核裂變反應會產生許多放射性物質，包括200多種放射性核素，還有核爆炸過程中產生的中子與大氣、土壤、建築材料中的核素髮生核反應形成的中子活化產物等，以及剩餘未起反應的核素等。這些放射性元素會發生一系列的衰變，具有較強的放射性，主要為β射線和γ射線，會在反應區域留下長遠的放射汙染。而核聚變反應是不會產生放射性元素的，因此不會造成長期的放射性汙染。
“城堡行動”中“喝彩”核試驗引爆的氫彈“小蝦”
氫彈“小蝦”爆炸的場景
1954年3月1日，美軍在馬紹爾群島的比基尼環礁進行的“城堡行動”中進行了代號為“喝彩”的核試驗，引爆了一顆氫彈“小蝦”，其當量高達1 500萬噸TNT，是投放在廣島的原子彈的1 000倍，它是美軍進行的歷次核試驗中當量最大的一個核裝置。本次核試驗也是美國開展的首次氫彈試驗，其中核聚變反應貢獻的能量為15%~40%。爆炸幾秒種內火球就擴散到7.2千米寬，14.3千米高。1分鐘以後，蘑菇雲升至距地面14千米的地方，直徑達到11千米。10分鐘後，蘑菇雲就上升到大氣層內39 000米高空，直徑達到100千米，方圓400千米內都能看見。爆炸後，放射性核塵埃擴散到附近的朗格拉普環礁與烏蒂裡克環礁，散佈面積達到16 000平方千米。產生的放射性沉降物對試驗場及其周圍地區造成了嚴重汙染，導致在附近海域作業的上百艘漁船及馬紹爾群島的兩萬多名原住民發生嚴重的輻射中毒。比基尼環礁附近的島嶼上甚至下起了“核雪花”，有的地方鋪滿的“核雪花”甚至達2釐米厚，導致共253人被迫疏散、尋求醫療援助。距爆心116千米的日本漁船“第五福龍丸號”上的23名船員也輻射中毒。
距爆心116千米處的日本漁船“第五福龍丸號”受到嚴重的放射性汙染
為了應對公眾對放射性塵降的恐慌，美國政府決定設計一種乾淨的核彈。這種核彈的威力仍然十分巨大，能夠達到數百萬噸TNT當量，而釋放的能量幾乎全部依靠聚變。美國隨後進行了多次熱核武器試驗，探索降低熱核武器中的裂變比重的方法。由於以前的大當量熱核武器使用了裂變材料（未濃縮的天然鈾-238）製成反射層，其裂變作為主要的能量來源，因此，在“乾淨”的核彈中反射層就不能用可裂變的材料，這種“乾淨”的核彈為了達到同樣的當量就需要非常巨大的體積。在相同的質量下，用裂變材料鈾-238做反射層的“髒”的核彈的當量要大於“乾淨”的核彈。1956年5月28日，美軍在比基尼環礁進行的“紅翼鶇行動”中，代號Zuni的核試驗測試了一枚核彈“低音管”。在這枚核彈中，所有的鈾-238都用鉛或鎢來代替，當量為350萬噸TNT，85%的能量都來自聚變，另外15%的能量來自裂變。在公開的核試驗結果中，聚變能量提供能量的比例最高的幾次是：1956年7月10日，美軍“紅翼鶇行動”中代號為“納瓦霍”的核試驗，爆炸當量為450萬噸TNT，95%的能量都來自核聚變，核裝置使用了鉛代替鈾-238；1958年7月12日，美軍“壓縮餅乾行動”中代號為“白楊”的核試驗，爆炸當量為930萬噸TNT，95.2%的能量來自核聚變，核裝置使用了碳化鎢代替鈾-238；以及1961年10月30日，蘇聯引爆的5 800萬噸TNT當量的“沙皇”（又稱“大伊萬”）炸彈，97%的能量來自核聚變，核裝置使用了鉛代替鈾-238。
美軍氫彈“小蝦”爆炸試驗中，距爆心116千米處的日本漁船“第五福龍丸號”受到嚴重的放射性汙染
1956年7月19日，美國原子能委員會主席斯特勞斯說，“乾淨的”核彈“從人道主義的角度來說...非常重要”。然而，在兩天以後，“低音管”核彈的輻射版本在“紅翼鶇行動”中的Tewa核試驗中引爆。這枚核彈的當量是500萬噸TNT，以鈾-238作為反射層，其87%的能量來自裂變。這枚核彈的威力被刻意地降低了，以使放射性塵埃降落在一個很小的區域內。從這次試驗中取得的數據最終促成了美國曆史上威力最大的核武器MK-41的列裝，這種核彈有三級，當量2 500萬噸TNT，也是美國列裝的比威力（當量質量比）最大的核武器，它由空軍的轟炸機攜帶，但是從來沒有滿當量測試過。
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