氫化鈾彈

氫化鈾彈是羅伯特·歐本海默於1939年首次提出，並由愛德華·泰勒倡導和測試的一種原子彈變體設計。它使用氫的同位素氘作為中子減速劑，置於氘化鈾陶瓷壓塊中。與所有其他類型的核分裂炸彈不同，此概念依賴於慢核分裂的連鎖反應（見中子溫度）。誠如羅伯·瑟伯在其1992年對初版《洛斯阿拉莫斯入門》的擴充內容中所述，中子的減速會延遲反應，從而損害了炸彈的效率。

在公開文獻中，「氫化物」一詞用於此類武器時常引發誤解。雖然「氫化物」可能意味著使用天然氫（主要為¹H），但炸彈的核芯僅使用氘（²H）。同樣地，「氫彈」也使用氘，偶爾會使用氚。

已知有兩枚氘化鈾彈進行過測試，即1953年「結果-節孔行動」期間的「露絲」（Ruth）和「雷」（Ray）試爆。兩次測試的爆炸當量均約等於200噸TNT，並被視為不完全核爆。所有其他的核武計畫在其武器設計中都依賴快中子。

理論

在曼哈頓計畫的早期階段，即1943年，氘化鈾曾被作為一種有前景的炸彈材料進行研究；但到了1944年初，由於發現此種設計效率低下，該研究便被放棄。從這項早期研究中產生的「自催化」設計是「埃爾默」（Elmer），即已停產的徑向內爆馬克2號武器。它使用塗有石蠟（以降低UD₃，亦即UH₃的自燃性）的氘化鈾顆粒，以及均勻分佈在固體核心中的碳化硼-10（BC）蠟。當時設想了一種鉛與BC的複合材料中子反射層，其中一個版本含有約10.5公斤的活性材料（即UD₃），另一個版本則採用BeO中子反射層，含有8.45公斤的活性材料。

氘化鈾（UD₃）或氘化鈽（PuD₃）中的氘會減速（使...慢化）中子，從而增加中子吸收的核截面。其結果應是降低所需的臨界質量，減少所需鈾或鈽的量。同時，由於氘的減速效應，壓縮要求（至少在理論上）有所放寬，這將允許在核心中裝入更多可裂變材料，並可採用徑向內爆組件，這種組件比為MK 3設計的要簡單和緊湊得多。實際上，結果是較慢的中子過度延遲了反應時間，減少了所能完成的核分裂代數；特別是當核心膨脹到達其「掃雪區」（snowplow region，此時所有核反應停止）時，更多的中子會從核心的紊流表面逸出，而此時尚未能產生足夠的能量（以供軍事應用）。總而言之，中子減速在慣性局限失效前，就已急劇降低了武器的效率。人們意識到結果將是不完全核爆，而非全面引爆。如果核心按最初預期運作，預計當量約為1千噸；對「氫化物」炸彈性能的首次粗略估計出現在1944年，詹姆斯·科南特當時預測從約9公斤的UD₃中可獲得1千噸的能量。

戰後，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的物理學家以較低的優先級繼續對此課題進行研究；儘管1949年12月的一次蒙地卡羅模擬顯示，該核心原則上可行，且能製造出比MK 5小得多的武器，但強烈的懷疑隨之而來，因為即使結合了空心核芯和助爆技術，燃料固有的低效率也無法像理論設想那樣獲得絲毫改善。因此，在一組MK 4高爆炸藥組件中測試此類核心的提案，最終從「溫室行動」的初步試爆計畫中被刪除。

UCRL測試

儘管洛斯阿拉莫斯方面持懷疑態度，愛德華·泰勒對此概念仍感興趣，並於1950年代初與歐尼斯特·勞倫斯在UCRL（加州大學放射實驗室，後來的勞倫斯利佛摩國家實驗室）對此類裝置進行了實驗。新實驗室的樂觀態度促使UCRL甚至提出一類使用該材料的「小型武器」，並將其命名為「晶洞」（Geode）。「晶洞」型裝置將是緊湊、線性（兩點）內爆、氣體助爆的核分裂武器，使用空心球狀金屬鈾，或部分（「輕微」）減速的核芯，其中金屬鈾或鈽殼內部襯有UD₃，可產生10千噸級的當量。這類裝置的應用將是戰術核武器，以及小型熱核系統的初級裝置。「晶洞」基本上是「天鵝」（Swan）及其衍生品（如「雨燕」（Swift）和「燕子」（Swallow）裝置）的先驅。

1953年，作為「結果-節孔行動」的一部分，有兩台測試裝置被部署。加州大學放射實驗室設計的主要目標是為一個球形氘化聚乙烯裝藥進行初步的核子學研究，該裝藥含有氘化鈾，作為「輻射器」（Radiator）——「晨星」（Morgenstern）的早期化身——的候選熱核燃料。當時希望，如果通過輻射內爆進行適當壓縮，次級裝置核心中的氘會發生融合（成為活性介質）。選擇這種燃料是為了讓UCRL的熱核計畫不會與當時的LASL在稀缺材料上（特別是鋰）產生競爭。如果成功，這些裝置也可能發展成一種緊湊的初級裝置，其含有最少量的可裂變材料，且威力足以點燃UCRL當時設計的另一款馬克22號核彈原型「拉姆羅德」（Ramrod）。對於氫化物型初級裝置，其壓縮程度不會使氘發生融合，因此該設計本質上是一種純粹的核分裂武器，而非助爆型武器。在「結果-節孔」行動中測試的裝置本身是實驗系統，而非武器原型，也未被設計用作武器或熱核初級裝置。其核心由氘化鈾（UD₃）與氘化聚乙烯粉末壓製混合而成。未使用硼。在「結果-節孔」行動中測試的核心使用了不同「混合比例」（或濃縮度）的鈾，並由氘進行減速。對「露絲」的預計當量為1.5至3千噸（最大潛在當量為20千噸），對「雷」的預計當量為0.5至1千噸。兩次測試產生的當量均約為200噸TNT；兩次測試都被視為不完全核爆。

「露絲」使用了氘和濃縮鈾置於一個實心球狀核芯中，並配有天然鈾中子反射層，是第一款幾乎完全在利佛摩設計的裝置；它於1953年3月31日當地時間05:00（格林威治標準時間13:00）在內華達州墨丘利引爆。這個名為「氫化物一號」（Hydride I）的爆炸裝置使用了一個由B炸藥和巴拉托炸藥透鏡製成的MK-6高爆炸藥組件，並配備了一台XMC-305電子感應加速器通過光致分裂進行起爆，其重量為7,400磅，直徑56英寸，長129英寸。核系統重6,750磅。與1.5至3千噸的預測相悖，它的實際當量僅為200噸。實驗室一位年輕的工程師瓦利·德克爾將這次試爆的聲音形容為「砰」的一聲。該裝置未能「自動解密」其試驗場地，300英尺高的測試塔下部100英尺仍完好無損，中間三分之一散落在試驗區，只有上部三分之一被氣化。

第二個在「雷」事件中測試的裝置，其固體球狀核芯中使用了氘和不同濃度的濃縮鈾。該裝置被稱為「氫化物二號」（Hydride II），同樣使用MK-6高爆炸藥組件；也同樣由一台在已知時間啟動的XMC-305電子感應加速器起爆。作為「氫化物一號」的姊妹裝置，「氫化物二號」僅核芯「燃料」的混合比例不同，其尺寸和重量與「露絲」測試裝置相同。它於1953年4月11日在一個100英尺高的塔頂測試艙中引爆。儘管「雷」試爆夷平了其測試塔，但當量僅為微不足道的220噸；雖然表現比「露絲」好，但其當量仍僅約為預測值0.5至1千噸的十分之一。