強化された核分裂兵器

ブースト核分裂兵器とは、通常、少量の核融合燃料を使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爆弾を指します。核融合反応によって放出された中性子は、核分裂によって放出された中性子に追加され、より多くの中性子誘発核分裂反応が起こるようになります。これにより、核分裂速度が大幅に増加し、核が爆発的に分解する前に、より多くの核分裂性物質が核分裂を起こすことができます。核融合プロセス自体は、プロセスにわずかな量のエネルギー、おそらく1％を追加します。^[1]

もう一つの意味は、大規模な熱核融合を利用して、劣化ウランの核分裂を引き起こすことができる高速中性子を生成するが、二段式 水素爆弾ではない、時代遅れの単段式核爆弾である。このタイプの爆弾は、エドワード・テラーによって「目覚まし時計」と呼ばれ、アンドレイ・サハロフによって「スロイカ」または「レイヤーケーキ」と呼ばれた（知られている限り、テラーとサハロフは独立してこのアイデアを開発した）。^[2]

ブーストのアイデアは、もともと1947年後半から1949年後半にかけてロスアラモスで考案されました。^{[3]ブーストの主な利点は、}臨界質量が爆発する前に高速中性子を突然流入させることで、超臨界核爆発に必要な最小慣性閉じ込め時間を短縮し、核兵器をさらに小型化できることです。これにより、アルミニウムプッシャーとウランタンパー、およびそれらと核分裂性物質を超臨界状態に押し込むために必要な爆薬が不要になります。かさばるファットマンは直径5フィート（1.5メートル）で、爆縮に3トンの高性能爆薬を必要としましたが、ブーストされた核分裂一次核弾頭を小型の核弾頭（ W88など）に取り付けて、熱核二次核弾頭に点火することができます。

核分裂爆弾では、核分裂性燃料は、従来の爆薬で作り出される均一な球状の爆縮によって急速に「組み立てられ」、超臨界質量を生成する。この状態では、原子核の核分裂によって放出された中性子の多くが、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て、連鎖反応を引き起こす。この反応では、爆弾が爆発するまでに最大で燃料の 20% が消費されるが、条件が理想的でない場合は、それよりはるかに少ない量しか消費されない可能性がある。リトルボーイ(銃型機構) とファットマン(爆縮型機構) 爆弾の効率は、それぞれ 1.38% と 13% であった。

核融合の促進は、三重水素ガスと重水素ガスを導入することで達成されます。固体の重水素化リチウム三重水素化物も使用されることがありますが、ガスの方が柔軟性が高く（外部に保管できる）、核分裂燃料球の中心にある空洞、または外層と「浮遊」した内核の間の隙間に、爆縮前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、比較的大量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、連鎖反応の最終段階が加速され、爆発によって臨界質量が分解される前に、核分裂性物質の約 2 倍が核分裂します。

重水素-三重水素核融合中性子は非常にエネルギーが高く、平均的な核分裂中性子の7倍のエネルギーを持っています。 ^[4]そのため、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高くなります。これにはいくつかの理由があります。

1. これらの高エネルギー中性子が核分裂性原子核に衝突すると、核分裂によってはるかに多数の二次中性子が放出されます (例: Pu-239 の場合は 2.9 に対して 4.6)。
2. これらの中性子が核分裂性原子核と相互作用する可能性は、核分裂反応に典型的な低エネルギー中性子の場合よりも高く、プルトニウムまたはウラン原子核の「衝突」によって核分裂が起こる領域ははるかに大きくなります。より正式には、高エネルギー中性子の核分裂断面積は、絶対値でも、散乱断面積および捕獲断面積に比例しても大きくなります。

その結果、炉心内の中性子数が倍増するのにかかる時間は、約 8 分の 1 に短縮されます。^[4] 核融合促進の潜在的な貢献の大きさは、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) の完全核融合によって 1 モルの中性子 (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) のプルトニウムが直接核分裂して 4.6 モルの二次中性子が生成され、それがさらに 4.6 モルのプルトニウム (1,099 グラム) を核分裂させることができることを観察することでわかります。この1,338 gのプルトニウムの最初の2世代の核分裂では、TNT換算で23 ^[5] キロトン（97 TJ）のエネルギーが放出され、4.5 kgのプルトニウム（典型的な小型核分裂誘発剤）を含む爆弾の効率は29.7%になります。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。核融合ブースト後の連鎖反応は第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]

核融合で強化された核分裂爆弾は、近くの核爆発による中性子放射線の影響を受けないようにすることもできる。他の設計では、中性子放射線が原因で早期爆発し、高い威力を発揮することなく自爆してしまうことがある。威力に対する軽量化と放射線に対する耐性の組み合わせにより、現代の核兵器のほとんどは核融合で強化されている。

核融合反応率は、通常 20 から 30メガケルビンで顕著になります。この温度に達すると、核分裂性物質の 1% 未満が核分裂します (TNT 火薬数百トン相当の威力に相当)。臨界時に中性子が存在していてもこの範囲の威力を達成する爆縮兵器を設計できるため、核融合ブーストにより、事前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と思われます。^[4]

ある兵器設計者によると、1945年以降、核分裂兵器の効率が100倍も驚異的に向上したのは主にブーストによるものだという。^[6]

ジョー4やソ連の「レイヤーケーキ」（「スロイカ」、‹TFDを参照›ロシア語：Слойка ）などの初期の熱核兵器の設計では、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、核分裂性核の周囲にリチウム6重水素の層があり、さらにその周囲に劣化ウランの層があった。一部の設計（レイヤーケーキを含む）では、これらの物質が交互に数層重ねられていた。ソ連のレイヤーケーキは、結局作られなかったアメリカのアラームクロックの設計や、作られたがテストされなかったイギリスのグリーンバンブーの設計に似ていた。

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、その一部が逃げてリチウム 6の原子に衝突し、三重水素が生成される。核分裂によって生成された温度では、三重水素と重水素は高レベルの圧縮なしに熱核融合を起こすことができる。三重水素と重水素の融合により、14 MeVのエネルギーを持つ中性子が生成されます。これは、反応を開始した中性子の 1 MeV よりもはるかに高いエネルギーです。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が、この種の兵器における核融合の主な目的です。次に、この 14 MeV の中性子はウラン 238 の原子に衝突して核分裂を引き起こします。この核融合段階がなければ、ウラン 238 の原子に衝突した元の 1 MeV の中性子はおそらく吸収されたままになっていたでしょう。この核分裂によりエネルギーと中性子が放出され、残りのリチウム 6 からさらにトリチウムが生成されるというサイクルが連続的に繰り返されます。ウラン 238 の核分裂によるエネルギーは兵器に有効です。劣化ウランは高濃縮ウランよりもはるかに安価であり、臨界状態になることがないため壊滅的な事故に巻き込まれる可能性が低いためです。

この種の熱核兵器は、核融合から最大 20% の威力を生み出し、残りは核分裂から生み出されます。また、威力は質量と直径の実際的な問題により、TNT 火薬換算で 1メガトン(4 PJ ) 未満に制限されます。Joe-4 は、TNT 火薬換算で 400 キロトン (1.7 PJ) の威力を発揮しました。これと比較して、「真の」水素爆弾は、核融合から最大97% の威力を生み出すことができ、その爆発威力は装置のサイズによってのみ制限されます。

トリチウムは半減期が12.355年の放射性同位体である。その主な崩壊生成物はヘリウム3であり、これは中性子捕獲断面積が最も大きい核種の1つである。したがって、定期的に兵器のヘリウム廃棄物を洗い流し、トリチウムを補充する必要がある。これは、兵器のトリチウム供給内のヘリウム3が兵器の爆発中に毒物として作用し、核分裂燃料の原子核と衝突するはずの中性子を吸収するためである。^[7]

トリチウムは比較的生産コストが高い。なぜなら、各トリトン（トリチウム原子核）は、原料（リチウム6、重水素、またはヘリウム3）に衝突するために使用される少なくとも1つの自由中性子を生成する必要があるからである。さらに、損失と非効率性のため、必要な自由中性子の数は、各トリトンに対して2に近くなる。トリチウムはすぐに崩壊し始めるため、収集、保管、および生産施設から現場の兵器への輸送中に損失が発生する。自由中性子を生成するには、トリチウム生産施設専用の増殖炉または粒子加速器（破砕ターゲット付き）のいずれかの稼働が必要である。 ^{[8] [9]}

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