原子弹究竟难在哪里？
这两天美伊局势可是又一次濒临全面开战的边缘。为了报复美国刺杀苏莱曼尼，伊朗宣布不再履行伊核协议（由于特朗普早在两年前就已经退出，因此伊核协议早就名存实亡），很多人会问，伊朗距离拥有核弹头还有多远呢？那么，就让我们看看，原子弹到底难在哪里。
1938年，德国科学家哈恩证明了铀235可以在中子照射下发生链式反应，瞬间引发剧烈爆炸。从此，美，英，德，日，苏先后开始了研发核武器的过程。由于二战爆发，德国在欧洲势如破竹，因此加剧了这种恐慌气氛，尤其是那些因纳粹迫害犹太人而逃亡美国的科学家，他们更加惧怕纳粹的科学家会研发出核武器征服全世界。因此，以犹太裔科学家爱因斯坦为首的科学家们，联名写下一封信递交罗斯福，因此开展了世界规模最大，保密效果最高的先进武器科研计划——曼哈顿工程。不久，英美全面开展合作，英国从美国进口飞机、战舰和坦克，同时对美国出口博福斯高射炮、284雷达（参加过击沉俾斯麦的战斗，美国仿制即为击沉雾岛号的华盛顿号的MK3火控雷达）和自己的核能技术，因此两国合作后，进展大大提高，1944-45年，美国首先建成6座250MW石墨钚生产堆，1945年，美国首先将核武器开发并用于实战之中，只用了3年即从实验性反应堆到实战化核武，其进展之神速恐怕也只有中国596工程能媲美（1959年6月苏联撤走全部专家，中国1961重启独立核武研究，1964成功起爆）。
美国曼哈顿工程的快速成功，以及中国在一穷二白时独立开发核武器的记录，掩盖了核武器开发和设计中很多难点和烧钱的东西。那么，我们就来一一检查什么是核武器发展的难点。为了简洁，我们以原子弹作为例子。
第一，就是原子弹的基本理论设计。众所周知，原子弹采用核裂变链式反应为理论依据。一千克的U235全部裂变，可瞬间释放2500吨标准煤的热量，但是如何才能让链式反应维持在极高的速度呢？这是一个巨大的问题。在1942年，德国人核武研发工程陷入僵局时，海森堡（即著名的量子力学测不准原理提出者）的开发团队计算出，居然需要12吨纯净的U235才能启动链式反应，而当时德国每年拨款给核武的研发经费仅有50万马克（约折合5辆四号坦克），显然无法支持这么多的核材料的供应，而且也缺乏把12吨的战斗部送到敌人头顶的能力。后来海森堡战后得知他的对手——奥本海默仅用了60千克铀235就造出了小男孩原子弹时，才恍然大悟——自己在最基础理论上犯了大错。而采用“枪”式引发结构的小男孩在广岛起爆时，因为设计较为粗略，60千克铀235实质上仅有6千克成功起爆，其他54千克全部成了放射性落下灰，污染了大量土地而未能形成冲击波。这充分证明，就算是拥有诺贝尔奖级的研发团队（德国科研团队有海森堡，哈恩等多个诺贝尔奖得主），在基础科研阶段也有发生严重计算失误的可能性。
第二，就是原子弹的细节设计。在曼哈顿工程中，科研团队不仅解决了核材料高效运用问题，更解决了核材料的安装和引爆设计。由于球体是能够实现最大体积而表面积最小的外观，所以他们把原子弹核心设计成球形，以最大限度节约占用空间；同时，为了进一步压缩核材料用量，奥本海默团队采用了“中子反射层”（通常是铍或者碳化钨）来把链式反应释放出的中子反射回核心，大大增加了功率密度，但是这也导致核心随时处于待发阶段，极易自爆。
1945年9月，在日本投降后，美国继续进行核弹实验。在一次偶然中，一个实验员 Harry Daghlian不慎把一颗硬币大的碳化钨反射层掉在上图的钚核心上，瞬间发出一道耀眼的蓝光——原来，碳化钨反射了钚自然衰变生成的中子，而使得整个球体短暂进入了临界状态，启动链式反应，释放的强大辐射能形成了类似闪电的等离子体而发出的蓝光。而这次临界事故释放的辐射能，使得 Harry Daghlian实验员半个月后死于急性辐射病。一年后，这枚核心又造成一人死亡，即是上图中展示的动作。科学家 Louis Slotin 企图展示“可控的链式反应”，用螺丝刀翘起两个钚半球，使得整体不会达到临界体积，从而不会进入链式反应状态，但他手一滑，半球贴在一起，顿时再次发出强烈的辐射等离子光辉，他同样也在半个月后死亡。讽刺的是， Louis Slotin 曾经是Harry Daghlian实验员死亡时陪伴在床前的同伴，不曾想不到一年内便死于同一个球的第二次事故。因此，该球体被命名为“魔鬼核心”，由于两次事故导致它的生成了高放射性的裂变产物（铯137和碘131），无法继续用于核弹试验，便在数年后熔化制成其他核心。
因此，为了能够有效引发核爆炸，而不在日常发生上述致命事故，核弹的引爆设计通常有两类：枪式和内爆式。他们的原理都是一样的：平时把核心安全储存在亚临界体积，起爆时一瞬间将其合并为临界体积，引发核裂变链式反应。
首先，奥本海默等人设计了“枪”式核弹，广岛使用的小男孩就是其唯一的代表。它的设计思想很简单，把一个达到临界体积的铀球分成两块，一块大，一块小，小的就像个楔子，平时放在轨道上，起爆时，“楔子”被后面的炸药像步枪开火一样射出，顶入铀球，从而达到临界体积爆炸。但由于楔子往往还没完全插入铀球时就达到了临界体积，而且铀很软，在楔子顶入时很容易变形，因此爆炸时往往不会全部起爆，因此效率相当低下，在广岛仅有10%的铀工作，在此后便不再有类似设计。
在“小男孩”设计同时，奥本海默团队又设计了一种名为“内爆”式的设计。这种设计就是利用上图的两个半球型核心。首先，核心被安全分为2块，中间隔着一层安全介质，防止进入临界体积；其次，在半球外侧放入如图所示的球型炸药块，使用高爆速和低爆速炸药形成定向向心冲击波（该过程需要所有的炸药块一起工作，所以也必须使用电容快反引信达到一瞬间全部工作的效果），利用爆炸冲击波把两个半球紧贴并压缩成更小的一个球，从而快速进入临界状态引发核爆炸。胖子在长崎引爆，效率略高一些（20千克钚有6千克引爆），虽然制造较为复杂，但是可以做得比较紧凑，所以此后全球都是内爆式。
随着科技的进步，大家发现，其实完全没有必要放置那么多裂变材料来引发核爆炸，通过进一步优化设计，完全可以使用更少的铀235和钚239来达到核裂变，目前一般认为，至少需要6千克铀235或者钚239即可做出一枚可用核心。比较出名的代表就是美国W54核弹，应用于著名的“大卫”无后座炮。
因此，各个核大国紧凑型核武器细节设计长期处于高度机密之中。目前美国现役比较经典的紧凑型核弹头分别如下：
W76核弹，在1980年随着海神导弹服役，目前美国仍储存3000枚左右，主要用于三叉戟D5导弹。重量约160千克，当量约10万吨。
W87/88核弹头为美国为三叉戟D5和和平卫士生产的导弹，其中W87在和平卫士退役后，替换了到寿命的W56核弹头（W56是迄今最接近理论能量密度上限的核弹，300公斤120万吨）服役在民兵3导弹上，而W88生产了300枚便因工厂非法排污被FBI取缔而停产，和W76混编在三叉戟D5上。两款弹头都是275千克左右（W88考虑核潜艇，故多一些重量），当量47.5万吨。
W80核弹头是一款巡航导弹核弹头，服役于已退役的BGM-109A战斧和AGM-129上，也服役与现役的AGM-86导弹上。由于是巡航导弹核弹，不考虑再入大气层，所以尺寸比较小，120千克，20万吨当量。目前库存数百枚。
B61是美国现役唯一的自由落体核弹头，1963年设计，目前有多达10多个改型，mod排到Mod12。尺寸和MK-83 1000磅炸弹接近，可以悬挂在任何一款美国战斗机和轰炸机翼下，也可内挂在F-22,F-35，F-117，B-52和B-2的内部弹仓，重量约700磅（mod11型略大，但已经退役），是非常出色的可变当量核弹，在攻击战略目标时，可选择34万吨的战略攻击模式；在利用战术飞机空袭坦克纵队、进行战场遮断时，可切换到3000吨的战术模式，因为灵活性很强，因此现在在美国自由落体核弹中一家独大。目前储备约400枚。
所以，区别一个核大国和一个“有核国家”，就是在于核武器的储备规模、设计水平和量产水平，苏联和美国高峰时设计的核武型号多达五六十种，量产能力达到每年数千枚，苏联解体后双方基本放弃了新核弹的生产，但美国2019年开始建设一座新的生产设施，初步运行可达每年80枚钚弹头。
说完了设计，我们再谈谈生产。
生产一枚核武器的配套设施非常之多。首先，大家知道，铀矿石的浓度是非常之低的，一般的铀矿石，往往只有300-400ppm的含量，而且这些矿石中提取的是天然铀，天然铀只有0.7%是可裂变的铀235，其他都是不能使用的U238（只能用于增殖堆、三相弹外壳或者用于贫铀弹），武器级需要90%以上浓度的U235或者钚239，所以以生产1枚6千克的铀235原子弹为例，就几乎需要1000千克的金属铀，而提取这1000千克金属铀，可能需要3000吨品位为330PPM的铀矿石。
由此可见，在最好的设计师团队下，仍然需要消耗数千吨原矿才能生产出1枚核弹头，而这种6千克的核心，在不采用复杂的聚变增压技术（在原子弹注入氚和氘，可以做一个“劣等氢弹”，提供更多中子，可提升3-5倍核裂变威力）或三相弹技术（即用原子弹引爆氢弹，再用氢弹的中子流引爆最外侧的U238反射壳，基本上目前五大国的战略弹头都是这种设计）时，即只当做原子弹用，只能达到美国W54弹头——即1000吨当量的水平（北朝鲜2005年试爆的第一枚核弹约800吨当量，估计就是这种）。因此为了制作出和中国596核弹，美国“胖子”核弹相同具有战略威慑力（要想打击城市，起码需要1.5万吨级）的简易原子弹（即不采用氢弹等提升威力的措施），起码也得需要20公斤以上的U235或钚239，那么处理的矿石的数量，使用的生产设施耗费的电力就要大得多了。
由于铀235和铀238不能通过化学手段分离萃取，因此唯一有效的就是物理分离。在物理分离中，一开始曼哈顿工程在回旋加速器的设计者劳伦斯（同样是诺奖得主）的指导下，用10000吨从美国财政部借出的白银，制造了超大型的回旋加速器，利用回旋加速器中不同原子量的原子核的运动轨迹之差来分离铀235.
在美国之后，苏联和英国也做了类似的回旋加速器分离系统，由于实在是太过于耗电，之后又提出了气体扩散法技术。该技术在经过巴基斯坦改良之后，就是我们见到的多级离心机。
相比之下，利用石墨反应堆或者重水堆生产钚239，再进行分离就容易很多。这是因为，重水堆和石墨堆可以使用天然铀运作，并生产大量的钚239，而钚239可以通过化学萃取分离。早在1960年，印度人就从美国获得了年处理10吨后处理铀的设施，可以一年分离出数十公斤的钚239。因此苏联，美国，印度，英国，法国，朝鲜都采用钚作为核弹弹芯，只有中国因历史上钚生产堆较少，且钚具有的毒性（钚可以通过皮肤吸收，而且一旦吸收终身都会滞留体内，美国一名科研人员1946年接触钚后，1999年体检还能查出尿液含有钚，而邓稼先在中国一次使用钚元器件的失败核试验中，徒手检查摔碎的钚弹芯，数年后死于钚导致的尿毒症。现在美国，俄罗斯，英国的钚生产堆的拆除仍然非常困难，需要数十年才能等辐射下降到安全水平进入最终拆除阶段），因此我国大部分核试验用的仍然是铀。由于中国整体上核弹生产不多，所以我国贫铀储备也不多，故贫铀弹的开发利用在2018年前后才出现在公开发表的论文之中。由于重水堆和石墨堆对于钚的生产至关重要，因此国际也严格限制这两种反应堆对无核国家的出口。
说完了核心，再让我们聊聊内爆式需要的推进剂——炸药和引信。由于内爆式需要一瞬间把所有的核心压缩到一个极小的体积，因此需要高能炸药作为推进剂，这种高能炸药往往开发难度和固体火箭推进剂相当（因为必须兼顾体积和威力）。而且火工品的外形和引爆间隔直接影响压缩效果，这就对于一个国家的电子控制技术提出了很高的要求，所有的引爆器都必须在万分之一秒内同时工作才能够产生效果。所以，为了开发这类高性能炸药和引爆器，对于一个国家的化学工业、电子工业、炸药工业也是全面性要求。
因此，在央视的中国核工业纪录片中，曾经这样回忆道：
“我国以596工程为旗舰工程，在短短的三年之内，在神州大地上建起了全套的配套设施，很多工程技术在几年内高速发展，无论是冶金，化工，还是电子，精密制造，都有了飞跃性的提高。苏联撤走专家，不仅让我们科研人员放开了手脚，而且还给了我们国内科研、制造体系一个系列化发展的难得机遇。”终于，在全国的鼎力配合之下，中国的原子弹终于抢先在《不扩散核武器条约》生效前（以1967为界）爆炸成功，中国得以成为仅有的五个合法拥有核武器的国家。而印度虽然1954年即启动核研究，1960获得美国，加拿大援建的重水反应堆、钚提取设备，1963年获得苏联核技术援助，但由于国内政治反复，在中印战争前一度搁置核研究，中印战争后一度重启，后来因为动荡的政局而又再次搁置，直到1971第三次印巴战争后才决定发展，并在1974年完成试爆，但此时印度已经过了《核不扩散条约》要求的时间界限，迄今印度不被视为合法拥有核武器的国家。由此可见，中国无论是发展核武器的技术能力，还是领导人的国际视野，都是一等一的高手。
所以，要搞出核武器，不仅仅是一个国家的经济实力和军事实力，更是一个国家的科研、技术、政治协调、工业基础的全系列的共同协作，没有一个顶尖的开发团队，没有坚实有效的领导团体，没有宏大眼光的高屋建瓴，没有体系完备的科研工业体系，是不可能造出核武器的。
