銃型核分裂兵器

ガン型核分裂兵器は、核分裂をベースとした核兵器で、その設計では「ガン」方式、すなわち、1 つの未臨界物質を別の未臨界物質に撃ち込む方式を使用して、核分裂性物質を超臨界物質に組み立てます。これは、2 つの未臨界半球を一緒に押し込んで超臨界球を作るものとして描かれることもありますが、通常は中空の発射体がスパイクに撃ち込まれ、スパイクが中心​​の穴を埋めます。その名前は、物質を発射体のように 砲身を通して撃ち込むという事実に由来しています。

これは比較的ゆっくりとした組み立て方法であるため、プルトニウムは純粋に²³⁹ Pu 同位体でない限り使用できません。不純物のないプルトニウムの製造は非常に困難で非現実的です。必要なウランの量が比較的多いため、全体的な効率は比較的低くなります。その主な理由は、ウラン金属は爆縮設計のように圧縮されない (したがって密度が増加) ためです。代わりに、銃型爆弾は、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ほど大量のウランを蓄積することによって超臨界質量を組み立て、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ります。

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だった。 ^[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1,800トンのTNT火薬と同等である」と説明した。^[3]この爆弾は銃型設計を使用して「2つの半分を高速で結合し、通常の爆薬を装填して二重銃の形で一緒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」。^[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同じ設計で製造された数個の追加ユニットで、マーク8爆弾40個と、その後継のマーク11爆弾40個である。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意図していた（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、砲型の方式を好んだ。2つ目の計画は、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されたW19であるW23である。3つ目のファミリーは、8インチ（203 mm）砲弾のW33である。

南アフリカはまた、銃型の原理に基づいた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、使用されている銃型兵器は知られていない。先進核兵器国は、爆縮型兵器、ブースト核分裂兵器、熱核兵器を優先して、この設計を放棄する傾向にある。新しい核兵器国は、ブースト核分裂兵器と熱核兵器のみを開発する傾向がある。これまでに世界中で製造された既知の銃型核兵器はすべて解体されている。

「銃」方式は、広島で爆発したリトルボーイ兵器の仕組みとほぼ同じで、核分裂物質としてウラン 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 (39 kg)、長さは 7 インチ (17.8 cm)、直径は 6.25 インチ (15.9 cm) でした。中空の円筒形であるため、臨界未満でした。動力源はコルダイトでした。ウランの標的スパイクの重量は約 57.3 ポンド (26 kg) でした。弾丸と標的は、複数のリングが積み重ねられて構成されていました。

「リング」の使用には 2 つの利点がありました。1 つは、大きな弾丸が確実に臨界未満のままでいられること (中空の柱は、材料が他の材料と過度に接触しないようにする役割を果たしました)、もう 1 つは、同じ弾丸を使用してリングを 1 つだけ使用して臨界未満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 最終速度である約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 9.8 インチ (25 cm) の距離にあるとき、結合は臨界状態になります。つまり、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ということです (核連鎖反応を参照)。

通常、連鎖反応には 1 μs (100 回の振動)未満かかり、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、その間に弾丸はほとんど動きません。

これにより、爆発を起こす前に材料を吹き飛ばす前駆爆発であるフィズルが発生する可能性があります。したがって、この時点で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、発射体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できますが、そのためには、より長く重い銃身、また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²³⁸ U 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、核分裂のたびに爆発の確率が高くなります。核分裂ごとに平均 2.52 個の中性子が生成され、中性子ごとに 1:2.52 以上の確率で別の核分裂が発生します。完全な組み立て前の 1.35 ミリ秒の超臨界状態の間、核分裂の確率は 10% で、爆発前の確率はそれよりやや低くなります。

当初、マンハッタン計画の銃型爆弾の開発は、核分裂性物質の原料としてプルトニウムを使用する銃兵器の製造に向けられており、その長さから「シンマン」と呼ばれていた。プルトニウム銃型爆弾が製造できれば、ウラン銃型爆弾はそれに比べて非常に簡単に製造できると考えられていた。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、事前爆発が避けられなくなった。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。高品位プルトニウムを弾丸のみに使用する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、ロスアラモスは爆縮型プルトニウム兵器「ファットマン」の開発に取り組みを転換しました。銃の計画は完全にウラン爆弾の開発に切り替えられました。

リトルボーイでは、80%グレードの²³⁵ U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である臨界未満の質量は、タングステンカーバイド(WC)製の中性子反射体で囲まれていました。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り、必要なウラン燃料の量も減りました。より効果的な反射体の材料は金属ベリリウムですが、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、その成功に十分自信を持っていたため、戦争で使用する前に設計を実地テストしませんでした (ただし、ルイス・スローティンなどの科学者は、臨界未満のアセンブリを使用した非破壊テスト、つまり「ドラゴンのしっぽをくすぐる」というあだ名が付けられた危険な実験を実行しました)。いずれにせよ、配備前にテストすることはできませんでした。1 つの装置に十分な U-235 しかなかったためです。設計は実証テストされませんでしたが、装置が故障しても敵に捕獲されるリスクはないと考えられていました。たとえ「不発」でも装置は完全に崩壊していたでしょうが、「リトルボーイ」設計に組み込まれた複数の冗長性により、装置が地面に落ちても爆発しない可能性はごくわずかでした。

連鎖反応を適切なタイミングで素早く開始するために、中性子トリガー/イニシエーターが使用されます。効果的な銃の設計には、イニシエーターは厳密には必要ではありません。^{[6] [5]}ただし、設計で「ターゲットキャプチャ」が使用されている限り (本質的には、2 つの亜臨界質量が同時に発射されると、爆発するまで分離できないようにする)、イニシエーターは必須ではありません。1 秒間に 70 回の自発核分裂を考慮すると、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、問題にはなりません。イニシエーターは、リトルボーイの設計の最終段階でのみ追加されました。

拡散やテロリストによる使用のリスクに関しては、他の方法ほど高度な工学や製造を必要としないため、比較的単純な設計が懸念される。十分な量の高濃縮ウランがあれば、技術的に比較的洗練されていない国やグループでも、非効率的ではあるが、それでもかなり強力な銃型核兵器を作ることができる。

技術的に進んだ国々にとって、銃型の方法は、効率と安全性（上記で論じた）の理由により、現在では基本的に時代遅れとなっている。米国は、爆縮技術が完成するとすぐに銃型の方法をほぼ放棄したが、しばらくの間、核砲という特殊な役割で銃型を保った。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。この技術には、高濃縮ウラン235の使用が必要なほか、他にも厳しい制限がある。爆縮技術は、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採用されるさまざまな方法に非常に適している。アパルトヘイト時代の南アフリカは、銃型兵器を約5つ製造したが、爆縮型兵器は製造しなかった。後に同国は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、同国はユニークであった。

銃型兵器にも安全性の問題があります。たとえば、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含む兵器は、本質的に危険です。さらに、航空機から海に兵器を落下させた場合、海水の減速効果により、兵器が物理的に損傷しなくても臨界事故が発生する可能性があります。爆縮型兵器では、通常、爆発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ないため、どちらも起こりません。

砲方式は核砲弾にも応用されている。これは、よりシンプルな設計の方が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しやすく、また砲型の設計は直径が小さいため、既存の砲から発射できる砲弾に比較的簡単に取り付けることができるためである。

アメリカのガン型核砲兵器であるW9は、1953年5月25日にネバダ州核実験場で試験された。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、コードネームはショット・グラブルで、280 mm (11 in) 砲弾が高度10,000 m (33,000 ft) まで発射され、地上160 m (520 ft) で爆発し、推定威力は15キロトンであった。これはリトルボーイとほぼ同じ威力だが、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 in) であった。

これは、米国のテスト プログラムで実際に発射された唯一の核砲弾 (砲から発射された) です。これは、アトミック アニーというニックネームの付いた特別に製造された砲から発射されました。1952 年から 1953 年にかけて 80 個の砲弾が製造されました。1957 年に退役しました。

W19も280 mm 砲型核弾頭で、W-9 の長尺版である。80 個の弾頭が製造され、このシステムは 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発が試験発射され（砲から発射されたのではなく、爆発した）、1発は野外で気球の下に吊るされ、1発はトンネル内で試験された。^[7]

後のバージョンは爆縮設計に基づいていました。

• マーク 1「リトルボーイ」、1945–1951
• マーク2「シンマン」、1944年にキャンセル
• マーク8（バンカーバスター）、1952年～1957年
• マーク10、1952年にキャンセル
• マーク11（バンカーバスター）、1956年～1960年

• W9 , 1952–1957
• W19、1955–1963​
• W23 , 1956–1962
• W33 , 1957–1992

• T-4 原子爆弾、1957-1963
• W8はSSM-N-8レグルス巡航ミサイル用で、1955年にキャンセルされた。

• 「リトルボーイ」のシミュレーション 銃型設計の原子爆弾「リトルボーイ」のインタラクティブシミュレーション