ピット（核兵器）

タンパーとピットの間に空隙を設けることで、ピットに衝突する前に衝撃波が急速に加速し、爆縮の効率を高めることができる。この方法は浮上ピット爆縮として知られている。浮上ピットは1948年にファットマン型爆弾（マークIV ）で試験された。浮上ピットを備えた初期の兵器は、オープンピットと呼ばれる取り外し可能なピットを備えていた。それは鳥かごと呼ばれる特別なカプセルに別々に保管されていた。^{[ 9 ]}

中空ピットの爆縮中、プルトニウム層は内側に加速し、中央で衝突して超臨界の高密度球体を形成する。運動量が増加するため、プルトニウム自体がタンパーの役割の一部を果たし、タンパー層のウランの必要量が少なくなり、弾頭の重量とサイズが減少する。中空ピットは固体ピットよりも効率的だが、より正確な爆縮が必要となるため、最初の兵器設計では固体の「クリスティ」ピットが好まれた。1945年8月の戦争終結後、研究所は再び中空ピットの問題に焦点を当て、その年の残りの期間は、クリスティのグループリーダーであり理論部門の後継者であるハンス・ベーテが率い、プルトニウムのコストとハンフォード原子炉の立ち上げの困難さから、中空複合炉心に最も関心が寄せられた^{[ 10 ]}。

中空ピットの効率は、爆縮直前に重水素と三重水素の50％／50％混合物を空洞内に注入することでさらに向上させることができ、これは「核融合ブースト」と呼ばれています。また、これにより、爆発を成功させるために必要なプルトニウムの最小量も減少します。重水素・三重水素混合物の注入量と、外部発生器からのニュートロンパルスのタイミングと強度の両方によって、起爆をより高度に制御できるようになったことで、可変出力兵器の設計が容易になりました。

核兵器開発の初期段階では、プルトニウム239の供給が不足していた。ピットに必要な量を減らすために、複合コアが開発された。これは、中空のプルトニウムの殻を、当時より豊富にあった高濃縮ウランの外殻で囲んだものである。複合コアは、1947年末までにマーク3核爆弾に使用可能になった。 ^{[ 11 ]}例えば、米国のマーク4爆弾の複合コアである49-LCC-Cコアは、2.5kg のプルトニウムと 5kgのウランでできていた。その爆発では、プルトニウムのエネルギーの35%とウランの25%しか放出されないため、効率は高くないが、プルトニウムの重量削減は大きい。^{[ 12 ]}

異なるピット材料を検討するもう 1 つの要因は、プルトニウムとウランの挙動の違いです。^{[ 13 ]}プルトニウムは核分裂が速く、より多くのニュートロンを生成しますが、当時は製造コストが高く、利用可能な原子炉の制限により希少でした。ウランは核分裂が遅いため、より超臨界質量に組み立てることができ、兵器の出力を高くすることができます。複合炉心は 1945 年 7 月には既に検討されており、複合炉心は 1946 年に利用可能になりました。ロスアラモスの優先事項は、当時全ウランピットの設計でした。新しいピット設計は、サンドストーン作戦でテストされました。

プルトニウムのみの炉心は、背景中性子率が高いため、早期爆発の確率が高く、収量が低下した。^{[ 14 ]}この確率を最小限に抑えるには、プルトニウムの質量を小さくする必要があり、達成可能な収量は約 10 kt に制限されるか、非現実的なほど低いレベルのプルトニウム 240 汚染を伴う高純度プルトニウム 239 を使用する必要があった。複合炉心の利点は、早期爆発のリスクを低く抑えながらより高い収量を維持できること、および利用可能な両方の核分裂性物質を利用できることであった。収量の制限は、1950 年代半ばに核融合ブーストの出現、そして後に核融合兵器の使用によって無関係になった。^{[ 15 ]}

兵器の威力は、選択可能なピットの中から選ぶことによっても制御できます。たとえば、マーク4核爆弾には、49-LTC-C（浮遊ウラン235、1948年5月14日のゼブラ実験でテスト）、49-LCC-C（浮遊複合ウラン・プルトニウム）、および50-LCC-C（浮遊複合）の3種類のピットを装備できます。^{[ 16 ]}このアプローチは、取り外し不可能なピットを備えたより現代的な兵器の威力を現場で選択するには適していませんが、さまざまな戦術的用途のために異なる威力を持つ複数の兵器サブタイプの生産を可能にします。初期の米国の設計は、標準化されたタイプCおよびタイプDピットアセンブリに基づいていました。マーク4爆弾は、飛行中に手動で挿入できるタイプCおよびタイプDピットを使用しました。マーク5爆弾は、飛行中に自動的に挿入されるタイプDピットを使用しました。W-5弾頭も同じものを使用しました。後継機であるマーク6爆弾は、そのピットの1つを除いてすべてと互換性があった。^{[ 17 ]}

ピットは、プルトニウム239、プルトニウム239/ウラン235複合体、またはウラン235のみで構成される。プルトニウムが最も一般的な選択肢だが、例えばバイオレットクラブ爆弾^{[ 18 ]}やオレンジヘラルド弾頭は、87kgと117kg （他の情報源によると 98kgと125kg ）の高濃縮ウランからなる巨大な中空ピットを使用した。グリーングラス核分裂炉心は、内径560mm 、壁厚3.6mm 、質量70 ～86kgの高濃縮ウランの球体で構成され、ピットは周囲の天然ウランタンパーによって完全に支えられていた。このような、臨界質量を超える核分裂性物質からなる巨大なピットは、爆縮殻の非対称爆発でさえキロトン級の爆発を引き起こす可能性があるため、重大な安全上のリスクをもたらす。^{[ 18 ]}最大出力の純粋核分裂兵器である500キロトンのマーク18核爆弾は、60キログラム以上の高濃縮ウラン（臨界質量の約4倍）で構成された中空のピットを使用し、ピット内に挿入されたアルミニウム-ホウ素鎖によって安全が確保された。     

TX-7Eマーク7核爆弾のプルトニウム（ウラン235）コアを基にした、プルトニウムとウラン233の複合ピットが、1955年のMET実験におけるティーポット作戦中に実験された。核出力は予想の33キロトンではなく、22キロトンだった。

密閉ピットとは、核兵器内部のピットの周囲に開口部のない固体金属バリアが形成されることを意味します。これにより、核物質が環境劣化から保護され、偶発的な火災や小規模な爆発が発生した場合に核物質が放出される可能性が低減されます。米国で初めて密閉ピットを採用した兵器はW25弾頭でした。金属はステンレス鋼であることが多いですが、ベリリウム、アルミニウム、場合によってはバナジウムも使用されます。ベリリウムは脆く、有毒で高価ですが、中性子反射体としての役割を果たし、ピットに必要な臨界質量を低減するため、魅力的な選択肢です。プルトニウムとベリリウムの間にはおそらく界面金属の層があり、プルトニウム（およびアメリシウムやその他の汚染物質）の崩壊から発生するアルファ粒子を捕捉します。アルファ粒子はそうでなければベリリウムと反応して中性子を生成します。ベリリウムタンパー/反射体は1950年代半ばに使用されました。部品はロッキーフラッツ工場で圧縮粉末ベリリウムブランクから機械加工された。^{[ 19 ]}

より現代的なプルトニウムピットは中空である。現代のピットに適用されるよく引用される仕様では、適切な構造用金属の中空球体で、おおよそボウリングボールと同じくらいの大きさと重さであり、トリチウムを注入するためのチャネル（ブースト型核分裂兵器の場合）があり、内面はプルトニウムで覆われていると説明されている。兵器の特性に影響を与える主な要因は、ピットのサイズ（通常はボウリングボールとテニスボールの間）、球形の精度、核分裂性物質の重量と同位体組成であり、これらはしばしば機密扱いとなる。中空ピットは、赤道付近に3つの接合溶接部を持つ半球状のシェルと、ブーストガスを注入するためのチューブ（ベリリウムまたはアルミニウムのシェルにろう付け、またはステンレス鋼のシェルに電子ビーム溶接またはTIG溶接）で作られる。^{[ 20 ]}ベリリウム被覆ピットは、破損しやすく、温度変動に敏感で、洗浄が必要になる可能性が高く、塩化物や水分による腐食を受けやすく、作業員が有毒なベリリウムにさらされる可能性があります。

新しいピットには約3キログラムのプルトニウムが含まれています。古いピットでは約4～5キログラムが使用されていました。^{[ 21 ]}

線状爆縮によってさらなる小型化が達成された。細長い亜臨界固体ピットを、2つの反対方向の衝撃波によって超臨界球形に変形させ、その後、より精密に成形された衝撃波を持つ中空ピットを用いることで、比較的小型の核弾頭の製造が可能になった。しかし、この構成は、非対称爆縮によって核爆発を起こさずに兵器を破壊する球状爆縮アセンブリとは異なり、爆薬が誤って起爆した場合に偶発的な高出力爆発を起こしやすいと考えられていた。このため、特別な設計上の注意と、一点安全を含む一連の安全試験が必要となった。

ピットは兵器設計間で共有できる。例えば、W89弾頭はW68のピットを再利用していると言われている。多くのピット設計は標準化されており、異なる物理パッケージ間で共有されている。同じ物理パッケージが異なる弾頭で使われることもよくある。ピットは再利用も可能で、解体された兵器から取り出された密封ピットは、直接再利用するために一般的に備蓄されている。プルトニウム・ガリウム合金の経年劣化速度が遅いため、ピットの保存期間は1世紀以上と推定されている。米国の兵器庫にある最も古いピットでも、まだ50年未満である。

密封されたピットは、結合型と非結合型に分類できます。非結合型ピットは機械的に分解でき、旋盤でプルトニウムを分離できます。結合型ピットのリサイクルには化学処理が必要です。^{[ 20 ]}

現代の兵器の弾痕の半径は約5センチメートル（2.0インチ）と言われている。^{[ 22 ]} 

ウランとプルトニウムはどちらも腐食しやすい。問題が多発したW47 UGM-27ポラリス弾頭の多くは、定期メンテナンス中に核分裂性物質の腐食が発見されたため交換しなければならなかった。W58ピットも腐食の問題を抱えていた。^{[ 41 ]} W45ピットは腐食しやすく、その形状が変化する可能性があった。[ ^{42 ]グリーン}グラスピットも腐食しやすい。使用されている材料の放射能は、周囲の材料に放射線腐食を引き起こす可能性もある。プルトニウムは湿度に非常に敏感で、湿った空気は腐食速度を約200倍に増加させる。水素は腐食に対して強い触媒効果があり、その存在は腐食速度を13桁も加速させる可能性がある。水素は、放射線分解によって水分や近くの有機物（プラスチックなど）から生成される。これらの要因は、酸化中の体積増加が貯蔵容器の破裂やピットの変形を引き起こす可能性があるため、貯蔵プルトニウムに問題を引き起こす。^{[ 43 ]}

ピットが重水素と三重水素で汚染されると、それが偶発的であろうと設計的に充填されたとしても、水素化物腐食を引き起こし、孔食や自然発火性プルトニウム水素化物の表面被膜の成長として現れる。また、大気中の酸素による腐食速度も大幅に加速する。^{[ 20 ]}重水素と三重水素は、多くの材料の水素脆化も引き起こす。

不適切な保管はピットの腐食を促進する可能性があります。パンテックス施設でピットの保管に使用されているAL-R8コンテナは、腐食を抑制するどころか促進し、それ自体が腐食する傾向があると言われています。ピットから放出される崩壊熱も懸念事項です。保管中のピットの中には150  ℃にも達するものがあり、多数のピットを保管する施設では積極的な冷却が必要になる場合があります。湿度管理もピット保管の問題となる可能性があります。^{[ 44 ]}

ピットの洗浄に使用される溶剤によっては、ベリリウム被覆材が腐食する可能性がある。研究によると、トリクロロエチレン（TCE）はベリリウムを腐食させるが、トリクロロエタン（TCA）は腐食させないことが示されている。^{[ 45 ]}ベリリウム被覆材の孔食は、パンテックス施設でのピットの長期保管中に重大な懸念事項となっている。

原子炉ピット材にプルトニウム240が存在すると、熱と中性子の発生が増加し、核分裂効率が低下し、早期爆発や不完全爆発のリスクが高まります。そのため、兵器級プルトニウムのプルトニウム240含有量は7%未満に制限されています。超級プルトニウムは240同位体の含有量が4%未満で、放射能が懸念されるシステム、例えば、乗組員と艦船や潜水艦の限られた空間を共有しなければならない米海軍の兵器などに使用されます。

プルトニウム241は、兵器級プルトニウムの約0.5%を占め、強力なガンマ線放出核種であるアメリシウム241に崩壊します。数年後、プルトニウム金属中にアメリシウムが蓄積し、ガンマ線放射能が増加して作業員の職業上の危険となります。そのため、アメリシウムは、新しく製造されたプルトニウムや再処理されたプルトニウムから、通常は化学的に分離する必要があります。^{[ 21 ]}しかし、1967年頃、ロッキーフラッツ工場はこの分離を中止し、コスト削減と生産性向上のために、アメリシウムを含む古いピットの最大80%を直接鋳造工場に混合しました。これにより、作業員のガンマ線被ばく量が増加しました。^{[ 29 ]}

金属プルトニウム、特にプルトニウム・ガリウム合金の形態では、主に腐食と自己照射という2つのメカニズムによって劣化する。

非常に乾燥した空気中では、プルトニウムは高い化学反応性にもかかわらず、プルトニウム(IV)酸化物の不動態化層を形成し、腐食を年間約200ナノメートルに遅らせます。しかし、湿った空気中ではこの不動態化層が破壊され、腐食は 室温でこの速度の200倍(0.04 mm/年)、 100 °Cで100,000倍(20 mm/年)の速度で進行します 。プルトニウムは水から酸素を奪い、遊離した水素を吸収してプルトニウム水素化物を形成します。水素化物層は最大で20 cm/時の速度で成長し、薄い殻の場合はその形成はほぼ瞬時であると考えられます。水が存在すると、プルトニウム二酸化物は化学量論比を超え、PuO _2.26 までになります。プルトニウムの破片は自然発火する可能性があります。このメカニズムでは、Pu ₂ O ₃層が形成され、それが急速に酸化されて PuO ₂となり、放出された熱は熱容量の小さい微粒子を自己発火温度 (約 500 °C) まで上昇させるのに十分である。 

プルトニウムがアルファ崩壊を起こすと、自己照射が発生します。プルトニウム239の崩壊原子は、アルファ粒子とウラン235原子核を放出します。アルファ粒子は5 MeV以上のエネルギーを持ち、金属格子内では約10マイクロメートルの飛程を持ちます。その後、停止し、近くの原子から2つの電子を受け取り、ヘリウム原子になります。汚染物質であるプルトニウム241はベータ崩壊してアメリシウム241になり、それがアルファ崩壊してネプツニウム237になります。

アルファ粒子はエネルギーの大部分を電子に放出し、それが物質の加熱という形で現れます。より重いウラン原子核は約85 keVのエネルギーを持ち、その約4分の3が原子のカスケード変位として放出されます。ウラン原子核自体の格子内での飛程は約12ナノメートルです。このような崩壊事象は、約2万個の他の原子に影響を与え、そのうち90%は格子位置にとどまり熱的に励起されるだけで、残りは変位し、約2500個のフレンケル対と数ピコ秒続く局所的な熱スパイクが生じ、その間に新たに形成された欠陥が再結合または移動します。典型的な兵器級バルク材料では、各原子は平均して10年に1回変位します。

極低温では、ほとんどアニーリングが起こらないため、プルトニウムのα相は自己照射中に膨張し、δ相は著しく収縮し、β相はわずかに収縮します。電気抵抗が増加するのは、格子欠陥の増加を示しています。十分な時間が経過すると、3つの相すべてが、平均密度が18.4 g/cm³のアモルファス状状態に収束します^。しかし、常温では、ほとんどの損傷はアニーリングによって除去されます。200Kを超えると空孔が移動可能になり、400K付近で格子間原子と空孔のクラスターが再結合して損傷が修復されます。極低温以外の温度で保管されたプルトニウムは、40年以上経過しても大きな巨視的構造変化の兆候を示しません。

50年間保管した後、典型的なサンプルには、ヘリウムが2000 ppm、アメリシウムが3700 ppm、ウランが1700 ppm、ネプツニウムが300 ppm含まれています。1キログラムの物質には200  cm ³のヘリウムが含まれており、これは同じ空洞の体積で3気圧の圧力に相当します。ヘリウムは空孔と同様に格子内を移動し、空孔に閉じ込められることがあります。ヘリウムが占める空孔は合体して気泡を形成し、膨張を引き起こす可能性があります。ただし、気泡膨張よりも空孔膨張の方が起こりやすいです。^{[ 46 ]}