被騙了！核彈“钚心”的結構不是大家想象的樣子，小型化的關鍵！

那啥，今天的文章盡量不違反《核不擴散條約》，咱們就來捋清思路說一個悖論。

目的也是一個很簡單的目的，就為了說明一件事——理性思考可以讓大家打破迷霧，即便是層層保密的核武器技術也是一樣。

首先說個騙局就是現在大家看到的原子彈的結構都是騙人的“示意圖”。

對于核武器的核心大家是怎么想的？很多軍迷會立刻拿出這張照片：

沒錯，這就是最早出現在公眾視野中的核彈核心部件——惡魔核心。很多人就是以這個核心為藍本來理解內爆式核武器的。

但……這里有一個悖論。

先說惡魔核心，這個結構是一個完整的钚核，而且并不干凈。它在生產的過程中也就是按照理論來說，鈾238在反應堆內捕獲1個中子經過一系列的嬗變可以生成钚239。但是核反應堆內的中子是不可控的，在生成钚239是一個鈾238捕獲了一個中子，但如果一個鈾238原子捕獲了兩個中子呢？就生成了钚240。

钚240很容易自發裂變釋放出中子（每分鐘每克钚240中有440個钚240原子裂變，每秒產生920個中子），這些中子會被钚239所俘獲產生下一步的裂變反應。久而久之钚彈就會失效，這也是為什么早期核武器是有存放壽命的依據了。到了現代核武器中，武器級的钚是要限制钚240的含量的，只有含量在一定百分比之下的才是真正的武器級钚，這樣一枚钚為核心的核彈才有更長的儲備時間。當然了，這是一個題外話，早期原子彈中的钚240本身就可以成為原子彈的中子源，也正因為這個特性才引發了惡魔核心的一系列事故。

照片中中間的這二位就在钚核心發生超臨界事故的時候患上了急性輻射病死掉了。

事故的原因就在于他們在僅差5%的超臨界狀態的钚核心外堆放了碳化鎢金屬塊，碳化鎢是一種具有中子反射性材料它可以把中子反射回去，如果一個核心所發出的中子大部分被反射即便是它沒有達到臨界質量也會產生鏈式反應，正所謂質量不足概率來湊。

好了，到現在基本的背景信息大家都了解了，咱們可以來講臨界質量了，在這一個環節你能明白一個基本的道理就是原子彈的核心為什么會做成球形。但同時這個問題也會給你帶來更大的疑問。

“臨界質量”——指維持核子鏈反應所需的裂變材料質量。簡單的說當一枚钚239元子捕獲了一枚中子后會立刻裂變，釋放出2-3個中子并釋放出能量。這釋放出來的2-3個中子繼續被其他钚239原子所捕獲，這些钚239原子依然會維持分裂、釋放中子、放出能量的過程。

但這其中的問題是原子和原子之間的距離要遠比中子大，如果一個原子是一個足球場大小，那么原子核大約是足球場中的一個沙粒大小，當一枚原子裂變后，依然要在另一個“足球場”內命中另一枚沙子。這枚中子在進入一個“足球場”后如果沒有命中這個足球場內僅存的“沙子”，就會穿過這個足球場后進入另一個“足球場”。當這枚中子路徑上有足夠多的“足球場”，按照概率來說就一定可以命中一枚沙子。那么在中子路徑上有多少“足球場”就成了一個統計學概率問題了，換算出來就是“質量”。質量嘛就是物質的量。

而通過這次統計概率計算出的質量就是臨界質量。钚239的臨界質量是10公斤。但是如果給你10公斤的钚239你就可以促成鏈式了嗎？當然是不可能的。例如給你10公斤甚至20公斤的钚239，但這是一根長度為細絲例如長度641米，直徑1毫米的钚-239絲（恰好10公斤）。這根絲即便是達到了臨界質量也不會產生鏈式反應，拉直后只會比環境溫度略高個0.1-0.5攝氏度安靜的存在。

原因是當钚239分裂后射出的中子后，中子在細絲的長度方向上可以有概率碰觸到另一個钚239原子核，而在其他方向上中子在沒碰到任何一個钚原子核前就已經離開了這根絲——中子逸出。

正因為中子的射出方向是隨機的，為了保證隨機射出的中子在各個方向上都有概率命中另一個钚原子核，那么球形無疑是最好的解決方案了。

所以，在達到臨界質量的钚239核心需要做成一個直徑9.9厘米的球體才能保證在內部產生裂變的中子能碰觸到其他的钚原子核產生持續的鏈式反應。

但是到這里，大家得注意一點，直徑9.9厘米并不是說分裂出的中子要經過9.9厘米才可能碰到另一個钚原子核。真實的情況是在一個默認密度的钚金屬塊內部，如果有一個钚239原子分裂出中子，這枚中子只需要在钚金屬內行進1.1厘米的距離就可以碰上另一枚钚239的原子。

之所以是9.9厘米的直徑，還是概率學在起作用，為的是球體邊緣的分裂的钚239原子所釋放出的中子也有一定概率擊中其他钚原子核。

但這里就有個問題了！直徑9.9厘米的钚239的重量是多少？

常溫下钚的重量為19.86克/厘米3，直徑9.9厘米的钚核心重量達到了10.1公斤。這已經達到了臨界值超過了臨界質量了。不過通過計算的公式是100%的純钚239而不是核彈核心中的钚。通常在二戰胖子的設計中钚239的豐度只有90%。

有雜質就大大降低了中子撞擊到正確的钚239原子的概率。其實，豐度在90%的钚核心的臨界質量被擴大到了13.5公斤。只有達到這種級別的“物質的量”等級上才有可能達到鏈式反應的基本條件。

那么，胖子這類的核彈只有10公斤重的核心是如何達成的鏈式反應呢？主角并不是钚，而是惡魔核心事故的另一個成員——中子反射材料。惡魔核心事故的原因是碳化鎢塊，而在核彈中的高效材料是鈹。

剛剛我們討論了“臨界值”和“中子逸出”

有一些材料，例如“鈹”本身是有中子反射性的。當中子射入鈹金屬的時候，會有一定概率被“反射”回去。

這是因為鈹有著極低的中子吸收截面約為0.0076 barn（靶恩），靶恩是一個粒子物理學中常用的面積單位，約為10?2?m2，大約是一個鈾原子核的截面積。0.0076 barn意味著一顆鈹原子對中子的吸收率約為鈾原子的千分之7.6。但是鈹原子的質量又為9，是一種極其輕的原子，同時又具有六方晶系的晶格結構。這就導致對質量接近于1的中子有了極高的散射率。集中在鈹原子上的中子很容易被鈹散射，連續的散射在宏觀上會導致一部分中子原路返回，也就是鈹的“中子反射性”。

因此在工程上鈹是很有意思的東西，薄片的鈹經常會用作中子透射窗口的材料。

而達到一定厚度的特定形狀的鈹又被做成了中子反射材料。所以我們在很多的核彈設計中都會看到鈹（beryllium）反射層的存在。

正是這層鈹反射層的存在，減少了在鏈式反應的初期核彈內部中子的逸出，讓小質量的核心具有達到超臨界狀態的可能性。

只不過這里有個悖論。也是現代各種核武器模型宣傳過程中所刻意具略掉的一點。

即便是在各種公開場合所展示的核彈切面模型，也并不會把這個鈹反射層給更清楚的展現出來。

這些東西其實只是“示意”圖，告訴大家有這么一個層存在，但不會告訴大家這層到底是什么樣子。

悖論就在此，如果鈹層是一個封閉的球體有足夠能力反射中子的能力，即便是武器級的钚所做成的原子彈核心其實也會很快由于內部中子的產生導致核彈失效。甚至會造成核彈自身的穩定性下降的風險。

那么應該怎么做？實際上還是概率問題，通過在鈹反射層上做精確計算的開口，讓核彈內部產生的中子有概率逃出鈹反射層，這樣钚在自發衰變的過程中產生的中子就不會對钚核心造成過大影響，同時也可以有效的保證核彈本身對穩定性。

通常，現代核彈也就做成了這樣的四層結構，內部的钚核心，外部則是蜂窩狀的鈹反射層。再外層則是一層高中子吸收率的鋁層，最外則是鈾238的增值層。

那么問題來了，在核爆炸的過程中，這些滿是洞洞的鈹反射層是不是就不會起到反射中子降低臨界值的作用呢？

這里就有爆炸過程中的重鍛過程了。通常在核彈核心外部包裹有烈性炸藥，在爆炸的過程中這個核心表面的壓力可以達到200GPa。

在這個壓力下在爆轟波從外層炸藥同時、對稱包圍钚核心的瞬間，球形結構承受超過200GPa的沖擊壓力，蜂窩狀鈹中子反射層因結構設計方向垂直于球面，在沖擊壓力作用下迅速塌縮，蜂巢窗口閉合，形成高致密連續反射殼層。此時钚核心內部開始劇烈壓縮，晶體結構發生相變，由常溫穩定但較松散的α相（密度約19.8 g/cm3）轉變為高壓下的δ相，其體積急劇縮小、密度升高至約24 g/cm3。由于蜂窩反射層閉合后的高反射性，使中子逃逸率驟降，大量初生中子開始被局限在極小的體積中激發钚239的快速裂變。整個過程發生在數十納秒時間尺度內，在這個過程當中核彈的核心才被真正的觸發。

這個技術在最早的胖子核彈就在使用，不過，也是由于機密的原因，鈹層的設計直至最近幾年才被逐漸的通過相關的論文透露出來。

那么，這么原始的設計和小型化核彈的關聯度在哪里呢？

這里有三點：

第一，真正做過設計的帶有反射層的核心比不帶反射層的裸核心有著更低的臨界質量需求，這就可以讓人們通過優化反射層的設計用更小的核材料消耗量制作一枚可以正常工作的核彈。

第二，傳統結構的核彈例如胖子直徑達到了60英寸（150厘米），而小型核彈的直徑只有11英寸（28厘米）

這是由于反射體的重鍛設計有的時候可以不需要一個完全的球形爆炸環境。僅僅需要在特定形狀下由兩端的高爆炸藥在對稱的位置起爆就可以對核心進行重鍛。

這樣不僅僅簡化了炸藥層的結構，也同時降低了外圍起爆系統的復雜度。

第三，也正因為精確的重鍛反射層的設計，可以有效的降低和調節核彈的輸出功率。

以B-61核彈為例，這是一枚戰術氫彈，其當量可以從三千噸到四萬進行調節，以適應不同的戰術目的。它在原子彈這一級別的功率調節實際上就是依靠兩點式的爆炸的先后次序（納秒級）對反射層重鍛結構的差異實現的。

所以，核武器的真正“神秘”，從來不在于它本身有多玄學，而在于人們不愿意用理性去剖析它的物理基礎。我們今天所看到的核武器的核心悖論，其實正是技術發展過程中“隱藏的邏輯”：如果你一味相信圖紙展示的一切，卻忽略了材料力學、概率論、熱力學的制約條件，就會陷入想象中的迷霧被網上的那些結構示意圖所欺騙。按照W君的觀點來說——作為一個軍迷嘛最好是回歸基本的科學推理，明白钚為何選擇球體、為何要有蜂窩狀反射層、為何需要重鍛而非一次成型，我們才能真正揭開這個時代最危險武器背后的“工程常識”。當然了，這不是為了教大家制造核武器，而是為了破除神話，讓更多人看見：理性比神秘主義是更有力量的。