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変調中性子起爆装置は、作動時に中性子バーストを生成できる中性子源です。核兵器において重要な役割を担っており、構成が即発臨界状態にある最適なタイミングで連鎖反応を「開始」させる役割を果たします。内部中性子起爆装置とも呼ばれます。起爆装置は通常、プルトニウムピットの中心に配置され、収束する衝撃波の衝突によって作動します。
核兵器の適切な作動における重要な要素の一つは、適切なタイミングで核分裂連鎖反応を開始することである。十分な核収量を得るためには、適切なタイミングで超臨界炉心内に十分な中性子が存在しなければならない。連鎖反応が早すぎると（「プレデトネーション」）、設計仕様をはるかに下回る「不発収量」しか得られない。逆に遅すぎると、炉心は膨張して密度の低い状態に崩壊し始め、収量が低下する（炉心物質の核分裂率が低下する）か、あるいは全く収量が得られない（炉心が臨界質量を失ってしまう）ことになる。したがって、ピット物質からの自発中性子放出が少ないことが極めて重要となる。
ブースト型核分裂兵器の場合、中央に配置された起爆装置のサイズは極めて重要であり、可能な限り小型化する必要がある。外部中性子源を用いることで、出力の可変性など、より柔軟な運用が可能となる。
通常の設計は、活性化まで分離され、その後衝撃波によって密接に接触させられるベリリウム-9とポロニウム-210の組み合わせに基づいています。ポロニウム-208とアクチニウム-227もアルファ線源として検討されました。使用される同位体は、強いアルファ線放出と弱いガンマ線放出を持つ必要があります。ガンマ光子も中性子をはじき出す可能性があり、アルファ粒子ほど効率的に遮蔽できないためです。[ 1 ]金属の適切な混合を保証するシステムの寸法と機械的構成が異なるいくつかのバリエーションが開発されました。
アーチンは、ロスアラモス研究所が使用した内部中性子起爆装置のコードネームであり、従来の爆薬の力によって臨界質量が「組み立てられた」後、ガジェットやファットマンなどの初期のプルトニウム原子爆弾の核爆発を引き起こすための中性子発生装置として機能した。
初期の装置で使用された起爆装置は、爆弾のプルトニウムピットの中心に位置し、ベリリウムペレットと、その間にポロニウム210を挟んだベリリウムシェルで構成されていた。直径8 mm（1/3インチ）のペレットはニッケルでコーティングされ、その上に金の層が重ねられていた。ベリリウムシェルは外径20 mm（4/5インチ）、壁厚6 mm（1/4インチ）であった。シェルの内面には15個の同心円状の楔形の横方向の溝があり、内側の球体と同様に金とニッケルでコーティングされていた。[2][3] 少量のポロニウム210（50キュリー、11 mg）がシェルの溝と中心の球体に堆積され、金とニッケルの層はポロニウムから放出されるアルファ粒子からベリリウムを遮蔽する役割を果たした。ウニ全体の重さは約7グラム（1/4オンス）で、穴の直径2.5cm（1インチ）の内部空洞に取り付けブラケットで固定されていた。 [ 4 ]
プルトニウムコアの爆縮による衝撃波が到達すると、起爆装置が押しつぶされます。溝付きシェルに作用する流体力によって、ベリリウムとポロニウムがほぼ瞬時に完全に混合され、ポロニウムからのアルファ粒子がベリリウム原子に衝突します。アルファ粒子の衝突に反応して、ベリリウム原子は5～10ナノ秒ごとに約1個の中性子を放出します（ベリリウムを参照）。これらの中性子が、圧縮された超臨界プルトニウムで連鎖反応を引き起こします。2つの大きなベリリウム塊の間にポロニウム層を配置することで、衝撃波の乱流が不十分な場合でも金属同士の接触が確保されます。
50 キュリーのポロニウムは約0.1ワットの崩壊熱を発生させ、小さな球体を著しく温めた。[ 5 ]
シェルの内面にある溝は、成形炸薬と同様に、衝撃波をマンロー効果によってジェット状に成形し、ベリリウムとポロニウムを迅速かつ徹底的に混合した。マンロー効果は直線形状では信頼性が低いため、後の設計では直線状の溝の代わりに、円錐形またはピラミッド形の内側のくぼみを持つ球体が使用された。一部のイニシエーター設計では、中央の球体を省略し、中空構造にしている。中空構造の利点は、信頼性を維持しながら小型化できる可能性があることである。
ポロニウム210の半減期が短い（138日）ため、開始剤の頻繁な交換と製造のためのポロニウムの継続的な供給が必要でした。なぜなら、その保存期間は約4か月しかなかったからです。[ 6 ]後期の設計では、保存期間が1年にも及びました。
米国政府はポロニウムのコードネームとして「ポスタム」を使用していた。[ 7 ]
中性子開始剤としてポロニウムを使用することは、1944 年にエドワード・コンドンによって提案されましたが、1943 年 4 月に行われた「ロスアラモス入門」講義では、開始剤としてのポロニウムの可能性が言及されていました。最終的な「ウニ型」開始器は、ジェームズ・L・タック[ 8 ]とハンス・ベーテ[ 9 ]によって設計され、その開発と試験は、チャールズ・クリッチフィールド[ 10 ]が率いるロスアラモス国立研究所の「ガジェット」部門の開始器グループで行われました。他のポロニウム・ベリリウム開始器の設計も検討されましたが、1945 年 5 月初旬にエンリコ・フェルミとニールス・ボーアの意見を取り入れて、「ウニ型」が生産設計として選ばれました。[ 9 ]
戦時兵器で使用された起爆装置は、組み立ての重要な約1マイクロ秒の間に約100個の中性子を生成したと推定されている。[ 11 ]
リトルボーイウラン爆弾には、別の起爆装置（コードネームABNER）が使用されました。その設計はより単純で、ポロニウムの含有量も少なかったです。ウラン弾が標的に衝突すると作動しました。これは後付けで設計に追加されたもので、兵器の機能には不可欠ではありませんでした。[ 12 ]
円錐形またはピラミッド形のくぼみを基にした改良型起爆装置が1948年に提案され、 1950年1月にロスアラモス研究所で生産が開始され、1951年5月に試験が行われた。TOM設計では、ポロニウム1ミリグラムあたりの中性子数がUrchinよりも多かったため、ポロニウムの使用量が少なかった。外径はわずか1cmであった。TOM起爆装置の最初の実弾試験は、1951年1月28日、 Operation Ranger のBaker-1ショット中に行われた。[ 13 ] TOM起爆装置の起爆時間と収量データの校正実験は、 Operation Snapperの1952年5月25日のFox試験中に実施された。
1974年、インドはスマイリング・ブッダ核実験を実施した。コードネーム「フラワー」と呼ばれる起爆装置は、ウニと同じ原理に基づいていた。ポロニウムは、表面積を最大化するために蓮の形をした白金ガーゼに塗布され、タンタル球で覆われ、さらにベリリウムペレットが埋め込まれたウラン殻で囲まれていたと考えられている。他の情報源によると、設計はウニにより似ており、ベリリウム殻は爆縮時にベリリウムジェットを生成するように成形されていた。起爆装置の外径は1.5cm 、または「約2cm」と報告されている。[ 14 ]
ウラン重水素化物（UD 3）は中性子増倍器の構築に使用できる。[ 15 ] [ 16 ]
ブースト型核分裂兵器や外部中性子発生器を用いた兵器は、出力可変の可能性を秘めており、戦術的なニーズに応じて兵器の出力を選択できる。
ウニ型核融合反応開始剤に使用されたポロニウムは、オークリッジ国立研究所で合成され、その後、チャールズ・アレン・トーマスの指揮の下、デイトン計画の一環として抽出・精製された。デイトン計画は、マンハッタン計画を構成する様々な拠点の1つであった。
1949年、オハイオ州マイアミスバーグ近郊にマウンド研究所がデイトン計画の後継として開設され、核起爆剤の研究開発の新たな拠点となった。ポロニウム210はビスマスに中性子を照射することで製造された。マウンドでのポロニウムの製造と研究は1971年に段階的に終了した。[ 17 ]
デイトン産のポロニウムは、ロスアラモス国立研究所のG部門によって、サンディアキャニオンの試験場で起爆装置の設計研究に使用された。起爆装置グループは、大型タービンボールベアリングに穴を開け、活性物質を挿入し、ボルトで穴を塞ぐことで試験アセンブリを作成した。これらの試験アセンブリはスクリューボールとして知られていた。試験アセンブリは爆縮され、その残骸が研究され、ポロニウムとベリリウムがどれだけよく混ざったかが調べられた。[ 18 ]
ベリリウム・ポロニウムTOM起爆装置の生産は1953年に終了した。起爆装置は別の設計のものに置き換えられ、兵器の威力はわずかに低下したが、保管期間が長くなったことで兵站の複雑さが軽減された。[ 19 ] 1954年後半に導入された密閉型中性子起爆装置は、保守点検のためにカプセルにアクセスするために定期的な分解が必要だった。カプセルは1962年に完全に廃止された。[ 20 ]
ウニ型起爆装置は後に、ポロニウムを使用しないパルス中性子放出装置など、他の中性子発生手段に取って代わられた。ポロニウムの代わりに半減期12.3年のトリチウムを使用することで、交換間隔が大幅に長くなった。中性子は大きな質量を容易に通過するため、これらの装置はピットの外側に設置され、電気的に制御される。これらの起爆装置は制御性が向上し、兵器の信頼性が大幅に向上した。