被骗了！核弹“钚心”的结构不是大家想象的样子，小型化的关键！

那啥，今天的文章尽量不违反《核不扩散条约》，咱们就来捋清思路说一个悖论。

目的也是一个很简单的目的，就为了说明一件事——理性思考可以让大家打破迷雾，即便是层层保密的核武器技术也是一样。

首先说个骗局就是现在大家看到的原子弹的结构都是骗人的“示意图”。

对于核武器的核心大家是怎么想的？很多军迷会立刻拿出这张照片：

没错，这就是最早出现在公众视野中的核弹核心部件——恶魔核心。很多人就是以这个核心为蓝本来理解内爆式核武器的。

但……这里有一个悖论。

先说恶魔核心，这个结构是一个完整的钚核，而且并不干净。它在生产的过程中也就是按照理论来说，铀238在反应堆内捕获1个中子经过一系列的嬗变可以生成钚239。但是核反应堆内的中子是不可控的，在生成钚239是一个铀238捕获了一个中子，但如果一个铀238原子捕获了两个中子呢？就生成了钚240。

钚240很容易自发裂变释放出中子（每分钟每克钚240中有440个钚240原子裂变，每秒产生920个中子），这些中子会被钚239所俘获产生下一步的裂变反应。久而久之钚弹就会失效，这也是为什么早期核武器是有存放寿命的依据了。到了现代核武器中，武器级的钚是要限制钚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级钚，这样一枚钚为核心的核弹才有更长的储备时间。当然了，这是一个题外话，早期原子弹中的钚240本身就可以成为原子弹的中子源，也正因为这个特性才引发了恶魔核心的一系列事故。

照片中中间的这二位就在钚核心发生超临界事故的时候患上了急性辐射病死掉了。

事故的原因就在于他们在仅差5%的超临界状态的钚核心外堆放了碳化钨金属块，碳化钨是一种具有中子反射性材料它可以把中子反射回去，如果一个核心所发出的中子大部分被反射即便是它没有达到临界质量也会产生链式反应，正所谓质量不足概率来凑。

好了，到现在基本的背景信息大家都了解了，咱们可以来讲临界质量了，在这一个环节你能明白一个基本的道理就是原子弹的核心为什么会做成球形。但同时这个问题也会给你带来更大的疑问。

“临界质量”——指维持核子链反应所需的裂变材料质量。简单的说当一枚钚239元子捕获了一枚中子后会立刻裂变，释放出2-3个中子并释放出能量。这释放出来的2-3个中子继续被其他钚239原子所捕获，这些钚239原子依然会维持分裂、释放中子、放出能量的过程。

但这其中的问题是原子和原子之间的距离要远比中子大，如果一个原子是一个足球场大小，那么原子核大约是足球场中的一个沙粒大小，当一枚原子裂变后，依然要在另一个“足球场”内命中另一枚沙子。这枚中子在进入一个“足球场”后如果没有命中这个足球场内仅存的“沙子”，就会穿过这个足球场后进入另一个“足球场”。当这枚中子路径上有足够多的“足球场”，按照概率来说就一定可以命中一枚沙子。那么在中子路径上有多少“足球场”就成了一个统计学概率问题了，换算出来就是“质量”。质量嘛就是物质的量。

而通过这次统计概率计算出的质量就是临界质量。钚239的临界质量是10公斤。但是如果给你10公斤的钚239你就可以促成链式了吗？当然是不可能的。例如给你10公斤甚至20公斤的钚239，但这是一根长度为细丝例如长度641米，直径1毫米的钚-239丝（恰好10公斤）。这根丝即便是达到了临界质量也不会产生链式反应，拉直后只会比环境温度略高个0.1-0.5摄氏度安静的存在。

原因是当钚239分裂后射出的中子后，中子在细丝的长度方向上可以有概率碰触到另一个钚239原子核，而在其他方向上中子在没碰到任何一个钚原子核前就已经离开了这根丝——中子逸出。

正因为中子的射出方向是随机的，为了保证随机射出的中子在各个方向上都有概率命中另一个钚原子核，那么球形无疑是最好的解决方案了。

所以，在达到临界质量的钚239核心需要做成一个直径9.9厘米的球体才能保证在内部产生裂变的中子能碰触到其他的钚原子核产生持续的链式反应。

但是到这里，大家得注意一点，直径9.9厘米并不是说分裂出的中子要经过9.9厘米才可能碰到另一个钚原子核。真实的情况是在一个默认密度的钚金属块内部，如果有一个钚239原子分裂出中子，这枚中子只需要在钚金属内行进1.1厘米的距离就可以碰上另一枚钚239的原子。

之所以是9.9厘米的直径，还是概率学在起作用，为的是球体边缘的分裂的钚239原子所释放出的中子也有一定概率击中其他钚原子核。

但这里就有个问题了！直径9.9厘米的钚239的重量是多少？

常温下钚的重量为19.86克/厘米³，直径9.9厘米的钚核心重量达到了10.1公斤。这已经达到了临界值超过了临界质量了。不过通过计算的公式是100%的纯钚239而不是核弹核心中的钚。通常在二战胖子的设计中钚239的丰度只有90%。

有杂质就大大降低了中子撞击到正确的钚239原子的概率。其实，丰度在90%的钚核心的临界质量被扩大到了13.5公斤。只有达到这种级别的“物质的量”等级上才有可能达到链式反应的基本条件。

那么，胖子这类的核弹只有10公斤重的核心是如何达成的链式反应呢？主角并不是钚，而是恶魔核心事故的另一个成员——中子反射材料。恶魔核心事故的原因是碳化钨块，而在核弹中的高效材料是铍。

刚刚我们讨论了“临界值”和“中子逸出”

有一些材料，例如“铍”本身是有中子反射性的。当中子射入铍金属的时候，会有一定概率被“反射”回去。

这是因为铍有着极低的中子吸收截面约为0.0076 barn（靶恩），靶恩是一个粒子物理学中常用的面积单位，约为10⁻²⁸m²，大约是一个铀原子核的截面积。0.0076 barn意味着一颗铍原子对中子的吸收率约为铀原子的千分之7.6。但是铍原子的质量又为9，是一种极其轻的原子，同时又具有六方晶系的晶格结构。这就导致对质量接近于1的中子有了极高的散射率。集中在铍原子上的中子很容易被铍散射，连续的散射在宏观上会导致一部分中子原路返回，也就是铍的“中子反射性”。

因此在工程上铍是很有意思的东西，薄片的铍经常会用作中子透射窗口的材料。

而达到一定厚度的特定形状的铍又被做成了中子反射材料。所以我们在很多的核弹设计中都会看到铍（beryllium）反射层的存在。

正是这层铍反射层的存在，减少了在链式反应的初期核弹内部中子的逸出，让小质量的核心具有达到超临界状态的可能性。

只不过这里有个悖论。也是现代各种核武器模型宣传过程中所刻意具略掉的一点。

即便是在各种公开场合所展示的核弹切面模型，也并不会把这个铍反射层给更清楚的展现出来。

这些东西其实只是“示意”图，告诉大家有这么一个层存在，但不会告诉大家这层到底是什么样子。

悖论就在此，如果铍层是一个封闭的球体有足够能力反射中子的能力，即便是武器级的钚所做成的原子弹核心其实也会很快由于内部中子的产生导致核弹失效。甚至会造成核弹自身的稳定性下降的风险。

那么应该怎么做？实际上还是概率问题，通过在铍反射层上做精确计算的开口，让核弹内部产生的中子有概率逃出铍反射层，这样钚在自发衰变的过程中产生的中子就不会对钚核心造成过大影响，同时也可以有效的保证核弹本身对稳定性。

通常，现代核弹也就做成了这样的四层结构，内部的钚核心，外部则是蜂窝状的铍反射层。再外层则是一层高中子吸收率的铝层，最外则是铀238的增值层。

那么问题来了，在核爆炸的过程中，这些满是洞洞的铍反射层是不是就不会起到反射中子降低临界值的作用呢？

这里就有爆炸过程中的重锻过程了。通常在核弹核心外部包裹有烈性炸药，在爆炸的过程中这个核心表面的压力可以达到200GPa。

在这个压力下在爆轰波从外层炸药同时、对称包围钚核心的瞬间，球形结构承受超过200GPa的冲击压力，蜂窝状铍中子反射层因结构设计方向垂直于球面，在冲击压力作用下迅速塌缩，蜂巢窗口闭合，形成高致密连续反射壳层。此时钚核心内部开始剧烈压缩，晶体结构发生相变，由常温稳定但较松散的α相（密度约19.8 g/cm³）转变为高压下的δ相，其体积急剧缩小、密度升高至约24 g/cm³。由于蜂窝反射层闭合后的高反射性，使中子逃逸率骤降，大量初生中子开始被局限在极小的体积中激发钚239的快速裂变。整个过程发生在数十纳秒时间尺度内，在这个过程当中核弹的核心才被真正的触发。

这个技术在最早的胖子核弹就在使用，不过，也是由于机密的原因，铍层的设计直至最近几年才被逐渐的通过相关的论文透露出来。

那么，这么原始的设计和小型化核弹的关联度在哪里呢？

这里有三点：

第一，真正做过设计的带有反射层的核心比不带反射层的裸核心有着更低的临界质量需求，这就可以让人们通过优化反射层的设计用更小的核材料消耗量制作一枚可以正常工作的核弹。

第二，传统结构的核弹例如胖子直径达到了60英寸（150厘米），而小型核弹的直径只有11英寸（28厘米）

这是由于反射体的重锻设计有的时候可以不需要一个完全的球形爆炸环境。仅仅需要在特定形状下由两端的高爆炸药在对称的位置起爆就可以对核心进行重锻。

这样不仅仅简化了炸药层的结构，也同时降低了外围起爆系统的复杂度。

第三，也正因为精确的重锻反射层的设计，可以有效的降低和调节核弹的输出功率。

以B-61核弹为例，这是一枚战术氢弹，其当量可以从三千吨到四万进行调节，以适应不同的战术目的。它在原子弹这一级别的功率调节实际上就是依靠两点式的爆炸的先后次序（纳秒级）对反射层重锻结构的差异实现的。

所以，核武器的真正“神秘”，从来不在于它本身有多玄学，而在于人们不愿意用理性去剖析它的物理基础。我们今天所看到的核武器的核心悖论，其实正是技术发展过程中“隐藏的逻辑”：如果你一味相信图纸展示的一切，却忽略了材料力学、概率论、热力学的制约条件，就会陷入想象中的迷雾被网上的那些结构示意图所欺骗。按照W君的观点来说——作为一个军迷嘛最好是回归基本的科学推理，明白钚为何选择球体、为何要有蜂窝状反射层、为何需要重锻而非一次成型，我们才能真正揭开这个时代最危险武器背后的“工程常识”。当然了，这不是为了教大家制造核武器，而是为了破除神话，让更多人看见：理性比神秘主义是更有力量的。