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ブースト型核分裂兵器は、少量の核融合燃料を利用して核分裂反応の速度、ひいては収量を増加させるタイプの核兵器です。核融合反応によって放出される高速中性子が核分裂反応によって放出される高速中性子に加わることで、より多くの中性子誘起核分裂反応が起こります。これにより核分裂速度が大幅に増加し、炉心が爆発的に崩壊する前に、より多くの核分裂性物質が核分裂を起こします。燃料は一般的に重水素と三重水素の50対50の混合ガスです。核融合プロセス自体は、プロセスにわずかなエネルギー（おそらく1%）しか加えません。[ 1 ]
ブーストの主な利点は、核兵器の小型化をさらに進めることである。これは、臨界質量が爆発する前に高速中性子を急激に流入させることで、超臨界核爆発に必要な慣性閉じ込め時間を短縮できるためである。大型のファットマンは直径が5フィート（1.5メートル）あり、爆縮には3トンの高性能爆薬が必要だったが、ブーストされた核分裂一次核弾頭は、小型の核弾頭（ W88など）に取り付けて熱核二次核爆発を起こすことができる。
ブースティングの概念は、もともと1947年後半から1949年後半にかけてロスアラモス国立研究所で開発された。[ 2 ] 1947年から1971年の間に核分裂兵器の効率が100倍に向上したのは、主にブースティングによるものだった。[ 3 ]
核分裂爆弾では、核分裂性燃料は、従来型の爆薬を用いて均一な球状の爆縮を起こすことで急速に「組み立てられ」、超臨界質量を生成します。この状態では、原子核の核分裂によって放出された多くの中性子が、燃料塊内の他の原子核の核分裂を誘発し、さらに中性子を放出し、連鎖反応を引き起こします。この反応は、爆弾が爆発する前に燃料の最大20%を消費しますが、条件が理想的でない場合は、それよりもはるかに少ない消費量になる可能性があります。リトルボーイ（ガン式機構）とファットマン（爆縮式機構）爆弾の効率は、それぞれ1.38%と13%でした。
核融合の促進は、トリチウムと重水素ガスを導入することによって実現されます。固体重水素化リチウム（三重水素化リチウム）も場合によっては使用されていますが、ガスの方が柔軟性が高く（外部に貯蔵可能）、爆縮前に核分裂燃料球の中心にある空洞、または外層と「浮上」した内核の間の隙間に注入することができます。核分裂燃料の約1%が核分裂すると、温度が十分に上昇して熱核融合が起こり、比較的多くの高エネルギー中性子が生成されます。この中性子の流入により連鎖反応の後期段階が加速され、爆発によって臨界質量が崩壊する前に、核分裂性物質の約2倍の量が核分裂します。
重水素-三重水素核融合中性子は非常に高エネルギーであり、平均的な核分裂中性子の7倍のエネルギーを持つため[ 4 ] 、核分裂性物質に捕獲されて核分裂を引き起こす可能性がはるかに高くなります。これにはいくつかの理由があります。
その結果、炉心内のニュートロン数が倍になる時間は、約 8 分の 1 に短縮されます。[ 4 ] 核融合ブーストの潜在的な貢献を理解するには、1モルのトリチウム (3 グラム) と 1 モルの重水素 (2 グラム) の完全な核融合により 1 モルのニュートロン (1 グラム) が生成され、脱出損失と散乱を無視すると、1 モル (239 グラム) のプルトニウムを直接核分裂させ、4.6 モルの二次ニュートロンを生成し、それがさらに 4.6 モルのプルトニウム (1,099 g) を核分裂させることができることを観察するとよいでしょう。この 1,338 g のプルトニウムの最初の 2 世代での核分裂は、23 [ 5 ]キロトンの TNT 換算 (97 TJ ) のエネルギーを放出し、それ自体で 4.5 kg のプルトニウム (典型的な小型核分裂起爆装置) を含む爆弾の 29.7% の効率をもたらします 。5 g の核融合燃料自体の核融合によって放出されるエネルギーは、1,338 g のプルトニウムの核分裂によって放出されるエネルギーのわずか 1.73% です。核融合ブースト後、連鎖反応は第 2 世代を超えて継続できるため、より大きな総収量とより高い効率が可能です。[ 4 ]
核融合を利用した核分裂爆弾は、近隣の核爆発による中性子放射線の影響を受けにくいという利点もある。他の設計の核爆弾は、中性子放射線によって早期爆発を起こし、高出力を得ることなく自爆してしまうことがある。出力に対する重量の軽減と放射線耐性という利点が相まって、現代の核兵器のほとんどは核融合を利用したものとなっている。
核融合反応率は通常、20～30メガケルビンで顕著になります。この温度は、核分裂性物質の1%未満しか核分裂しない（数百トンのTNTに相当する収量）という非常に低い効率で到達します。爆縮型兵器は、臨界時に中性子が存在する場合でもこの範囲の収量を達成できるように設計できるため、核融合ブーストにより、早期爆発の影響を受けない効率的な兵器の製造が可能になります。この危険性を排除できることは、ブーストを使用する上で非常に重要な利点です。現在、米国の兵器庫にあるすべての兵器はブースト設計であるようです。[ 4 ]
トリチウムは半減期が12.3年の放射性同位体です。その主な崩壊生成物はヘリウム3で、中性子捕獲断面積が最も大きい核種の1つです。そのため、兵器は定期的にヘリウム廃棄物を排出し、トリチウムを補充する必要があります。これは、兵器のトリチウム供給に含まれるヘリウム3が、兵器の爆発時に中性子毒として働き、核分裂燃料の原子核と衝突するはずの中性子を吸収してしまうためです。[ 6 ]
初期のブースト型核分裂兵器の設計、例えばジョー4やソ連の「レイヤーケーキ」（ロシア語: Слойка）などは、大量の核融合を利用して劣化ウランを構成するウラン238原子の核分裂を誘発した。これらの兵器は、核分裂性コアがリチウム6重水素化物の層で囲まれ、さらにその外側を劣化ウランの層で囲まれていた。レイヤーケーキを含むいくつかの設計では、これらの材料が交互に何層にも重ねられていた。ソ連のレイヤーケーキは、製造されなかったアメリカのアラームクロック設計や、製造されたものの試験が行われなかったイギリスのグリーンバンブー設計に似ていた。
この種の爆弾が爆発すると、高濃縮ウランまたはプルトニウムの核分裂によって中性子が生成され、その一部が核外に漏れ出してリチウム6の原子に衝突し、トリチウムを生成します。核分裂によって生成された高温では、トリチウムと重水素は高い圧縮レベルなしで熱核融合を起こすことができます。トリチウムと重水素の融合によって、14 MeVのエネルギーを持つ中性子が生成されます。これは、反応を開始した1 MeVの中性子よりもはるかに高いエネルギーです。この種の兵器における核融合の主な目的は、エネルギー収量ではなく、この高エネルギー中性子の生成です。この14 MeVの中性子は次にウラン238の原子に衝突し、核分裂を引き起こします。この核融合段階がなければ、最初にウラン238の原子に衝突した1 MeVの中性子はおそらく吸収されるだけだったでしょう。この核分裂によってエネルギーと中性子が放出され、それが残ったリチウム6からさらにトリチウムを生成し、これが連続的なサイクルとして繰り返されます。ウラン238の核分裂から得られるエネルギーは兵器に利用されます。これは、劣化ウランが高濃縮ウランよりもはるかに安価であることと、臨界状態にならないため壊滅的な事故に巻き込まれる可能性が低いことの両方が理由です。
この種の装置は、核融合によって最大20%のエネルギーを生み出し、残りは核分裂によって生み出すことができるが、質量と直径の現実的な制約により、そのエネルギーは1メガトンTNT（4PJ ）相当未満に制限される。ジョー4は400キロトンTNT（1.7PJ）のエネルギーを生み出した。これに対し、ソ連のツァーリ・ボンバのような「真の」水素爆弾は、核融合によって最大97%のエネルギーを生み出すことができ、その爆発力は装置のサイズによってのみ制限される。
複数の国が、ブースト核分裂を利用した装置の実証に成功している。
マークが1971年に指摘した核分裂兵器の効率が100倍にまで飛躍的に向上した主な要因は、ブースト効果である。