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ガン型核分裂兵器は、核分裂を利用した核兵器であり、核分裂性物質を「ガン」方式、すなわち臨界未満の物質を別の物質に撃ち込むことで超臨界質量に組み立てる設計になっている。これは、2つの臨界未満の半球を押し付けて超臨界球を作る様子として描かれることもあるが、一般的には、中空の発射体を円筒形の突起に撃ち込み、その中心の穴を埋める。その名称は、まるで砲弾のように物質を砲身を通して発射するという事実に由来する。マンハッタン計画によって開発・配備されたガン型設計は、より効率的な爆縮型兵器にすぐに取って代わられた。
既知のガン型核分裂兵器はすべて高濃縮ウラン（HEU）を使用している。プルトニウム同位体の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に、ガン型設計での使用は非常に非現実的である。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、核分裂性物質が爆縮設計のように圧縮（およびそれに伴う密度の増加）を受けないことである。代わりに、ガン型爆弾は、娘中性子が超臨界質量から脱出する前に、平均して1つ以上の235U原子核と衝突するのに十分な平均自由行程の距離を移動しなければならないほどのウランを蓄積することによって、超臨界質量を構築する。初期の爆縮型兵器の複合コアでは、HEUをより効率的に使用できた可能性がある。
ガン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レポート[ 2 ]では、「約25ポンドの活性物質を含む効果的なウラン爆弾は、破壊効果に関して1,800トンのTNTに相当する」と説明されています。[ 3 ]この爆弾はガン型設計を使用して「2つの半分を高速で衝突させ、通常の爆薬を装填した二重砲の形で同時に発射することでこれを実現する」とされています。[ 4 ]
この方法は、米国で知られている 4 つのプログラムに適用されました。まず、広島で爆発した「リトルボーイ」兵器と、第二次世界大戦後に準備された同じ設計の追加ユニット、40 発のマーク 8爆弾と、その後継機である 40 発のマーク 11爆弾です。マーク 8 とマーク 11 の設計はどちらも地中貫通爆弾 (核バンカーバスターを参照) として使用することを目的としており、初期の爆縮型兵器が衝撃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によって、しばらくの間、砲撃型方式が好まれました。2 番目のプログラムは、11 インチ (280 mm)核砲弾のファミリー、W9とその派生型W19 、および米国海軍の戦艦用に 16 インチ (406 mm) 砲弾に再パッケージ化された W19 、 W23です。3 番目のファミリーは、8 インチ (203 mm) 砲弾、W33です。
南アフリカは、ガン型原理に基づいた6つの核爆弾も開発しており、同じ基本設計を用いたミサイル弾頭の開発にも取り組んでいた。詳しくは「南アフリカと大量破壊兵器」を参照のこと。
現在、ガン型核兵器は運用されていないことが知られている。先進的な核兵器保有国は、ガン型核兵器の設計を放棄し、代わりに爆縮型核兵器を採用する傾向にあった。爆縮型核兵器は、ブースト型核分裂兵器や熱核兵器の製造にも使用された。世界中で過去に製造されたガン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原爆の仕組みとほぼ同じで、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 ）、長さは7インチ（17.8cm ）、直径は6.25インチ（15.9cm ）でした。中空の円筒形のため、臨界未満でした。動力源はコルダイト爆薬でした。ウラン製の標的の突起は約57.3ポンド（26kg ）でした。弾丸と標的はどちらも、複数のリングを積み重ねた構造でした。
「リング」の使用には2つの利点があった。1つは、より大きな弾丸を確実に臨界未満状態に維持できること（中空の柱が、弾丸が他の材料と過度に接触するのを防ぐ役割を果たした）、もう1つは、同じ弾丸を使用しながらリングを1つだけ使用して臨界未満状態のアセンブリをテストできることである。
銃身の内径は6.5インチ（16.5cm ）でした。長さは70.8インチ（1.8m ）で、弾丸が標的に接触する前に、毎秒約1,000フィート（300m /s）[ 5 ]の最終速度まで加速することができました。
弾丸が9.8インチ（25cm ）の距離にあるとき、その組み合わせ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、一部の自由中性子によって連鎖反応が起こる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 ミリメートル（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。
これは、爆発が起こる前に物質を吹き飛ばす前爆轟、すなわちフィズルを引き起こす可能性がある。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ある。これはまた、発射体の速度が十分に速くなければならないことを意味する。速度を上げることは可能だが、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させるための推進ガスの圧力を高める必要がある。
リトルボーイの場合、ウラン中の20%の238Uは毎秒70回の自発核分裂を起こしていた。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爆発の確率が非常に高かった。核分裂1回につき平均2.52個の中性子が生成され、それぞれの中性子が1:2.52以上の確率で別の核分裂を起こす。完全組み立て前の1.35ミリ秒の超臨界状態の間、核分裂の確率は10%であり、それよりやや低い爆発前段階の確率であった。
当初、マンハッタン計画におけるガン型爆弾の開発は、プルトニウムを核分裂性物質の供給源とするガン型兵器、その極めて長い形状から「シンマン」と呼ばれるものの開発を目指していた。プルトニウム製のガン型爆弾が開発できれば、ウラン製のガン型爆弾は比較的容易に製造できると考えられていた。しかし、1944年4月、原子炉で生成されたプルトニウム（Pu-239 ）には、プルトニウムの別の同位体であるPu-240が混入しており、これが自発的な中性子放出率を高め、早期爆発を不可避にすることが判明した。このため、ガン型爆弾は濃縮ウラン燃料でのみ使用可能と考えられている。高純度プルトニウムを弾丸のみに使用した複合設計は、可能性はあるものの、実現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プルトニウム爆縮型兵器「ファットマン」の開発に注力するようになった。そして、核兵器開発計画は完全にウラン爆弾の開発へと転換した。
リトルボーイでは80％グレードの235Uが132ポンド（60kg） （つまり106ポンドまたは48キログラム）使用されたが、最小値は約44～55ポンド（20～25kg ）であり、爆縮方式の33ポンド（15kg）と比較すると少ない。
リトルボーイの目標とする未臨界質量は、炭化タングステン（WC）製のニュートロン反射材で覆われていた。ニュートロン反射材の存在により、連鎖反応中のニュートロン損失が低減され、必要なウラン燃料の量が削減された。より効果的な反射材としては金属ベリリウムが考えられるが、これは戦後、テッド・テイラーが「スコーピオン」と呼ばれる爆縮設計を開発するまで知られていなかった。
「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、戦争で使用する前に設計の実地試験を行わなかった（ただし、ルイ・スロティンなどの科学者は、臨界未満の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、1つの装置に必要なウラン235しか入手できなかったため、配備前に試験することは不可能だった。設計は一度も実証試験を受けなかったものの、装置が誤作動しても敵に鹵獲される危険性はないと考えられていた。たとえ「不発」であっても装置は完全に崩壊するはずであり、「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、装置が地面に落下しても全く爆発しない可能性は、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。イニシエーターは、設計が「ターゲット捕捉」（本質的には、2 つの臨界未満の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こと）を使用している限り、効果的なガン設計に厳密には必要ではありません。 [6 ] [5 ] 毎秒 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、この場合は問題になりません。イニシエーターは、リトルボーイの設計の後半になってから追加されました。
拡散やテロリストによる使用のリスクに関して言えば、比較的単純な設計が懸念材料となる。なぜなら、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である。十分な量の高濃縮ウランがあれば、技術的に比較的未熟な国や集団でも、効率は低いものの、非常に強力なガン型核兵器を製造できてしまう可能性がある。
技術的に進んだ国にとって、ガン型方式は効率と安全性の理由から（後述）、現在では実質的に時代遅れとなっている。ガン型方式は、爆縮方式が完成するとすぐに米国によってほぼ放棄されたが、核砲という特殊な役割ではしばらくの間保持された。英国やソ連などの他の核保有国は、この種の兵器を製造したことはない。この技術は、高濃縮ウラン235の使用を必要とするだけでなく、他にも深刻な制約がある。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、ガン型兵器を約5基製造したが、爆縮型兵器は製造しなかった。その後、彼らは核兵器計画を完全に放棄した。彼らは核兵器を放棄した点で独特であり、おそらく爆縮型兵器ではなくガン型兵器を製造した点でも独特であった。
銃型兵器には安全上の問題もある。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含む兵器は、本質的に危険である。さらに、兵器が航空機から海に投下された場合、海水の減速効果によって、兵器自体に物理的な損傷がなくても臨界事故が発生する可能性がある。一方、爆縮型兵器では、爆薬レンズが適切に爆発しない限り、通常は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、これらの問題はどちらも発生しない。
砲弾の設計は、よりシンプルな構造のため、砲弾による急激な加速やGフォースに耐えられるように設計しやすく、また、砲弾の直径が小さいため、既存の砲から発射できる砲弾に比較的容易に適合させることができることから、核砲弾にも応用されている。
アメリカの砲型核砲兵器W9は、1953年5月25日にネバダ核実験場で実験された。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・グレーブル。280mm（11インチ）砲弾が10,000m （33,000フィート）上空から発射され、地上160m （520フィート）で爆発し、推定15キロトンの威力があった。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（365kg対4,000kg、または805ポンド対8,819ポンド）だった。砲弾の長さは1,384mm （54.5インチ）だった。
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ある。特別に製造された砲（通称「アトミック・アニー」）から発射された。1952年から1953年にかけて80発が製造され、1957年に退役した。
W19もまた、 W-9の長砲身型である280mm砲弾型の核砲弾であった。80発の弾頭が製造され、このシステムは1963年に退役した。
W33は、1957年から製造され、1992年まで使用された、より小型の8インチ（203mm ）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発は屋外の気球の下に吊り下げられ、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た。
銃型の兵器は、広島への攻撃で使用されたマーク1を除いて、わずか3回しか試験運用されていない。