于敏構型與 T-U 構型的區別是什麼？

竇彘肩2022-01-17 03:33:58

氫彈原理

2015-01-18 14:34:08

最新更新：經過和JK JK的討論，我認為于敏的設計，也就是中國早期的氫彈設計，很可能和英國早期設計類似：球狀次級+級間遮蔽（就是我配圖中所謂的“X射線透鏡”），整個彈體內部也許沒有采用泡沫填充，很有可能次級沒有裂變材料作為“火花塞”，後兩者是典型的T-U構型的特點。 所以，基本原理不會有差，都是X射線引發次級推進層燒蝕壓縮聚變材料，但具體結構可能有所區別。

當然，T-U構型及其後續並不是一成不變的，比如美國後期設計的核彈頭W87就很可能採用了球狀次級的設計：

後來更先進的W88則很可能採用了非球狀初級的設計，把次級移到彈體底部，這樣次級可以做的更大，總體積幾乎不變的情況下威力增加了50%。

順便說一下目前某高票答案，首先他用錯了wiki的配圖，這個圖本來是用來說明泡沫等離子壓來壓縮次級的，而不是推送層燒蝕機制。其次W80核彈根本沒有那麼大的當量，實際最高當量只有15萬噸TNT，這是美國人70年代的設計。更晚更先進的W87和W88都有一人高，當量也只有30到45萬噸。當然W87為了裝進圓錐形的用來球狀次級

@JK JK 說兩者毫無區別，我並不同意，並且KKTT關於輻射內爆的解釋我認為也有失實之處。

首先明確我的看法，相信在這一點上大家的想法是類似的：由於裂變初級的輻射能量集中在X射線波段，所有的氫彈必須圍繞X射線輻射內爆來設計，並且就目前來看，重元素推送層燒蝕是唯一的利用X射線的辦法。因此，僅僅從放射產物是無法獲知採用此種原理的氫彈的設計差別的。

還有一個定義在於泰勒烏拉姆結構，如果認為只要採用上述原理就必然歸類為泰勒烏拉姆設計方案的話，那這個問題的確可以終結，的確大家都一樣，但如果把泰勒烏拉姆方案的具體細節拿出來，譬如，球狀初級加圓柱狀次級，並且圓柱狀次級存在梯級壓縮的話，那麼球狀次級的方案理應與此有所區別。

關於KKTT對泰勒烏拉姆構型的解釋：

“在Teller-Ulam原理中，初級產生的X射線迅速充滿輻射通道，形成近似的溫度均勻的黑體輻射空腔，輻射通道中的低原子序數材料被X射線熱化為高溫等離子體，……”

我不認為初級X射線照射泡沫填充層產生的次發X射線是主要的X射線來源，更重要的應當是和初級中重元素包層以及整個核彈的重元素外殼的作用。輕元素材料同X射線的作用截面極小，幾乎完全透明，很難與X射線相互作用。把整個核彈中的X射線均勻化更重要的過程應當是核彈外殼對X射線的漫反射，因為只有原子核夠重，才能增加跟X射線的作用截面。此後，均勻加熱的泡沫等離子體由於達到了極高的溫度，離子平均動能接近X射線的光子動能，此時的確可以起到充分散射X射線，讓整個腔體的X射線輻射均勻化的作用。

關於X射線透鏡：

經過和同學的討論，我也認為X射線透鏡並不是“聚焦”X射線的意思，而是利用X射線的能量實現均勻壓縮的機制，類似初級對於炸藥透鏡的稱呼。但這並不意味著氫彈就一定能簡化為初級+次級的簡單佈置。一個問題是，次級包層的燒蝕，到底是X射線直接產生的，還是來自泡沫等離子體的加熱？如果是後者，那麼初級直接照射到次級的X射線並不重要，可以直接去掉下圖中X射線透鏡的裝置。如果是前者，必須考慮到如何保證均勻燒蝕次級的解決辦法。

在JK JK的資料中，美國人也意識到泰勒烏拉姆結構的柱狀次級是存在梯度壓縮的，（“但是使用圓柱形次級後，次級不同部分實際上是獨立地被壓縮。。。沿軸線精確計算壓力時間曲線，允許差異存在，這是很重要的”）。這樣說明了KKTT解釋中的錯誤：單單靠泡沫等離子體是無法保證腔體內均勻的X射線輻射場的。這種時間差也說明了內壁對X射線的漫反射是更主要的產生燒蝕效果的機制。

所以，我認為為了保證球狀次級的均勻壓縮，要麼設計成非均勻球體，要麼在初級和次級之間增添可以延緩次級近端首先燒蝕的結構，這個結構，我姑且稱為“X射線透鏡”。

先發一張自己猜測的于敏構型的熱核武器結構，看上去有些逗比，但請聽我細細解釋。這份設計基於以下前提（不一定都是事實）：

1。裂變彈（初級）的主要能量以X射線的形式發出；

2。重元素材料的燒蝕是把X射線的能量轉化為熱能/機械能的最有效形式（之一？）；

3。于敏構型的“球柱球”結構，也就是球形初級透過柱狀結構向球狀次級輸送能量：基本的材料都來自於老同志的回憶錄。例如21所的楊吉純同志：

我的1967（下）

：“我心裡咯噔一下：糟糕！

甲球響了，但沒有引爆乙球

，此次氫彈試驗失敗了。”

我的1979（中）

：“ 1967年12月進行的那次氫彈試驗，因為

甲球沒有引爆乙球

，變成了一次小原子彈試驗。這是第一次失敗的試驗。

1972年3月進行的那次氫彈試驗，還是因為

甲球沒有引爆乙球

，又變成了一次小原子彈試驗。這是第二次失敗的試驗。”

以及《神劍》2007年第六期擎起核盾牌的科學鉅子：“鄧稼先、程老……在第一時間馬上奔赴現場。我在212吉普車前面坐，他倆坐後面，一路上就在不停地討論研究“能量輸運”，分析是

透過一個管子向彈體輸送的能量不足

，所以沒爆。 ”

4。存在可以作為X射線透鏡並能在熱核武器中使用的材料。

對於以上幾點的解釋我會慢慢補上。

1。關於X射線透鏡：之所以需要X射線透鏡，源於被設計成球狀的次級。從初級發出的X射線相對次級來說本身是放射狀的，為了讓次級儘量得到均勻的X射線輻射，需要將X射線變成匯聚的形態。但X射線本身非常特殊，光子能量極大，對於大多數材料幾乎可以無損耗的穿透，並且折射率均接近1，但實際上會略小於1（相速度大於真空中光速），所以如果想做成X射線透鏡，透鏡形狀應當接近於凹透鏡（這也是為何示意圖中會畫成這種形狀），但由於折射率非常接近1，我比較懷疑這樣製成的凹透鏡的效果，另一種可能的設計是利用全（外）反射：光從高折射率介質（真空/泡沫塑膠）進入低折射率介質（透鏡材料，例如鋁），入射角較大時發生的全反射現象。只是由於X射線折射率極其接近1，想發生全反射只能利用掠入射，這種設計在錢德拉X射線天文衛星中就使用過：

當然這種設計會損失相當數量的X射線（上圖紅色部分），不過我們並不需要非常高的匯聚角，最終的損失會少一些。

補一張鋁單質的X射線折射率/不透明度和波長的關係：

復折射率=（1-delta）-i*beta，beta即是不透明度，1-delta就是我們通常說的折射率。

關於X射線透鏡的新想法：

昨天和同學討論過後，覺得難點在於如何保證次級的均勻壓縮。上圖的這種設計，如果不能保證次級相對初級的遠端和近端以相同的速度壓縮的話，次級很難充分聚變。我們覺得一個可能的解決方式是借鑑炸藥透鏡的原理：選擇燒蝕速度/燒蝕後反衝速度不同的材料來平衡遠端和近端的時間差。一般來說，重元素的對X射線的不透明度較高，也就是更能吸收X射線的能量，那麼我們可以透過在次級的近端採用更多的輕元素材料解決這個問題：將原本用重元素製成的燒蝕-推送層的一部分置換為輕元素材料，例如鋁材，對應的燒蝕速率降低，從而達到次級均勻壓縮的目的。當然，這可能需要非常複雜的計算，較簡單的辦法也許就是類似原本的設計，直接在兩級直接增加一個輕元素屏障，延緩近端的燒蝕速率。

2。關於初級裂變彈的能量輸出：熱核武器的設計難點在於如何利用裂變彈（初級）的能量用於引發聚變彈（次級）的核聚變。在早期探索過程中，中子壓，輻射壓均被考慮過，對於中子壓，一般認為裂變彈產生的能量中，中子動能只佔比較小的份額，並且中子速度較慢，等到中子作用到次級上，衝擊波可能已經快到次級了，還沒來得及充分壓縮次級達到點火條件，次級已經被吹散開。

我們可以看下單次裂變事件的大致能量分佈：

MeV

Kinetic energy of fission fragments 165 +/- 5

Instantaneous gamma rays 7 +/- 1

Kinetic energy of neutrons 5 +/- 0。5

Beta particles from product decay 7 +/- 1

Gamma rays from product decay 6 +/- 1

Neutrinos from product decay 10

TOTAL 200 +/- 6

裂變是個統計學過程，一般來說重核是二分裂，但分裂產物的質量分佈可能有多種，所以只能給出一個能量範圍（來源：

Introduction to Nuclear Weapon Physics and Design

）。其中大多數能量被裂變產物的動能帶走，但這個能量不好直接利用，很容易在裂變彈內部就被耗散掉，最終結果是將裂變核心加熱到非常高的溫度，大約10^6到10^7K。再就是大量的伽馬射線，穿透力極強，不排除與周圍物質作用能量降低到X射線水平的可能性。中子動能也不算太多，剩下的三項都是裂變產物衰變才有的，爆炸瞬間是幾乎不存在的。注意剛剛提到的溫度範圍，假設此時達到了瞬態的熱平衡，用維恩位移定律可以知道此時電磁輻射的峰值在0。1奈米到1奈米左右，恰好是X射線的波長範圍，

對於裂變初級，有大量的能量是以X射線的形式放出的，比例可能高達80%

。所以，如何充分利用初級的X射線來引爆次級，是熱核武器設計的關鍵。

2017-08-10 10:49:17

請這位朝鮮同學獨立完成作業，不要在網上抄答案。你的老師已經把知乎排名最高的幾個答案都看過了！

其實大家答這題都算是強答。圖一樂。用公開資料推一些表面上的可行方案而已，樓上幾個擔心洩密的，有點太嚴肅。

2015-01-15 12:42:40

沒有區別。

美蘇英中法五國，獨立發現了兩級熱核武器的輻射內爆原理（T-U構型），殊途同歸。

這是因為他們需要解決相同的物理問題————如何有效地大規模實現熱核反應。

下面透過英國熱核武器開發的官方史《Britain and the H-bomb》來看看一個國家開發氫彈的過程————殊途同歸是如何實現的。

通向英國熱核武器之路：起步與摸索階段

總體規劃、決策與組織變動：

1954年4月13日：

由理論物理部主導，奧爾德瑪斯頓內部成立“天體物理學委員會（Astrophysics Committee）”，開始對氫彈問題進行系統地探討：以專家交換意見為主。

1954年7月27日：

英國內閣決定全面展開氫彈研製工作。

1954年11月-1955年1月：

總參謀部同意，“A型熱核炸彈”（大型助爆裂變彈，百萬噸級別）、“B型熱核炸彈”（真正的氫彈）中，B型才是最終開發目標；威廉彭尼（William Penney，AWRE所長，1950-1959）承認現階段應重點開發“A型熱核炸彈”。

1955年3月：

天體物理學委員會討論“A型熱核炸彈”設計，確定其代號為“綠竹（Green bamboo）”，無法確定其設計是否可行，但爭取在1957年進行核試驗；“B型熱核炸彈”——代號為“綠花崗岩（Green Granite）”——的研發優先性確定為低。

1955年末：

奧爾德瑪斯頓對“雙重炸彈/綠花崗岩（Green Granite）”的設計信心有所提高，要求國防部同意在1957年的核試驗計劃中包括綠竹、綠花崗岩、“橘色先鋒（Orange Herald）”。

1956年4月：

庫克牽頭成立武器開發政策委員會（WDPC），統一協調奧爾德瑪斯頓所有的核武器研發工作，取消天體物理學委員會。

對分級結構的探索：

1954年3月：

彭尼致Atomic Energy Authority的信中提到氫彈構型的猜想，其中缺少“分級”的結構。

1955年2月：

天體物理學委員會討論“圓柱形炸彈”：初步體現了“分級”思想。

1955年8月：

彭尼、庫克（副所長）、Keith Roberts和John Ward在彭尼辦公室開會討論氫彈構型，Ward指出“初級”“次級”“級間遮蔽”的思想。

1955年9月：

“湯姆/迪克/哈利”會議，會議上確認英國對初級的一般代號是“Tom”，對次級的一般代號是“Dick”，第三級則是“Harry”。會上由彭尼提出了“雙重炸彈（double bomb）”的構想：由初級的能量來壓縮一枚助爆裂變裝置（次級），最後用兩枚裂變彈的能量來點燃“哈利”（熱核材料）；彭尼甚至認為不需要“哈利”就可以達到百萬噸級別的當量（實質上是一枚雙重裂變彈）。

1955年9月20日：

彭尼筆跡、未署名的一張藍圖上有一個兩級裝置的草圖：輻射內爆+分級結構都齊全，批註：“Looks just about O。K。”。但是在9月28日的天體物理學委員會會議中沒有提到這個構型。

1955年10月：

Keith Roberts在“核心助爆”和“惰層助爆”間徘徊：他仍認為大型熱核武器需要使用“惰層助爆”（十分接近蘇聯“千層餅”構型：氘氚化鋰層放置在HEU彈芯和鈾惰層之間，希望能大大提高當量；這也是“單級炸彈”/綠竹/“A型熱核炸彈”的設計思路）

對美蘇熱核試驗放射性塵埃的分析：

庫克在奧爾德瑪斯頓內部成立了專門研究美蘇核試驗放射性塵埃的“第一委員會（情報）”，他同時還是派往美國方面的蘇聯沉降分析專家組——由貝特（Hans Bethe）牽頭——的聯絡官。但是理論物理部和核物理部都抱怨彭尼沒有把沉降分析結果傳下去，一直鎖在所長的私人保險箱裡。1955年副所長庫克組織了對所長保險箱的“突襲”。

1955年末：

庫克爭取到1954年5月Castle系列核試驗的沉降樣本（美國允許英方收集樣本），送至奧爾德瑪斯頓相關部門。

1956年初：

Castle系列放射性塵埃中發現鈹-7，確認其使用了鋰-6（對蘇聯1953年8月12日Joe-4的分析中也確認了這點）；1956年1月與美國專家討論1955年11月的Joe-18/Joe-19熱核試驗後，確認殘餘鈾233量大於鈾235快中子反應可能產生的量，英方推論為蘇聯設計人員在初級中加入了鈾233來區分兩級鈾部件的不同表現（也就確定了“級間遮蔽”的思路）

1956年8月：

Mike核試驗的沉降樣本送到“第一委員會（情報）”

對“輻射內爆壓縮”的探索：

1954年10月下旬：

天體物理學委員會成員Allen Fraser（輻射流體力學小組）和R。A。 Scriven（理論物理部）計算、比較了流體力學衝擊波和輻射在氘化鋰中的傳導速度，認為輻射比較快。

1955年12月2日：

John Ward在有彭尼、庫克、John Corner（理論物理部主任）參加的進度會議上畫出了“兩級結構”的氫彈構型示意圖，其中包括有“級間遮蔽”的思想；同時Ward也跟Hebert Pike、Keith Roberts指點了“輻射內爆”的概念。

1955年12月底：

Keith Roberts與John Ward聯合署名的一份“TPN（理論物理學筆記）”中考慮了向“哈利”傳輸能量的機制：確定要比流體力學衝擊波快（趕在結構飛散之前點燃更大規模的熱核反應）；Keith Roberts指出使用中子流或輻射進行能量傳導的必要。

1956年1月：

Allen Fraser繼續帶領輻射流體力學小組研究“輻射傳播（radiative diffusion）”的機制。Henry Hulme（所長特別顧問）概括綠花崗岩設計思路的檔案中仍然堅持“湯姆/迪克/哈利”三級結構、不清楚輻射內爆是否應使用中子流、承認在次級壓縮機制上沒有進展、徘徊在“惰層助爆/千層餅”思路與分級思路之間。但是該檔案中強調了對“哈利”中熱核材料進行“預壓縮”的必要。

綠花崗岩方案的成熟期：

Ken Allen在1956年2月14日給出的檔案把“雙重炸彈”轉換成了“初級+次級（熱核材料+火花塞）”，被認為是已知資料中明確指向真正熱核武器的重要檔案。

1956年2月14日：

Ken Allen（核物理部主任）指出美國成功方案是“用原子扳機釋放的能量壓縮包圍在一個裂變核心周圍的氘化鋰6/鈾混合物”，同時指出了以下五點：1，氫彈主要能量來自鋰-6/鈾迴圈；2，不需要實現D-D反應，當然在大當量武器的最後一級中可以實現；3，熱核材料燃燒的效率很高；4，燃燒的高效率來自原子扳機對熱核材料的壓縮；5，綠竹中U-235燃燒的效率將比綠花崗岩中的低5-10倍。

1956年2月底：

John Dolphin（首席工程師）畫出的草圖中仍然標註“中子加熱、壓縮”，同時承認能量傳遞和壓縮的方法仍沒有找到。

1956年3月：

16日彭尼召開會議重新設計三級構型的綠花崗岩，湯姆的細節得到確認，迪克中的材料層數、用量得到確定，哈利需要由Keith Roberts來重新設計。3月底，設計全貌仍然沒有確定，彭尼要求儘快確定方案。

1956年4月初：

綠花崗岩方案的討論稿再次出現變更，使用兩級構型。R。A。 Scriven內部傳閱的圖紙中迪克的結構被大大簡化。

1956年4月26日：

一份“繪圖辦公室草圖（DOSK）”完整地描述了兩級構型的綠花崗岩：湯姆-迪克、輻射內爆、鋰-6/鈾迴圈。這份DOSK跟後來試驗用的花崗岩裝置已經十分接近。

通向英國熱核武器之路：試驗與修正階段（0）

1957年11月的試驗方案：

1，綠竹：

單級球形助爆裂變彈（“惰層助爆/蘇聯千層餅”思路，使用一個氘化鋰與鈾238混合的大型包層）使用高濃縮鈾彈芯（87kg或98kg）。如果產量足夠，將包括氚化鋰粉末；最終還是沒有采納這個建議。採用72鏡內爆系統

2，Mosaic系列核試驗的第二發，代號G2（千噸級裂變裝置，熱核/助爆試驗）

3，橘色先鋒（Orange Herald）：

百萬噸級助爆裂變武器。採用鈾235彈芯（117kg或是125千克），32鏡內爆系統；分為“大橘色先鋒”（39英寸/1米）、“小橘色先鋒”（30英寸/0。76米）兩個型號，差別只存在於高爆炸藥系統上。大橘色先鋒應該就是所謂的“特別組裝件（special assembly）”。

4，綠花崗岩（真正的氫彈）：

扳機是“紅鬍子（Red Beard）”，使用藍色多瑙河的外殼。1956年4月底完成設計。1956年9月初，John Corner提出進一步改動綠花崗岩，縮短湯姆/迪克間的距離，形成“短花崗岩”設計（直徑30英寸/0。76米，2噸）。

如果短花崗岩成功，則不需要試爆綠竹（但是仍要試驗橘色先鋒）。如果綠竹試驗成功，則進行中遠端彈道導彈彈頭的試驗（橘色先鋒）；如果綠竹失敗，則使用“特別組裝件（special assembly）”（“政治彈”）來欺騙世人。

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實踐助爆原理：

1956年5月16日在澳大利亞附近的蒙特貝洛群島進行了Mosaic系列核試驗的第一發（G1），這是英國首次在核試驗中使用熱核材料（氘化鋰-6）。其形式是“惰層助爆”：在鈾235彈芯外部加上了一層氘化鋰-6，其外的惰層是鉛製成的，目的是降低當量。G2計劃使用天然鈾惰層，但是擔心其當量過大，原計劃在太平洋聖誕島附近引爆。

G1的當量只有15kt左右，於是決定繼續在蒙特貝洛群島進行G2（改裝鈾238惰層）的試驗。結果G2的當量為60kt（1984年才公開實際是98kt，大大高於澳大利亞政府同意的上限）。AWRE已經認識到“惰層助爆”意義不大，為了確定這個結論，在6月19日加試了G2（氘化鋰的壓縮程度和溫度均得到提高）。G2的結果很可能直接導致綠竹（“惰層助爆/蘇聯千層餅”思路）的取消，不過最後還是決定製造綠竹並將其運到聖誕島。

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關於“橘色先鋒（Orange Herald）”：

橘色先鋒加入了少量熱核材料，是英國第一枚試驗了外部中子源的核裝置。從定義上來說，它也是英國第一種試驗了“核心助爆”的核裝置，但是事後AWRE計算認為熱核助爆的效果可以忽略不計（僅僅等於被替換掉的裂變材料的當量），所以才有了“純裂變武器”的說法。

橘色先鋒也是有一定的軍事價值的，因為它屬於“輕重量百萬噸核彈頭”；雖然大量使用了昂貴的裂變材料，但是透過改進內爆系統減輕了總體重量，使得其可以被用在當時英國計劃開發的多種武器系統上。在綠竹重量太大、綠花崗岩體積太大、兩者能否成功不能確定的情況下，試爆橘色先鋒成為必然。當然其“政治彈”的作用也很大。

通向英國熱核武器之路：試驗與修正階段（1）

實踐英國版T-U構型：次級殼層與瑞利-泰勒不穩定性

Grapple系列核試驗：

1957年5月15日：短花崗岩試爆。當量為300kt，彭尼總結時確認已經驗證了“radiative implosion”。

1957年5月31日：橘色先鋒試爆。當量為720kt。

1957年6月19日：紫花崗岩試爆。當量為150kt。

短花崗岩的意義最小是“氫彈原理試驗”，最大是“第一枚英國真正熱核裝置的試驗”；由於當量很小，常被認為是失敗的。確實如此。但是其大部分能量都來自於次級（不一定都來自於聚變能），成功證明英國已經獨立發現了T-U構型。

從1956年9月到1957年2月初，短花崗岩的次級（“迪克”）一直沒有確定下來。1956年12月底Keith Roberts還寫了報告，推出新次級設計，要增加迪克的層數。1957年2月初的新計算結果又促使Keith Roberts進一步要求改動迪克的層數。最終結果是短花崗岩的次級有14層不同的材料，厚度從0。034英寸（0。86毫米）到0。971英寸（2。46釐米）不等，其中氘化鋰殼層最難製造。（殼層材料還包括鉛）

理論與計算結果在試驗之前已經預示瞭如此複雜的殼層結構將帶來低效能：1957年9月的Antler系列核試驗就有計劃包括專門用來診斷花崗岩型“雙重炸彈”的裝置。它們將包括兩級結構，但是次級將不包含熱核材料，目的是診斷到底是輻射內爆壓縮失敗，還是次級殼層的瑞利-泰勒不穩定性導致當量過低。

彭尼指出“一個愚蠢的錯誤”將當量減小了100kt。

同時，也有懷疑短花崗岩減小了扳機到次級的距離，可能也導致失敗；這就是仍然保留原始綠花崗岩裝置的原因。隨著對短花崗岩試爆結果的進一步判讀，AWRE決定，湯姆/迪克間距不是問題所在，短級間結構仍可以實現輻射內爆，於是放棄了綠花崗岩裝置。

5月的第一個改進版本是“藍花崗岩（Blue Granite）”，將原來的改進型紅鬍子扳機換成“靛藍之錘（Indigo Hammer）”：紅鬍子是全鈽裂變彈，用在花崗岩中做扳機的是複合彈芯，而靛藍之錘是全鈽扳機。不過藍花崗岩沒有被最終採納。

使用的是“紫花崗岩（Purple Granite）”：初級沒變，改動了次級。使用了更多的鈾235，又將外部殼層改成了鋁製的。

結果是紫花崗岩的當量比原始版本更加低。這證明了AWRE對次級的理解不足。

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實踐英國版T-U構型：簡化次級

1957年6月底7月初，庫克指出要大大降低次級的複雜程度，但是其他部件基本不變。他堅持花崗岩型“雙重炸彈”路線是正確的，下一步將是確定循序漸進的核試驗計劃，逐步確定問題所在。John Corner帶領的理論物理部認為關鍵是提高壓縮程度，同時降低次級殼層反應時的瑞利-泰勒不穩定性。

7月15日，庫克在WDPC會議上強調，下一次花崗岩型“雙重炸彈”核試驗的目標是1百萬噸當量，但是提高認識比實現當量目標更重要。同期，首相麥克馬蘭批准“風車”核試驗系列（後來改名為Grapple X）

Grapple X的目標有3個：1，降低花崗岩型氫彈的裂變材料用量和總重量；2，爭取突破1-5百萬噸當量；3，研製“免疫”核彈頭（中子突防能力）

1957年8月初，Grapple X的試驗順序基本確定：

Round A（改進型紅鬍子扳機/複合彈芯，當量提高到45kt左右，仍然使用內部中子源，首次使用了鈹惰層；次級只有3個殼層，提高了鈾235的用量，增加了唯一一層氘化鋰的厚度，提高輻射外殼的厚度）

Round B（次級有5個殼層，其他與Round A相同）

Round C（用惰性材料替換掉氘化鋰，其他與Round A相同，診斷型核裝置）

Round D（扳機，診斷型核裝置）

試驗順序：

如果Round A成功（快中子產量足夠大）：接著試爆Round B（進一步提高當量，如果新到的IBM 704能及時完成對5殼層的計算）

如果Round A失敗（快中子產量不夠大，當量低於200kt）：接著試爆Round C（診斷是否是次級的鈾235殼層出了問題）如果Round C失敗（次級鈾235殼層的當量太小）：試爆Round D（診斷是否為扳機當量出了問題）

如果Round A失敗，接著試爆Round C卻成功（次級鈾235殼層壓出了足夠的當量）：證明花崗岩型“雙重炸彈”的思路是錯誤的

計算機的作用：

1957年夏，奧爾德瑪斯頓接到了高效能的IBM 704計算機，將蒙特卡羅模擬以及內爆模擬的計算時間縮短了20倍。IBM 704運用到Grapple X裝置的計算後，發現可能達到25倍的壓縮。IBM 704用於5殼層的計算，預計用時4周；而3殼層的計算則執行在較慢的Ferranti Mark I上，預計耗時5周。

1957年8月下旬，Hebert Pike指出Round A（3殼層）的計算無法順利完成，必須轉移至較快的IBM 704上進行，同時IBM 704上的Round B（5殼層）將無法完成計算。9月9日的WDPC會議上決定取消Round B（5殼層）的試驗。

美國“乾淨氫彈”的訊息：

早在1956年夏，美國官員公開宣佈當時的Redwing系列核試驗中實現了“乾淨氫彈”的突破。而《紐約時報》1956年7月底的文章又透露說這是大大降低了次級裂變比例的結果（從“裂變-聚變-裂變反應”升級成“裂變-聚變反應”）。

這使得AWRE對鋰-6/鈾迴圈的意義進行了再思考；而短花崗岩和紫花崗岩的相繼失敗導致了奧爾德瑪斯頓不得不採用其他的熱核反應。

Grapple X系列核試驗：

1957年11月8日：Round A試爆（原定扳機在運輸途中出現損傷，在聖誕島上改裝上了Round C的扳機），當量1。8 Mt

由於Round A大獲成功（但當量高於預期的1Mt），Round C取消。Grapple X核試驗結束。

1957年11月10日，庫克攜帶早期資料飛往華盛頓參與對美談判，途中經停夏威夷時飛行員迷失方向，靠一個發動機節省燃料，勉強降落在檀香山西南100英里的一個小跑道上，後來經美方飛機接應才到達夏威夷。英國險些損失第一次成功氫彈試驗的第一手資料和副所長庫克。

1958年初，Keith Roberts與Bryan Taylor完成兩篇“論熱核炸彈效率”的論文，其中的第二篇使用了Round A的資料，兩篇論文大大推進了AWRE對氫彈物理過程的認識。兩人的論文可能跟計算助爆對當量的貢獻、計算聚變當量有關係。

通向英國熱核武器之路：試驗與修正階段（2）

實踐英國版T-U構型：使用鋰-7、降低火花塞U235用量

Ken Allen（核物理部主任）在1957年中旬（很可能是Grapple系列核試驗前後）提出了使用鋰-7的方案；當時庫克為了保證Grapple X的成功，保守療法，沒有采用Allen的建議。

在1957年9月的WDPC會議上，對Grapple X之後的熱核試驗方向有3個建議：

1，次級殼層厚度的最佳化（太厚影響聚變快中子的傳輸，太薄則導致瑞利-泰勒不穩定性）

2，輻射內爆壓縮的最佳化（大部分與Round A相同）

3，非殼層結構的探索（取消殼層，改用鈾235、鈾238、氘化鋰微粒的混合物）

因時間太緊，運算能力不足，確定仍然要使用殼層結構。新方向如下：

1，5殼層次級結構的再嘗試（重新計算Round B），10月中旬發現計算能力短缺，無法在1958年2月前完成，取消

2，3殼層圓柱形次級，增加氘化鋰用量，使用鋰-7（Ken Allen的方案）

3，3殼層球形次級，增加氘化鋰用量，使用鋰-7（Ken Allen的方案），最終採用的方案（增加輻射外殼厚度，進一步縮短扳機與次級間的距離）

在Grapple X試爆之前，奧爾德瑪斯頓就在討論“延遲臨界”的問題，重點是次級火花塞的作用：所用鈾235如果過早臨界，則次級熱核材料的壓縮程度不夠高，熱核反應的比例低，效率不高。

在Grapple X大獲成功後，Ken Allen就質問過這到底是“雙重裂變彈”（用輻射內爆來壓縮另一枚裂變彈，同時次級用上了惰層助爆），還是“真正的氫彈”（用輻射內爆來實現熱核燃料的高效燃燒）。

1957年10月末的WDPC會議上，庫克指出初級的設計已經基本完成，即使不使用助爆也可以有50kt左右的當量；同時他又強調當量提高不是主要目標，提高輕核反應的比例才是重點，所以要增多診斷裝置的佈設。如果能降低鈾238快中子裂變當量的比例，就更好了。

1957年12月，Grapple Y次級的設計仍然在進行中，庫克現在擔心減少次級火花塞的鈾235用量可能會導致試驗失敗，John Corner認為沒有問題。Grapple Y的試爆日期從1958年2月推遲到3月，然後到4月。

Grapple Y中使用的科學儀器數量大增，主要目標是確定武器引爆早期的伽馬射線輸出。之前的核試驗都是用堪培拉轟炸機來進行穿雲取樣，收集放射性樣本；Grapple Y裝置的當量大，所以爆高也要高，不確定堪培拉轟炸機能在一萬九千米的高度成功取樣。原計劃是使用加裝火箭助推器的堪培拉轟炸機：在起爆後1小時於15000米高度先用常規型堪培拉轟炸機取樣，兩小時後再用加裝火箭助推器的堪培拉轟炸機在18000米高度取樣。後來其他基地的一架火箭助推版堪培拉出現事故，於是決定取消飛行，使用常規型在低高度取樣。

1958年4月28日：Grapple Y裝置試爆，當量3Mt，為英國當量最大的核試驗裝置。

Grapple Y的成功表明，英國從“雙重裂變彈”到T-U構型的轉換已經完成，次級中火花塞裂變當量的比例已經降低（次級裂變材料的用量降低，但可裂變材料——鈾238——的用量增多；總當量中快中子的貢獻增大），熱核材料燃燒的效率與貢獻都有大幅提高；對鋰-6濃縮度較低（鋰-7含量大）的熱核材料的運用也得到了突破。因為有足夠的（武器設計）資料，我們可以說直到1958年4月28日的Grapple Y裝置，英國才完整地掌握了T-U構型（但是從定義上說，英國在1957年5月15日的短花崗岩裝置就已經實現了“兩級結構”與“輻射內爆”。）。當然，其他國家是何時才實現從“雙重裂變彈”到T-U構型的轉換，可能資料還不夠齊全；所以比較“真正的氫彈”試驗日期，還是相當不清晰的。

英國下一步核試驗的目標就是突破“一噸重百萬噸級”免疫核彈頭。

通向英國熱核武器之路：試驗與修正階段（3）

“免疫”/中子突防：

1957年10月，庫克在論述百萬噸當量氫彈研發的檔案中指出突破一種“一噸重百萬噸級”（比威力達到1千噸/千克），同時對中子流“免疫”的核彈頭。在1956年上旬，Keith Roberts與Bryan Taylor回顧了四十年代霍爾斯特德堡（Fort Halstead，代號“HER/高爆研究”，AWRE的前身）對輻射效應的研究，發現了防禦性核彈頭能引發“過早點火”的問題。英國早期的鈽彈頭特別容易出現這種問題：當量可能大減，甚至出現無法核爆炸的現象。

奧爾德瑪斯頓的計算能力逐步向這個“R-1效應”的研究方向轉移，構型設計方面的解決方法是使用助爆。John Corner認為輕重量助爆扳機可以在短時間內突破，庫克則認為必須要“兩級扳機”：先用一枚裂變彈來壓縮第二枚裂變彈，再去點燃熱核材料；總共有3個級。決定在Grapple Z系列核試驗中包括這種“三級彈”（兩級裂變“免疫”扳機、一級熱核燃料），同時改進高爆炸藥（希望能取消炸藥透鏡）、使用外部中子源（已在橘色先鋒中試驗過）。

1957年12月，WDPC會議上庫克要求的四個發展方向為：

1，最佳化熱核反應

2，核彈頭減重

3，免疫扳機

4，多點爆轟系統或無透鏡爆轟系統

核試驗的計劃：

自1957年底，奧爾德瑪斯頓就開始討論Grapple Z的試驗順序問題，一直持續到1958年7月底，試爆計劃才基本定型：

第一發：

垂飾（Pendant，設計的名稱？）/三角旗（Pennant，試驗的名稱）——固體助爆扳機，使用氘氚化鋰，外部中子源

第二發：

旗杆（Flagpole）——氫彈，縮小版Grapple Y裝置；使用非助爆全鈽扳機“靛藍之錘（Indigo Hammer，1957年9月26日Antler試驗系列第二發試爆，6kt，181千克重）”

第三發：

燕尾旗（Burgee）——氣體助爆扳機，使用氚，外部中子源

第四發：

旗索（Halliard）——“三級彈”（三個版本：1，厚輻射外殼三級彈、2，兩級氫彈、3，薄輻射外殼三級彈）

詳細方案：

1，如果兩種助爆扳機中有一個的當量超過14kt，且旗杆（Flagpole）型氫彈試爆成功，則取消旗索（Halliard）三級彈。

2，如果兩種助爆扳機中當量較大的也只有“中等當量”，則加試爆兩級氫彈版的旗索

3，如果兩種助爆扳機的當量都很低，則加試爆厚輻射外殼三級彈版的旗索

4，如果兩種助爆扳機和旗杆（Flagpole）都成功，則加試爆薄輻射外殼三級彈版的旗索

如果旗杆（Flagpole）成功，則可以把它的初級改成助爆扳機，實現“一噸重百萬噸級”免疫熱核彈頭；三級彈版的旗索採用了“兩級扳機”，目的是保證助爆扳機失敗後仍然有免疫彈頭；薄輻射外殼三級彈版的旗索是臨近7月才設計出來的新構型，為的是減輕三級彈的重量。

實踐助爆原理：從固體到氣體

1956年10月21日：試爆Buffalo系列核試驗的Round 4裝置（紅鬍子裂變彈，首次使用氘氚化鋰）當量10kt（8kt？）

英國於1956年中期首次生產出了幾克氚，為了試驗助爆原理，決定在裂變彈核試驗中使用“一、兩克”氚。但是紅鬍子使用的是內部中子源，在彈芯中使用氘氚化鋰反而將當量大大減低了（Round 4的結果）。

1957年AWRE仍不願意為氚助爆專門設計核武器，導致較大量使用氚的效果很差。直到1957年9月，庫克對固體助爆和氣體助爆都沒有信心。

氣體助爆扳機燕尾旗（Burgee）的設計在1958年6月成型，氚氣體的強反應性，高壓條件下氚氣體的控制，氚與鈽的反應問題，都讓AWRE很頭疼。隨著氣體產生器Daffodil的研製成功，問題又轉移到安全性方面：如果燕尾旗沒有爆炸，注入的氚氣體卻還在彈芯裡，應該如何處理？把裝置從氣球上降下來至少要2小時。最後AWRE研製了相應的自毀裝置。

Grapple Z系列核試驗：

1958年8月22日：試爆固體助爆扳機Pendant，當量24kt

<1958年8月31日：美方要求試爆厚輻射外殼三級彈版的旗索（Halliard）>

1958年9月2日：試爆旗杆，當量1-1。21Mt

1958年9月11日：試爆厚輻射外殼三級彈版的旗索，當量0。8Mt

1958年9月23日：試爆氣體助爆扳機燕尾旗，當量25kt（28分鐘倒計時Daffodil啟動，開始產生氣體；兩分鐘之內達到指定壓力）英國最後一次大氣層核試驗/最後一次獨立核試驗完成

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Grapple Z系列核試驗成功之後，英國掌握了“一噸重百萬噸級”免疫熱核彈頭、固體助爆扳機、氣體助爆扳機的技術。設計時奧爾德瑪斯頓對扳機當量的要求是15kt，而且Grapple Z系列試驗的扳機都是“DP”裂變彈頭，“DP”目前猜測是“dirty plutonium”的代號，意思是全鈽扳機使用了鈽240比例較高的裂變材料。

在1957年8月Grapple X試驗裝置的設計探討時，AWRE討論了透過取消級間填充材料來減輕氫彈重量的方法：直接用空氣阱（air gap）來向次級輸送能量。這個方案在Grapple Z系列中成功試爆。就美國方面對“厚輻射外殼三級彈”感興趣這點來看，可能是其取消了填充材料；當然考慮到“三級彈”本身就是新構型，英方也可能是在兩級氫彈旗杆上試驗了空氣阱傳能。

1958年8月：“大團圓”（Nuclear reunion）：

當英國談判小組啟程前往美國參加1958年8月27日開始的談判時，他們的目標是儘可能地獲取武器設計資訊，特別是500-700lb（226-317kg）重量的百萬噸當量彈頭（實際上500-600bl百萬噸當量彈頭當時美國也沒有掌握）、戰術用途輕重量千噸級核武器、核武器安全相關技術的資訊。

第一天：美方簡要描述了3種百萬噸級武器、4種千噸級武器的設計，解釋了它們的用途；彭尼等人判定這些百萬噸級武器並沒有把英國人的理解拓展多少：預計在Grapple Z系列核試驗成功之後可以掌握。但是在千噸級武器方面，美國人對裂變材料的使用效率較高。

第二天：雙方在檔案的基礎上口頭彙報核武器發展的現狀，英方介紹了正在開發中的幾種千噸級武器，還有“一噸重百萬噸級”免疫熱核彈頭。“以個人的方式，”英國小組瞭解到了9種美國核武器的情況，包括3種百萬噸級武器。英方交換的武器資訊有“綠草（Green Grass，“過渡武器”當量500kt，結合了綠竹的72鏡內爆系統與橘色先鋒的裂變彈芯，70–86kgHEU，外部中子源）”、旗杆、兩種助爆扳機（美方對氣體助爆扳機很感興趣）。

1958年8月31日：美方要求試爆厚輻射外殼三級彈版的旗索（Halliard），交換條件是向英國提供輕重量百萬噸彈頭的設計。

美國原子能委員會的報告總結8月會談稱：

1，向英方介紹了Mark7、Mark15/39、Mark19、Mark25、Mark27、Mark28、Mark31、Mark33、Mark34的當量、尺寸、重量、特別核材料、核武器安全措施、機電設計、易損性

2，英方介紹的武器設計中，有兩種相當先進的［未公開內容，估計是“助爆”］小型裂變裝置，一個已經試驗，另一個即將試爆。

3，英方在裂變與熱核領域的武器研發都已達到較先進的狀態，某些領域的突破對我們也有很大幫助。但是，英方沒有理解由其反應堆中燃耗較深的鈾所產生的鈽可以用在武器中。掌握這個知識對英方民用核電站計劃有深遠的影響。而且，他們並沒有在武器一點安全方面投入什麼研發資源。。。

9月17-19日，雙方在桑迪亞實驗室展開第二次交流。英方很欣賞Mark28的工程成就（加工生產設計用了2年時間）；Mark47則被認為很“粗糙”，雖然其試驗當量有400kt；美方千噸級武器的資訊節省了英國一年的核試驗，；美國有一個幾乎跟“燕尾旗”氣體助爆扳機一模一樣的裝置將在幾天後進行核試驗。英國考慮過很多美方的構想（如圓柱形內爆、兩點起爆系統等），但因為沒有足夠的運算與加工能力，無果而終。美國氫彈的輻射外殼重量較輕，但是其內爆壓縮程度較英國的高。美方的優勢在於高度最佳化某一個設計，挖掘最大潛力。

關於球形次級：

庫克發現美國氫彈用的是圓柱形次級，美方的解釋是圓柱形次級比較便於計算。這讓英方很吃驚。1956年下半年奧爾德瑪斯頓討論綠花崗岩的次級設計時，關於球形次級的思路確定很快，因為都認為圓柱形次級需要等到IBM 704到位（1957年年中）後才能開始計算。英國科學家認為雖然球形次級有缺陷，但為了節省運輸能力，省去複雜的內爆計算，確定採用這個構型。1957年9月WDPC又討論過圓柱形次級的構想，不到一個月又因為運算能力不足而取消。

Keith Roberts總結稱：“美國雙重炸彈跟我們的一樣——湯姆->輻射內爆->迪克。但是他們的初級是免疫的，跟我們的不同，而他們的次級是圓柱形，不是球形。。。我們一直認為使用球形次級時，次級外表面時間/壓力的微小差異是不重要的，也就沒有嘗試過去改進這點。但是使用圓柱形次級後，次級不同部分實際上是獨立地被壓縮。。。沿軸線精確計算壓力時間曲線，允許差異存在，這是很重要的。”

愛德華泰勒認為採用圓柱形是很自然的選擇：給定尺寸內，圓柱形可以裝下更多的熱核材料。泰勒還說利弗莫爾的Tuba設計就是使用了球形次級，跟英國的設計很相似。