的代號為Mohawk。這一次，它被用來測試一個二階段熱核子武器的第一階段。在20世紀50年代，它為了這個目的進行了十餘次測試。天鵝是第一個以後各種設計的原型，是第一個走向實用的熱核子武器。
天鵝成功以後305公釐成為了了20世紀五十年代用於測試第一階段融合增強的熱核子武器的標準直徑。核彈的長度一般都是直徑的兩倍。但是有一個例外，彈體近似球形，而長度僅381公釐，後來它成為了W54核彈頭。在W54最終部署前，它在1957年-1962年進行了20多次核試驗，失敗次數比其他設計都多。由於更長的核彈一般在第一次測試就會成功，達到需要的長寬比需要展平兩片高爆透鏡，這裡有一定的難度。
除了使核彈更小、更輕，需要的分裂物質也更少以外，融合增強可以使得核彈更能抵抗放射線的干擾。在20世紀50年代中期，人們發現鈽核裝藥對其他的放射性放射線非常敏感。如果將它暴露在附近的核放射線中，鈽核裝藥可能會發生部分的爆炸。由於第一次核打擊造成的放射性就會使的裝備的核子武器失效，這在早期預警系統建立起來以前是一個很嚴重的問題。由於使用融合增強減少了核彈中鈽的用量，這樣就可以減少了出現問題的概率。
純粹的分裂或者融合增強分裂核彈可以達到幾百千噸的當量，需要消耗大量的分裂物質和氚。但是目前，最有效的增加核子武器當量的辦法是使用第二個獨立的階段，稱為次級。
在二十世紀四十年代，洛斯阿拉莫斯的核彈設計者們認為第二階段應該是一罐液態的氘，或者是氘的氫化物。融合反應應該是D-D反應，雖然這個反應比D-T反應更難，但是更為可行。放置在一端的分裂核彈用衝擊波壓縮氘，同時加熱離分裂核彈較近的一端，而融合會通過管子傳遞到遠端。但是數學仿真證明這個方案不可行，即使加入大量昂貴的氚也不行。
整個融合燃料罐需要用分裂能量包裹起來，同時壓縮和加熱，就像融合增強分裂彈中的增強階段一樣。1951年1月，設計方案有了突破性進展，愛德華·泰勒和斯特尼斯瓦夫·烏拉姆發明了放射線內爆，在近30年的時間裡，這個發明都是氫彈的機密。
放射線內爆的概念於1951年5月9日進行了試驗。這個核試驗是溫室行動的一部分，代號為喬治，試驗地點是埃內韋塔克環礁，當量為225千噸。第一次完整的核試驗在1952年11月1日舉行，試驗是常春藤行動的一部分，代號為麥克，試驗地點也是在埃內韋塔克環礁，當量為10.4百萬噸。
在放射線內爆中，初級的分裂核彈產生的突發的X-射線能量被捕捉並保存在一個對放射線不透明的通道中，這個通道周圍都是次級核彈的燃料。放射線很快使通道中填充的泡沫塑膠變成電漿態，而它對X-射線是透明的，於是X-射線放射線的能量就被包裹著第二極核彈的推動反射層的最外層吸收了。這一層被迅速的燒蝕掉了，並對融合燃料施加了巨大的力（就像火箭發動機一樣）[14] 。於是，融合的燃料就像初級的核彈一樣被內爆了。在次級內爆的同時，一個插在次級核彈中央的分裂「火花塞」被點燃，同樣為融合燃料的點火提供了熱量。分裂和融合的連鎖反應在二者之間不停的交換中子，同時提升了兩者的效率。內爆的力量越大，分裂「火花塞」的效率將由於融合產生的中子變得越高，而次級融合自身的爆炸可以提供越大的爆炸當量。但是在通常的設計中，不會讓次級的當量比初級大很多。
例如，在1956年7月3日進行的紅翼鶇行動的Mohawk核試驗中，名為笛子的次級與作為初級的天鵝連在一起。笛子長59厘米，直徑為38厘米，和天鵝的大小差不多，但是它的重量是初級的十倍，產生的能量是初級的24倍。同樣重要的是，次級笛子中活性成分的價值並不比初級天鵝貴。大多數的分裂材料來自價格便宜的鈾-238，而氚是在爆炸的時候現場製造的。只有次級級軸線上的火花塞需要是分裂物質。次級核彈如果是球形，內爆的密度將比柱形次級更大。這是因為球形使得內爆可以從各個方向向同一個點壓縮。然而，在當量超過一百萬噸的核彈中，次級如果是球形，直徑將會太大而使得用處受限。而在這些場合必須使用柱形。在1970年以後，多彈頭洲際飛彈較小的、錐形的再入艙開始使用球形次級的彈頭，當量大概是幾百千噸。
和融合增強一樣，二階段核彈的優勢非常明顯。因此一旦一個國家掌握了這種技術，那麼沒有理由不裝備它。
在工程上來說，放射線內爆需要考慮幾種核子武器材料的已知特性，雖然這些性質還從來沒有過實際應用。例如
1950年，美國總統杜魯門針對蘇聯1949年的首次核試驗提出要製造一枚千萬噸當量的超級炸彈，這成為了二階段核彈的最初推動力。但是二階段熱核子武器的發明不僅僅可以用於製造巨型炸彈，也提供了最便宜的、最緊湊的核子武器小型化方案。這使得所謂的氫彈和原子彈之間的區別消失了，也融合了融合增強分裂和分裂增強融合的技術。分裂和融合爆炸的最佳方案是可以結合在一起的，使之成為一個可縮放的設計原則。即使是152公釐直徑的核炮彈也可以是一個二階段熱核子武器。
在隨後的50年裡，沒有人能提出製造核彈的更好辦法。五個擁有熱核子武器的國家即美國、俄羅斯、英國、中國和法國都採用了二階段核彈的設計。其他擁有核子武器的國家以色列、印度、巴基斯坦、和北朝鮮，可能擁有一階段核子武器，很可能是融合增強核彈。
在一個二階段熱核子武器中，初級核彈的能量會影響次級核彈，這種在初級和次級之間的基本的能量傳輸調節結構被稱為級間結構。這個結構可以保護因次級融合燃料加熱過快而導致其在分裂和融合開始前就因為熱膨脹而爆炸。
在公開文獻中，很少有關於級間結構的信息。在一份美國政府向公眾開放的關於可靠性替換核彈頭計劃的文檔中，這個名詞首先以一個圖片的標題出現。在文檔中指出，新的核彈設計如果成功，將會代替級間結構中有毒的、易碎的材料以及昂貴的專門材料[16]。文檔中的這個表述意味著在以往的級間結構可能使用了鈹來調節初級核彈中的中子流量，也可能使用了一些能夠吸收並重新放射線X射線的材料[17]。關於級間結構使用的材料也有一些推測，據稱這種代號可能為「FOGBANK」的材料可能是一種氣膠，很可能摻入了鈹或其他物質。 [18]
級間結構和次級核彈被一起封裝在不鏽鋼薄膜中，以形成罐裝子裝配模塊，對於這個模塊從來沒有任何公開的描繪。 [19] 對於級間調節最詳細的描述是一枚英國的熱核子武器示意圖，在初級和次級核彈之間仍有許多物體。他們被標記為「中子聚焦透鏡和頂蓋」、「反射器/中子槍架」、和「反射器包裝」。最初的這張圖由綠色和平組織放在網際網路上，正確性無法保證，也沒有相應的說明[20]。
儘管每種核子武器都可以歸為以上三種類型之一，在新聞中和公眾討論中也經常會提到下面的一些特別的設計，但是這些設計的名字不一定能正確地描述它們的工作原理和用途。例如：
現代核子武器都需要在某種程度上使用了D-T融合反應。即使是純分裂核彈，其中的中子源仍然是一個包含有微量氚和氘的高電壓真空管。然而，在大眾觀念中，氫彈是一種數百萬噸當量的核彈，要比在廣島投下的小男孩核彈威力大上千倍。實際上，這樣高當量的核彈是一種二階段熱核子武器，需要通過使用鈾分裂來達到所需要的當量，而其能量的主要來源是分裂。
氫彈的設想最早於1949年為公眾所注意，此時，一些卓越的科學家們公開的表示反對製造比純分裂核彈威力更大的核子武器。他們的反對意見出於道德和實踐的考慮。而另一些科學家認為，分裂核彈的體積受到臨界質量的限制，無法做得更小，而融合則沒有任何臨界質量的限制。1949年，蘇聯進行了第一次核試驗，爆炸了第一顆原子彈，隨後，總統杜魯門要求洛斯阿拉莫斯的科學家製造一枚威力更大的核彈，從而結束了對是否製造氫彈的爭論。1952年，在常春藤行動中，代號為Mike的核試驗爆炸了一顆1020萬噸當量的氫彈，這被認為是第一次氫彈的測試，也加強了公眾認為氫彈比原子彈（純分裂核彈）威力強上千倍的想法。
1954年，奧本海默 被認為是氫彈的反對者。公眾不知道其實有兩種類型的所謂氫彈（其實沒有任何一種可以用氫彈來準確的描述）。5月23日，當他的安全許可被撤銷時，在四個公眾調查中有三個結果都認為他「領導了氫彈計劃」。實際上在1949年，奧本海默領導了單階段的融合增強分裂彈的設計，以在鈽和氚的生產中取得平衡，同時最大化核彈的威力。而他在1951年以前一直反對二階段熱核子武器的想法，直到放射線內爆使得這個想法變得可行。他的職位的複雜性使得這些內幕一直到1976年才為公眾所知，此時他已經去世9年。
二十世紀六十年代，在洲際飛彈替換了戰略轟炸機以後，大多數的百萬噸級核彈都被飛彈核彈頭所代替。這些核彈頭依然是二階段核彈設計，當量降至最多一百萬噸。
對於分裂和融合的共生關係的探索始於二十世紀四十年代的一個核子武器設計。在這個設計中，分裂燃料和融合燃料分成薄層交替的混合起來。作為一個單階段核子武器，它應該是一個融合增強分裂的一個不甚合理的設計。在開發二階段熱核子武器的次級核彈時，這個設計方案才變得可行[21]。
而這個設計在美國被命名為鬧鐘，其實這僅僅是一個沒有任何意義的代號。蘇聯的名字略有描述性，Sloika，是一種層狀的蛋糕，在相關蘇聯核子武器發展史的中文文獻中通常被翻譯成「千層餅」。1953年8月12日，蘇聯測試了一顆單階段的蘇聯Sloika核彈。而在美國，這個設計的單階段核彈從未測試過，但是在城堡行動的核子武器測試中，於1954年4月26日代號為Union的核實驗爆炸了一顆二階段熱核子武器，武器代號為鬧鐘。試驗在比基尼環礁舉行，當量為6.9百萬噸。
由於蘇聯的Sloika試驗中最早使用了氘化鋰-6，而美國在8個月後的1954年3月1日的Bravo核試驗才第一次測試這種材料，有人聲稱蘇聯最先製造了氫彈（1952年，美國的Mike核試驗使用了液態的氘作為次級核彈的融合燃料，同時採用了D-D融合反應）。然而，第一次蘇聯使用放射線內爆來爆炸次級核彈已經是1955年11月23日的事了，比Mike核試驗晚了3年，而放射線內爆才是所謂的氫彈的本質特徵。
在1954年3月1日，美國進行了當時最大的核爆測試。這次測試屬於城堡行動，代號為Bravo。當時，在比基尼環礁引爆了一顆當量為一千五百萬噸的核彈。核彈引起的放射性塵埃可以迅速致死，這些塵埃散布在6000平方英里的太平洋海面上。[22] 馬紹爾群島的居民和日本漁民因放射線而受傷甚至死亡（參見第五福龍丸事件）使得氫彈中使用了分裂材料這個秘密為公眾所知。
為了應對公眾對放射性塵降的恐慌，美國政府決定設計一種乾淨的核彈。這種核彈的威力仍然十分巨大，能夠達到數百萬噸當量，而釋放的能量幾乎僅僅依靠融合。由於以前的大當量熱核子武器使用了分裂材料製成反射層，其分裂作為主要的能量來源，這種乾淨的核彈為了達到同樣的當量就需要非常巨大的體積。在這種情況下，以次級核彈做為初級的第三個階段被加入到核彈中。這枚核彈被命名為低音管。在紅翼鶇行動中，代號Zuni的核試驗測試了這枚核彈。這次核試驗於1956年5月28日在比基尼環礁舉行。在這枚核彈中，所有的鈾都用鉛來代替，當量為三百五十萬噸。85%的能量都來自融合，另外的15%的能量來自分裂。在公開的核試驗結果中，融合能量提供能量的比例最高的幾次是紅翼鶇行動中代號為Navajo的核試驗，95%的能量都來自核融合[23]，壓縮餅乾行動中代號為Poplar的核試驗[24]，95.2%的能量來自核融合，以及沙皇炸彈，97%的能量來自核融合[25]。
7月19日，原子能委員會主席Lewis Strauss說，乾淨的核彈「從人道主義的角度來說...非常重要」。然而，在兩天以後，低音管核彈的放射線版本在紅翼鶇行動中的Tewa核試驗中引爆。這枚核彈的當量是5百萬噸，87%的能量來自分裂。這枚核彈的威力被刻意的降低了，以使放射性塵埃降落在一個很小的區域內。這枚核彈後來列裝，稱為Mk-41核彈。這枚核彈有三個階段，當量兩千五百萬噸，由空軍的轟炸機攜帶，但是從來沒有滿當量測試過。
因此，大當量的乾淨核彈其實僅僅是出於對公共關係的考慮。實際部署的核彈仍然是放射性的，以使同樣大小的核彈擁有最大的威力。
這是一種幻想出來的末日炸彈，來自內爾·舒特的小說海灘上。這本小說1959年改編成電影海灘上。在小說中，鈷彈是一種使用鈷作為外殼的氫彈。被中子激活的鈷可以通過放射性塵埃最大化對環境的破壞。這些炸彈的想像在1964年的電影奇愛博士以後變得更為流行。在電影中，加入核彈的元素被稱為「鈷-釷 G」。
這種「加料」核彈曾經應美國空軍的要求被嚴肅的研究過，很可能曾經製造並測試，但是最終沒有列裝。在1964版的國防部原子能委員會的《核子武器的影響》一書中，一個題目為「放射學戰爭」的章節澄清了這個問題[26] 。分裂產物和中子激活的鈷一樣具有致命的效果，因此標準的高分裂熱核子武器實際上已經是一种放射性的核子武器，不需要添加鈷。
在爆炸開始時，一枚同樣大小分裂-融合-分裂核子武器中融合產物中的γ射線要遠遠比鈷-60強；一小時後，要強15000倍；一周後，要強35倍；一個月後要強5倍；而六個月時才大致相等。隨後，分裂塵埃的放射性迅速下降，在一年後，鈷的放射性是放射性塵埃的8倍，5年後是150倍。分裂產物中長壽命的放射性同位素會使得塵埃的放射性在75年以後再次超過鈷-60。
1954年，為了解釋氫彈中產生的大量的分裂產物放射性塵埃，Ralph Lapp使用名詞分裂-融合-分裂來描述它所謂的三階段熱核子武器。他的描述是正確的，但是他所選用的名詞在公開文獻中造成了誤解。核子武器中所謂的階段並不是分裂、融合、分裂，而是初級核彈、次級核彈、甚至第三極核彈。每一級都使用了分裂、融合、分裂。
中子彈的準確稱法是放射線增強核子武器。它是一種典型的戰術核子武器，很大一部分能量都是以高能中子放射線的形式釋放。而標準的熱核子武器需要使用分裂材料來捕捉這些高能中子以增強威力。中子彈的當量可能僅僅是純分裂核子武器的十分之一。當然即使他們爆炸的威力與其他核彈相比已經大大降低了，它的破壞力仍然大大超出任何常規炸彈。同時，和其他核子武器相比，除去強大的衝擊波和熱效應以外，中子彈的破壞力主要表現在對有生命的物質的殺傷上。
當核子武器的當量下降到一千噸以下的時候，衝擊波的致命半徑在700米以下，要比他的中子放射線的殺傷力小。然而，衝擊波的能量也是足夠摧毀大多數建築物的。當然絕大多數的建築抵抗衝擊波的能力不如人體。衝擊波的壓力達到20PSI時才是致命的，而大多數建築物在5PSI的時候就已經倒塌了。大眾一般的錯誤觀念認為這種核彈僅僅會對殺傷人體，而建築物會完好無損。這種炸彈確實對距離較遠處的房屋沒有什麼影響，但是距離爆心較近的建築一樣會被摧毀。
| 普通 | 中子彈 | |
|---|---|---|
| 衝擊波 | 50% | 40% |
| 熱效應 | 35% | 25% |
| 核放射線 | 5% | 30% |
| 殘留放射線 | 10% | 5% |
中子彈製造的初衷是用來殺傷戰車成員。戰車對於衝擊波和熱放射線都有很好的抵抗能力，可以在距離核爆處（相對）較近的位置依然保證戰車乘員生存。由於蘇聯在冷戰期間擁有龐大的戰車部隊，中子彈是對抗他們最好的武器。中子放射線對於戰車成員的殺傷距離與衝擊波和熱效應對沒有任何保護的人的殺傷距離差不多，同時也會用放射性污染戰車底盤，使得新的戰車成員無法進入戰車。
中子彈也被設計用於其他的一些場合。例如，他們在反核防守中很有效。中子彈爆炸產生的中子流可以在很遠處使得侵入的核彈頭失效，這個距離要比熱和衝擊波遠得多。核彈頭通常有很強的抗物理損傷的能力，但是很難對抗強烈的中子流。
中子彈是一種二階段熱核子武器，所有不必要的鈾都被移除以減小分裂的當量。爆炸產生的中子由融合提供。中子彈在20世紀50年代被設計出來，在70年代由美國軍隊部署在歐洲。最後的中子彈於九十年代退役。
中子彈的當量仍然需要足夠高，以使融合過程可以被點火，而當量也不能過高，使得容器的厚度不會吸收過多的中子。這意味著中子彈的當量大約是1-10千噸，而分裂的比例從50%到25%。中子輸出的殺傷力會比一枚純分裂內爆核彈或者是戰略核彈頭W87或W88大10-15倍。
1999年，核子武器的設計在幾十年後又一次登上新聞媒體。當年1月份，美國眾議院發表了考克斯報告，報告宣稱中國曾經通過某種方式得到了關於美國W88核彈頭的機密信息。在洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作的一位台灣移民李文和被以間諜罪提起公訴並拘捕。在被監禁了九個月以後，關於他的案件被撤銷，因為無法肯定是否存在間諜活動。
長達十八個月的新聞調查很不尋常的詳細描述了W88核彈頭。紐約時報在首頁印出了W88的示意圖[27]。而在2001年由Dan Stober和lan Hoffman撰寫的關於李文和的書中，提供了一份更詳細的示意圖（這幅圖片經過允許在此發表）：
這枚核彈頭被用於三叉戟洲際彈道飛彈，於1990年開始服役。W88也是為美國核武庫設計的最後一種核彈頭。儘管已經開放的文檔並沒有顯示出這枚核彈的設計於1958年的核彈有什麼本質上的區別，這枚核彈仍被認為是最先進的。
上面的這張圖片顯示了自從二十世紀60年代以來所有洲際飛彈的標準特徵，但是以下兩個例外使得他在小體積內仍有很大的當量。
次級核彈中交替放置的分裂融合材料使用了鬧鐘的設計方案。
1989年，位於科羅拉多州的生產核裝藥的洛基平地工廠由於環境原因而被關閉。自此以後，美國沒有生產過任何核彈頭。兩年以後，冷戰結束，核彈的生產線除了檢修就被閒置了。
美國國家核安全局提出了一個建造新的核裝藥工廠並開通生產線，以生產一種新的可靠的替換核彈頭[30]。這種核彈頭採用了如下的兩個改進使其更為安全：重新使用不敏感高爆炸藥以防止偶然地爆炸；不使用有毒的材料，如鈹等等，以減少對人和環境的危害[31]。由於這種核彈不能使用任何核試驗，它無法使用新的未經測試的設計。
核子武器在很大程度上是通過試錯法設計出來的。實驗經常需要試爆原型設計。
核子武器爆炸的過程中，在很短的時間內就會有數量巨大的事件以不同的概率在核彈的封裝內發生，聚集成一股短期的混沌的能量流。為了近似的模擬這種情況，需要使用非常複雜的數學模型，而在二十世紀五十年代，計算機的能量還不夠強大，無法模擬這些數學模型，即使當今的計算機和仿真的軟體的能力也不夠[32]。
適合庫存可靠的核子武器很容易設計出來。只要試驗原型工作正常，它就可以武器化並大量地生產。但是理解實驗的原型為什麼能夠工作正常或者失敗就是一個困難的問題了。在核彈引爆到爆炸以前的短短時間內，設計人員會得到儘可能多的數據，並用這些數據來校正他們的模型。通常需要向模型的方程式內添加虛變量，以使仿真與實驗數據吻合。他們也需要分析放射性塵埃中的核子武器殘渣，以看出發生了多少可能的核反應。
診斷用光導管是測試分析核子武器的重要工具。測試設備中的探針可以通過加熱一個金屬盤至白熾化來傳輸信息，而事件可以在一個很長、很直的導管的遠端記錄下來。下面這張圖片展示了於1954年3月1日在比基尼環礁引爆的核彈Srhimp。這次核試驗的代號為Bravo，是城堡行動中的一環。核彈的當量為1500萬噸，是美國當時的最大的一枚核彈。圖片中一個人的剪影用以顯示核彈的大小。核彈在底部的兩端支撐。看起來像是支撐的光導管從爆炸室的天花板插入。右端的8根光導管（1）送出了初級核彈爆炸的信息，中間的兩根光導管（2）記錄了初級核彈產生的X射線到達次級核彈附近的放射線通道的時間。最後的兩根導管（3）顯示了放射線到達放射線通道遠端的時間，而（2）和（3）的時間差就是通道的放射線傳輸時間。通過爆炸室以後，光導管變成水平的，並沿著比基尼暗礁上修建的通路傳遞了2.3千米，到達一個在Namu島上修建的遙控數據數據掩體 [33] 。
X-射線在低密度材料中一般以光速傳播，而圖中所示（2）（3）之間的傳輸通道中填充的泡沫塑膠就是這種低密度材料。而在引爆初級核彈時的強大放射線會在傳輸通道中造成一種相對的不透明的放射線波陣面，會像水面上慢慢移動的木頭一樣延緩放射線能量的傳遞。在次級核彈被放射線導致的燒蝕所壓縮的時候，初級核彈的中子就會追上X-射線，射入次級核彈，通過前面介紹的生產氚的核反應為融合提供氚。這種鋰-6和中子的反應會釋放出5百萬電子伏特的能量，然而此時火花塞還沒有被壓縮，也因此沒有達到臨界質量，因此不會發生明顯地分裂和融合。但是如果足夠的中子在次級核彈內爆完成前到達，會產生很關鍵的溫度區別。這被認為是Livermore的第一個熱核子武器設計失敗的原因。這個設計的名字是Morgernster，在城堡行動中代號為Koon的核試驗中引爆，試驗時間是1954年4月7日。
這些時間上的問題都是通過對光導管的數據分析所得的。通過這些數據修正的數學仿真被稱作放射線流體力學代碼，或者是通道代碼。他們可以用來預測以後修改設計所產生的效果。
在已經公開的記錄中還不知道Shrimp核彈中使用的光導管有多麼成功。數據掩體處於一英里寬的彈坑之外，但是爆炸的當量達到了1500萬噸，是估計的2.5倍，爆炸的衝擊波吹飛了掩體20噸重的門，穿越了掩體的內部。最近的人處在32英里之外的掩體中，掩體沒有被破壞。[34]
城堡行動中的Bravo核試驗中最有趣的數據是對放射性塵中的核子武器殘骸的放射性化學分析。由於缺少濃縮的鋰-6，Shrimp的次級核彈中60%的鋰是普通的鋰-7，不會像鋰-6那樣容易地提供氚。但是鋰-7也確實可以像鋰-6那樣提供氚，射進去一個中子，射出兩個中子。這個事情為人所知，只是不知道事件的概率。根據對塵埃的分析，這個概率還是相當大的。
塵降分析告訴核子武器設計人員通過這種核反應，Shrimp的次級核彈提供的氚要比可以提供比預計僅僅通過鋰-6生成氚多2.5倍。氚增多了，導致融合的當量、中子量、以及分裂的當量都相應的增加了。[35]
如上所述，Bravo的塵降分析第一次告訴世界，熱核炸彈的主要能量來源仍然是分裂而不是融合，一艘日本漁船第五福龍丸號上在返航途中甲板上覆蓋了許多放射性塵埃，從而使得日本和其它敵方的科學家可以檢測到大多數放射性塵埃都來自U-238的分裂，分裂由融合產生的14百萬電子伏特的中子觸發。他們隨後公布了檢測的結果。
城堡行動中Bravo核試驗使得全球對放射性塵埃產生了警惕性，最終導致核子武器測試轉入地下。美國最後一次的地面核子武器測試於1962年11月4日在強斯頓環礁上舉行。在以後的30年，直到1992年9月23日，美國平均每個月在進行2.4次地下核試驗，幾乎所有都在拉斯維加斯西北的內華達測試場舉行。
由於核子武器爆炸導致的放射性的地下彈坑會使地表的土地塌陷，內華達測試場的絲蘭平地部分布滿了這種彈坑。
在1974年簽署核子武器測試限制條約以後，地下爆炸的當量被限制在15萬噸以下。因此像W88這種50萬噸級的核彈頭無法在滿當量的情況下測試。由於初級核彈必須滿當量爆炸以產生次級核彈內爆的數據，只能通過減少次級核彈的當量來達到這一目的。通過將氘化鋰-6替換為氫化鋰-7，融合需要的氚大量減少了，因此總當量在內爆動力沒有改變的情況下減小了。設備的工作情況可以通過光導管、其他的傳感器以及分析核子武器殘骸來得出。裝備的核子武器的總當量可以通過外插法得出。
二階段熱核子武器在二十世紀五十年代已經成為標準設計，這種武器設計決定了美國核子武器生產工廠的廣泛的布局。
由於初級核彈直徑可能非常巨大，鈽因其有更小的臨界質量，它成為製造核裝藥的分裂材料，而鈹作為中子反射鏡。1952年，科羅拉多州的洛基平地工廠建成，以生產核裝藥，也因此稱為鈽和鈹的製造工廠。
田納西州橡樹嶺的Y-12工廠曾經為曼哈頓工程生產提純鈾，它被重新設計以生產次級核彈。由於U-235的臨界質量較大，它被用來生產火花塞，而且火花塞在早期的核彈中被製成了圓柱形。早期實驗使用了兩種分裂材料，鈽鈾合金製成核裝藥和火花塞，而為了降低重量，最後使用鈽做初級核彈裝藥，鈾製作次級核彈的火花塞和推動層。Y-12工廠也生產氫化鋰-6融合燃料和U-238零件，次級核彈的其它兩種成分。
1952年建成的南卡羅來那州塞芬拿河工廠通過核子反應爐將U-238轉換為核裝藥需要使用的鈽-239，也將Y-12工廠生產的鋰-6轉化為融合增強彈中使用的氚。由於核子反應爐使用重水做減速劑，它也製作Y-12工廠製造氘化鋰-6所使用的氘。
由於低當量的核彈頭也擁有毀滅性的破壞能力，武器設計人員永遠需要考慮到需要使用某種方式和操作流程以避免偶然地爆炸。
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