銃型核分裂兵器
「銃」の組み立て方法

銃型核分裂兵器は、核分裂を利用した核兵器の一種で、「銃」方式、すなわち未臨界状態の物質を別の未臨界状態の物質に撃ち込む方式によって核分裂性物質を超臨界状態に組み立てる設計となっている。この方式は、2つの未臨界状態の半球を互いに押し付けて超臨界状態の球体を形成するように描かれることもあるが、典型的には中空の弾丸を円筒形のスパイクに撃ち込み、その中心の穴を埋める。この名称は、物質をまるで弾丸のように砲身を通して撃ち込むことに由来する。マンハッタン計画によって開発・配備された銃型設計は、より効率的な爆縮型兵器にすぐに取って代わられた。

既知の銃型核分裂兵器はすべて高濃縮ウラン（HEU）を使用していた。プルトニウム同位体は自発核分裂率が高いため、放棄されたシンマン設計のような銃型設計での使用は非常に非実用的である。さらに、効率が低いため、必要なHEUの量と兵器の重量が増加する。その主な理由は、核分裂性物質は爆縮設計のように圧縮（および結果として生じる密度の増加）を受けないことである。その代わりに、銃型爆弾は大量のウランを蓄積することで超臨界質量を組み立て、娘中性子が移動しなければならない総距離に非常に多くの平均自由行程があるため、ほとんどの中性子が超臨界質量から脱出する前に衝突するウラン原子核を見つける可能性が非常に高くなる。HEUは初期の爆縮型兵器の複合コアによってより効率的に使用できた可能性がある。

銃型核分裂兵器が初めて議論されたのは、世界初の核爆弾開発計画である英国のチューブ・アロイズ核爆弾開発計画の一環としてでした。 [ 1 ] 1941年の英国のMAUD報告書[ 2 ]は、「約25ポンドの活性物質を含む効果的なウラン爆弾は、破壊力に関してTNT火薬1,800トンに匹敵する」と示しました。[ 3 ]この爆弾は銃型設計を採用し、「2つの半分を高速で合体させ、通常の爆薬を装填した二重銃の形で同時に発射することでこれを実現することが提案されている」としています。[ 4 ]

この方式は、米国の既知の4つの計画に適用された。1つ目は、広島上空で爆発した「リトルボーイ」兵器と、第二次世界大戦後に製造された同じ設計の追加のユニットである40個のマーク8爆弾と、それらを置き換えた40個のマーク11爆弾である。マーク8とマーク11の設計は両方とも、地中貫通爆弾として使用することを目的としていた（核バンカーバスターを参照）。初期の爆縮型兵器が着弾後に正常に爆発するかどうか確信が持てなかった設計者らは、この爆弾には一時期、銃型の方式を好んでいた。2番目の計画は、 11インチ (280 mm)核砲弾のW9とその派生型W19、および米海軍の戦艦用に16インチ (406 mm) 砲弾に再パッケージ化したW23である。3番目のファミリーは、8インチ (203 mm) 砲弾のW33である。

南アフリカはまた、銃型の原理に基づく6つの核爆弾を開発し、同じ基本設計を使用したミサイル弾頭の開発に取り組んでいました。「南アフリカと大量破壊兵器」を参照してください。

現在、実戦配備されているガン型兵器は知られていない。先進核兵器保有国は、この設計を放棄し、ブースト核分裂兵器や熱核兵器の製造にも用いられた爆縮型兵器へと転換する傾向があった。世界中でこれまでに製造された既知のガン型核兵器はすべて解体されている。

小さな男の子

広島に使用されたリトルボーイ核兵器の内部。ウラン235は赤で示されている。

「銃」方式は、広島上空で爆発したリトルボーイ核兵器の仕組みとほぼ一致しており、核分裂性物質としてウラン235が使用されていました。リトルボーイの設計では、ウラン235の「弾丸」の質量は約86ポンド（39kg）、長さ7インチ（17.8cm）、直径6.25インチ（15.9cm）でした。中空の円筒形であるため、未臨界状態でした。動力源はコルダイトでした。ウラン製の標的スパイクの重量は約57.3ポンド（26kg）でした。弾丸と標的はどちらも、複数のリングが積み重ねられた構造でした。

「リング」の使用には 2 つの利点がありました。大きな弾丸が確実に未臨界状態を維持できること (中空の柱は、材料が他の材料と過度に接触するのを防ぐ役割を果たしました)、および、同じ弾丸で 1 つのリングだけを使用して、未臨界アセンブリをテストできることです。

銃身の内径は6.5インチ（16.5cm）、長さは70.8インチ（1.8m）で、弾丸は標的に接触する前に 最終速度約1,000フィート/秒（300m/s） [ 5 ]まで加速することができた。

弾丸が25cm（9.8インチ）の距離にあるとき、結合は臨界状態になります。これは、物質が完全に結合する前に、一部の自由中性子が連鎖反応を引き起こす可能性があることを意味します（核連鎖反応を参照）。

通常、連鎖反応は1マイクロ秒（100回の振動）未満で起こり、その間に弾丸はわずか0.3 mm（1 ⁄ 85インチ）しか移動しません。超臨界度が低い場合、連鎖反応は遅くなりますが、それでも非常に短い時間で起こるため、その間弾丸はほとんど動きません。

これは、爆発が本格化する前に材料を吹き飛ばしてしまう前駆爆発、いわゆるフィズル（不発弾）を引き起こす可能性があります。したがって、この時点からの組み立て時間と比較して、自由中性子の発生頻度を低く抑えることが重要です。これはまた、弾丸の速度が十分に高くなければならないことを意味します。速度を上げることは可能ですが、そのためにはより長く重い砲身、あるいは弾丸の亜臨界質量をより大きく加速するための推進ガスの圧力を高める必要があります。

リトルボーイの場合、ウランに含まれる20%のウラン238は、1秒間に70回の自発核分裂を起こしました。核分裂性物質が超臨界状態にあるため、それぞれの核分裂は大きな爆発確率をもたらしました。核分裂ごとに平均2.52個の中性子が生成され、それぞれの中性子がさらに核分裂を起こす確率は1:2.52以上です。完全組立前の1.35ミリ秒の超臨界状態の間、核分裂の確率は10%で、それよりやや低い確率で前駆爆発が起こりました。

1944 年 7 月、研究所はプルトニウム銃型爆弾 (上図の「シンマン」) の開発を放棄し、ほぼ全面的に爆縮の問題に焦点を絞りました。
兵器の影響 – リトルボーイ原子爆弾の爆発後、廃墟となった広島

マンハッタン計画における当初の銃型爆弾の開発は、プルトニウムを核分裂性物質の原料とする銃兵器の開発に向けられており、その長さから「シンマン」と呼ばれていた。プルトニウムを使った銃型爆弾が作れるのであれば、ウランを使った銃型爆弾は比較的容易に作れるだろうと考えられていた。しかし、1944年4月に原子炉で生成されたプルトニウム（Pu-239 ）がプルトニウムの別の同位体であるPu-240に汚染されていることが発見された。この汚染により、物質の自然発生的な中性子放出率が上昇し、爆発前爆発が避けられなくなる。このため、銃型爆弾は濃縮ウラン燃料でのみ使用可能であると考えられている。ただし、弾丸のみに高品位プルトニウムを使った複合設計が可能かどうかは不明である。

「シンマン」計画が成功しないことが判明した後、ロスアラモス研究所は爆縮型プルトニウム兵器「ファットマン」の開発に注力する方向を転換した。銃計画はウラン爆弾の開発に完全に転換された。

リトルボーイでは、80%品位のウラン235が132ポンド(60 kg) (つまり106ポンドまたは48 kg)使用されたが、最小量は約44～55ポンド(20～25 kg)であり、爆縮法では33ポンド(15 kg)である。

リトルボーイの標的となる未臨界質量は、炭化タングステン（WC）製の中性子反射体で包まれていました。中性子反射体の存在により、連鎖反応中の中性子損失が減少し、必要なウラン燃料の量が削減されました。より効果的な反射体材料は金属ベリリウムでしたが、これは戦後、テッド・テイラーが「スコーピオン」として知られる爆縮設計を開発するまで知られていませんでした。

「リトルボーイ」兵器を設計した科学者たちは、その成功に十分な自信を持っていたため、実戦投入前に実地試験を行わなかった（ただし、ルイス・スローティンなどの科学者は、未臨界アセンブリを用いた非破壊試験、いわゆる「ドラゴンの尻尾をくすぐる」という危険な実験を行った）。いずれにせよ、U-235は1基の装置に必要な量しかなかったため、実戦投入前に試験を行うことはできなかった。設計は実証試験されなかったものの、故障しても敵に捕獲される危険性はないと考えられていた。たとえ「不発」でも装置は完全に崩壊していただろうし、「リトルボーイ」の設計に組み込まれた複数の冗長性により、装置が全く爆発せずに地面に落下する可能性は、たとえあったとしてもごくわずかだった。

連鎖反応を適切なタイミングで速やかに開始させるために、中性子トリガー／イニシエーターが用いられる。効果的な銃の設計において、イニシエーターは必ずしも必要ではない。[ 6 ] [ 5 ]ただし、設計において「ターゲット捕捉」（本質的には、2つの未臨界質量体が同時に発射されると、爆発するまで分離しないことを保証する）が採用されている限りである。1秒間に70回の自発核分裂が起こることを考慮すると、これは1/70秒の数倍の遅延を引き起こすだけであり、この場合は問題にならない。イニシエーターはリトルボーイの設計後期に追加された。

核拡散とテロリズム

拡散やテロリストによる使用のリスクに関しては、比較的シンプルな設計が懸念材料となっている。他の方法ほど高度な工学技術や製造技術を必要としないからだ。十分な量の高濃縮ウランがあれば、技術的に比較的高度な技術を持たない国やグループでも、非効率ではあるものの、依然として非常に強力な銃型核兵器を製造することができる。

爆縮法との比較

ガン型方式（上）と爆縮型方式（下）の概略図。

技術的に進んだ国では、効率と安全性（後述）の理由により、銃型の方式は今や実質的に時代遅れとなっている。米国は爆縮方式が完成するとすぐに銃型の方式をほぼ放棄したが、しばらくの間、核砲兵という特殊な役割で銃型方式は保持された。英国やソ連などの他の核保有国は、このタイプの兵器を一度も製造しなかった。この方式は、高濃縮ウラン235の使用を必要とするほか、他にも厳しい制限がある。爆縮方式は、兵器の質量を減らし、核分裂する物質の割合を増やすために用いられるさまざまな方法に、はるかに適している。アパルトヘイト時代の南アフリカは約5丁の銃型兵器を製造したが、爆縮型兵器は製造しなかった。同国は後に核兵器計画を完全に放棄した。核兵器を放棄したこと、そしておそらく爆縮型兵器ではなく銃型兵器を製造したことで、同国は独特な存在であった。

銃型兵器にも安全性の問題があります。例えば、比較的単純な事故で臨界質量を形成できる量と形状の核分裂性物質を兵器に搭載することは、本質的に危険です。さらに、航空機から海に投下された場合、海水の減速効果により、兵器自体が物理的に損傷を受けなくても臨界事故を引き起こす可能性があります。爆縮型兵器では、通常、爆薬レンズが正しく爆発しない限り臨界質量を形成するのに十分な核分裂性物質が存在しないため、このような事態は起こりません。

米国の核砲兵

結論：1953年にネバダ核実験場で行われた核砲弾のテストであるノットホール・グラブル（写真は280mm砲と爆発を写している）では、砲弾型砲弾が使用された。

砲方式は核砲弾にも応用されている。設計が単純であれば砲弾による急加速や重力加速度に耐えられるように設計するのが容易であり、また砲型の設計は直径が小さいため既存の砲弾から発射できる発射体に比較的容易に取り付けることができるからである。

アメリカのガンタイプ核砲であるW9は、1953年5月25日にネバダ試験場で試験された。アップショット・ノットホール作戦の一環として発射され、ショット・グラブルのコードネームが付けられた280 mm（11インチ）砲弾は、高度10,000 m（33,000フィート）まで発射され、地上160 m（520フィート）で爆発し、推定出力15キロトンであった。これはリトルボーイとほぼ同じ出力だが、W9の重量はリトルボーイの1/10以下であった（365 kg対4,000 kg、または805ポンド対8,819ポンド）。砲弾の長さは1,384 mm（54.5インチ）であった。

これは、アメリカの核実験計画において実際に（砲から）発射された唯一の核砲弾でした。アトミック・アニーという愛称で呼ばれる特別に製造された砲弾から発射されました。1952年から1953年にかけて80発の砲弾が製造され、1957年に退役しました。

W19も280mm砲型核弾頭で、W-9の長砲身版である。80発の弾頭が製造され、1963年に退役した。

W33は、1957年に生産が開始され、1992年まで使用された、より小型の8インチ（203 mm）砲型核砲弾である。2発が試験発射（砲から発射されたのではなく、爆発した）され、1発は野外で気球の下に吊るされ、もう1発はトンネル内で行われた。[ 7 ]

後のバージョンは爆縮設計に基づいていました。

米国の銃型兵器の一覧

爆弾

砲兵

その他

テスト

銃型兵器は、広島への攻撃に使用されたマーク１を除いて、これまでに３回しか実験されていない。

手術 ショット[注1 ]日付時刻（UT） 現地時間帯[注 2 ] [ 8 ]場所[注3 ]標高+高さ[注4 ]配達[注5 ]

目的[注6 ]

デバイス[注7 ]利回り[注8 ]フォールアウト[注9 ]参考文献 注記
結論–ノットホールグラブル1953年5月25日15時30分00秒3 PST（-8時間） NTSエリア5、11、フレンチマンフラットからの打ち上げ：5

北緯36度42分15秒 西経115度58分26秒 / 北緯36.70428° 西経115.97387° / 36.70428; -115.97387 ( Launch_Grable )、標高：950 + 5 m（3,117 + 16 フィート）

NTS 36.793°N 115.9156°W上空での爆発北緯36度47分35秒、西経115度54分56秒 / / 36.793; -115.9156 （グラブル）

960メートル（3,150フィート）

+ 160メートル（520フィート）

銃を発射し、

武器の効果

W9 AFAP「ガン」 15ktヨウ素131が検出されました。2.1 MCi（78 PBq） M65原子砲「アトミック・アニー」から射程11km（6.8マイル）の距離から発射。280mm砲弾、365kg（805ポンド）。目標から南西200フィート（61メートル）の位置で爆発。核戦場を想定した軍事演習「デザート・ロックV」。主要効果試験。
プラムボブラプラス1957年9月8日12時59分59秒8 PST（-8時間） NTSエリア B7b ~ 37.0866°N 116.0245°W北緯37度05分12秒 西経116度01分28秒 / / 37.0866; -116.0245 （ラプラス）1,282メートル（4,206フィート）+ 230メートル（750フィート） バルーン、

兵器開発

XW-33「フリーグル」 1 ktヨウ素131の放出を検出、140 kCi（5,200 TBq） 核砲弾用。
ヌガーツチブタ1962年5月12日19:00:00.1 PST（-8時間） NTSエリアU3am(s)北緯37.06512° 西経116.03092°北緯37度03分54秒 西経116度01分51秒 / / 37.06512; -116.03092 （ツチブタ）1,214メートル（3,983フィート） - 434.04メートル（1,424.0フィート） 地下シャフト、

兵器開発

TX-33Y2 AFAP [ 9 ]40kt現場で10 Ci (370 GBq)未満の蒸気漏れを検知 核砲弾用、おそらく強化核分裂兵器。

注記

  1. ^アメリカ、フランス、イギリスは実験イベントにコードネームを付与しているが、ソ連と中国は付与していないため、実験番号のみとなっている（ただし、ソ連の平和的な爆発にはコードネームが付与されていた）。固有名詞でない限り、括弧内は英語への翻訳。ダッシュの後に数字が続くものは、一斉射撃イベントの構成要素を示す。アメリカは、このような一斉射撃テストにおいて、個々の爆発にコードネームを付与することがあり、その場合は「name1 - 1(with name2)」となる。テストが中止または中断された場合、日付や場所などの行データから、計画内容が判明している限り、その内容が明らかになる。
  2. ^ UT時間を標準ローカル時間に変換するには、括弧内の時間をUT時間に加算します。ローカルサマータイムの場合は、さらに1時間加算します。結果が00:00より前の場合は、24時間を加算し、日数から1を減算します。24:00以降の場合は、24時間を減算し、日数に1を加算します。過去のタイムゾーンデータは、 IANAタイムゾーンデータベースから取得されています。
  3. ^大まかな地名と緯度経度。ロケット搭載型実験の場合、もし判明しているなら、発射場所が爆発場所の前に指定されます。場所によっては極めて正確なものもありますが、空中投下や宇宙空間での爆発など、かなり不正確な場合もあります。「~」は、同じ地域で行われた他の実験と共有される、形式的な大まかな場所を示しています。
  4. ^標高は、爆発地点の真下における海面を基準とした地表高度です。高さは、塔、気球、竪坑、トンネル、空中投下、その他の装置によって増減される距離です。ロケット爆発の場合、地表高度は「N/A」となります。Plumbbob /Johnのように、高さが絶対値か地表からの相対値か不明な場合もあります。数値や単位がない場合は値が不明であることを示し、「0」はゼロを意味します。この列の並び替えは、標高と高さを合計した値に基づいて行われます。
  5. ^大気圏内核実験、空中投下、気球、砲、巡航ミサイル、ロケット、地上核実験、タワー、はしけによる核実験はすべて、部分的核実験禁止条約（PTBT）によって禁止されている。密閉された竪坑とトンネルは地下にあり、PTBT下でも依然として有効である。意図的なクレーター形成実験は、PTBTの枠内で行われ、時には抗議の対象となり、平和利用と宣言されれば概ね容認される。
  6. ^兵器開発、兵器効果、安全性試験、輸送安全性試験、戦争、科学、共同検証、産業/平和が含まれ、さらに細分化される場合があります。
  7. ^試験項目の名称は既知の場合、「？」は先行する値について不明な点があることを示します。また、引用符で囲まれた特定の機器の愛称も示します。このカテゴリの情報は公式には公開されないことが多いです。
  8. ^推定エネルギー収量はトン、キロトン、メガトンで表されます。TNT火薬1トンは4.184ギガジュール（1ギガカロリー）と定義されています。
  9. ^即発中性子以外の大気中への放射性物質放出（既知の場合）。測定対象は、記載されている場合はヨウ素131のみ、記載されていない場合は全種。記載がない場合は不明。地下の場合はおそらく「なし」、そうでない場合は「全種」。記載がない場合は、敷地内のみで測定されたか敷地外で測定されたか（既知の場合）、および放出された放射能の測定量を記載。

参考文献

  1. ^ Moore, Richard (2021-12-03). 「ルドルフ・パイエルスによる『英国チューブ合金プロジェクト開発の概要』：1945年における英国初期の原子力研究の記録」 . Nuclear Technology . 207 (sup1): S374– S379. Bibcode : 2021NucTe.207S.374M . doi : 10.1080/00295450.2021.1910004 . ISSN  0029-5450 . S2CID  244134054 .
  2. ^ 「マンハッタン計画：モード報告書、1941年」www.osti.gov . 2023年7月20日閲覧。
  3. ^ 「MAUD報告書、1941年｜歴史文書」 www.atomicarchive.com . 2023年7月20日閲覧。
  4. ^ 「MAUD報告書、1941年｜歴史文書」 www.atomicarchive.com . 2023年7月20日閲覧。
  5. ^ a b「核分裂兵器設計の要素」、核兵器に関するよくある質問、核兵器アーカイブ
  6. ^ 「最初の核兵器：リトルボーイ」核兵器アーカイブ。2015年3月15日。2015年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年12月30日閲覧。
  7. ^ Nuclearweaponarchive.orgウェブサイトのOperation Nougat、Carey Sublette (2005)。
  8. ^ 「タイムゾーン履歴データベース」 . iana.com . 2014年3月8日閲覧。
  9. ^『ソード・オブ・アルマゲドン』第7巻、162ページ。sfn エラー: ターゲットがありません: CITEREFSwords_of_Armageddon_Volume_VII (ヘルプ)
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