放射性粉尘令美国探索新的核武器 爆炸能量全靠核裂变

核裂变反应会产生许多放射性物质，包括200多种放射性核素，还有核爆炸过程中产生的中子与大气、土壤、建筑材料中的核素发生核反应形成的中子活化产物等，以及剩余未起反应的核素等。这些放射性元素会发生一系列的衰变，具有较强的放射性，主要为β射线和γ射线，会在反应区域留下长远的放射污染。而核聚变反应是不会产生放射性元素的，因此不会造成长期的放射性污染。

“城堡行动”中“喝彩”核试验引爆的氢弹“小虾”

氢弹“小虾”爆炸的场景

1954年3月1日，美军在马绍尔群岛的比基尼环礁进行的“城堡行动”中进行了代号为“喝彩”的核试验，引爆了一颗氢弹“小虾”，其当量高达1 500万吨TNT，是投放在广岛的原子弹的1 000倍，它是美军进行的历次核试验中当量最大的一个核装置。本次核试验也是美国开展的首次氢弹试验，其中核聚变反应贡献的能量为15%~40%。爆炸几秒种内火球就扩散到7.2千米宽，14.3千米高。1分钟以后，蘑菇云升至距地面14千米的地方，直径达到11千米。10分钟后，蘑菇云就上升到大气层内39 000米高空，直径达到100千米，方圆400千米内都能看见。爆炸后，放射性核尘埃扩散到附近的朗格拉普环礁与乌蒂里克环礁，散布面积达到16 000平方千米。产生的放射性沉降物对试验场及其周围地区造成了严重污染，导致在附近海域作业的上百艘渔船及马绍尔群岛的两万多名原住民发生严重的辐射中毒。比基尼环礁附近的岛屿上甚至下起了“核雪花”，有的地方铺满的“核雪花”甚至达2厘米厚，导致共253人被迫疏散、寻求医疗援助。距爆心116千米的日本渔船“第五福龙丸号”上的23名船员也辐射中毒。

距爆心116千米处的日本渔船“第五福龙丸号”受到严重的放射性污染

为了应对公众对放射性尘降的恐慌，美国政府决定设计一种干净的核弹。这种核弹的威力仍然十分巨大，能够达到数百万吨TNT当量，而释放的能量几乎全部依靠聚变。美国随后进行了多次热核武器试验，探索降低热核武器中的裂变比重的方法。由于以前的大当量热核武器使用了裂变材料（未浓缩的天然铀-238）制成反射层，其裂变作为主要的能量来源，因此，在“干净”的核弹中反射层就不能用可裂变的材料，这种“干净”的核弹为了达到同样的当量就需要非常巨大的体积。在相同的质量下，用裂变材料铀-238做反射层的“脏”的核弹的当量要大于“干净”的核弹。1956年5月28日，美军在比基尼环礁进行的“红翼鸫行动”中，代号Zuni的核试验测试了一枚核弹“低音管”。在这枚核弹中，所有的铀-238都用铅或钨来代替，当量为350万吨TNT，85%的能量都来自聚变，另外15%的能量来自裂变。在公开的核试验结果中，聚变能量提供能量的比例最高的几次是：1956年7月10日，美军“红翼鸫行动”中代号为“纳瓦霍”的核试验，爆炸当量为450万吨TNT，95%的能量都来自核聚变，核装置使用了铅代替铀-238；1958年7月12日，美军“压缩饼干行动”中代号为“白杨”的核试验，爆炸当量为930万吨TNT，95.2%的能量来自核聚变，核装置使用了碳化钨代替铀-238；以及1961年10月30日，苏联引爆的5 800万吨TNT当量的“沙皇”（又称“大伊万”）炸弹，97%的能量来自核聚变，核装置使用了铅代替铀-238。

美军氢弹“小虾”爆炸试验中，距爆心116千米处的日本渔船“第五福龙丸号”受到严重的放射性污染

1956年7月19日，美国原子能委员会主席斯特劳斯说，“干净的”核弹“从人道主义的角度来说...非常重要”。然而，在两天以后，“低音管”核弹的辐射版本在“红翼鸫行动”中的Tewa核试验中引爆。这枚核弹的当量是500万吨TNT，以铀-238作为反射层，其87%的能量来自裂变。这枚核弹的威力被刻意地降低了，以使放射性尘埃降落在一个很小的区域内。从这次试验中取得的数据最终促成了美国历史上威力最大的核武器MK-41的列装，这种核弹有三级，当量2 500万吨TNT，也是美国列装的比威力（当量质量比）最大的核武器，它由空军的轰炸机携带，但是从来没有满当量测试过。