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RaLa実験（RaLa ）は、マンハッタン計画中およびその後に行われた一連の試験であり、核兵器のプルトニウムピットの圧縮に必要な球状爆縮を達成するための収束衝撃波の挙動を研究するために設計された。実験では、強力なガンマ線源である短寿命放射性同位元素ランタン140を大量に使用した。RaLaはRa二活性La nthanumの短縮形である。この方法はロバート・セルバーによって提案され、イタリアの実験物理学者ブルーノ・ロッシ率いるチームによって開発された。
実験は、約100キュリー（3.7 TBq）、後には1,000キュリー（37 TBq）に相当する1⁄8インチ（3.2 mm）の放射性ランタン球を使用して行われ、 [ 1 ]模擬 核兵器の中心に設置されました。爆発レンズは主にこの一連のテストを使用して設計されました。1944年9月から1962年3月の間に約254回のテストが実施されました。[2]ロスアラモス計画の歴史の中で、デビッド・ホーキンスは次のように書いています。「RaLaは、最終的な爆弾の設計に影響を与えた最も重要な単一の実験となりました。」[3]
実験のセットアップ
この実験は、1943 年 11 月 1 日にロバート・セルバーによって提案されました。[1]そのアイデアは、金属球の爆発的な圧縮の空間的および時間的対称性を測定することでした。このテストでは、球が圧縮されるにつれて球の金属が受けるガンマ線の吸収の変化を測定しました。ガンマ線源は金属球の中心に配置されていました。圧縮が進むにつれて厚さ (中空シェル) と密度 (固体球) が増加するのを、球の外側のガンマ線の強度の減少として検出しました。密度の低い爆発物は、実験を妨げるほどガンマ線を吸収しませんでした。ガンマ線は強力で適切なエネルギーでなければなりませんでした。エネルギーが低すぎると、周囲の金属に完全に吸収されてしまいます。エネルギーが高すぎると、爆縮中の減衰の差が低すぎて実用的ではありません。検出器は高速で大面積である必要があり、当時開発中だった高速電離箱が、要件を満たす唯一の装置でした。[4]
ランタン 140 が選ばれたのは、望ましいエネルギー範囲 (1.60 メガ電子ボルト(MeV)、割合 0.49 MeV) でガンマ線を放出し、非常に高い比活性を持つため、電離箱から使用可能な信号を生成するのに十分な放射線強度が得られるからです。テスト後、分散した La-140 は急速に安定したセリウム-140に崩壊し、数回の半減期後にはオペレータに対する放射線の危険性が軽減されます。また、その親核種であるバリウム-140 はウランの豊富な核分裂生成物であるため、大量に入手できる可能性がありました。その結果、ランタン-140 サンプルには、バリウム-140、セシウム-140、特にストロンチウム-90の痕跡量が含まれており、テストのエリアでは依然として放射能汚染の問題を引き起こしています。 [5]ランタン140の比放射能は5.57×10 5 Ci/g（20.6 PBq/g）であり、1,000 Ci（37 TBq）のランタン140源は約1.8 mgのランタンに相当する。[1]
小さな円錐の先端に沈殿した放射性ランタンのサンプルとそれに続くプラグが、釣り竿に似た装置で実験装置の金属球の中心に降ろされた。円錐とプラグは装置の金属中心に嵌め合わされ、金属球を形成した。爆発レンズの一部は、その後、球の上の元の位置に戻された。実験装置の周囲には、通常 4 つの電離箱がいくつか設置されていた。爆発直後に電離箱から信号が生成され、150 フィート (46 m) 離れた防爆シェルターまたはタンク内の移動実験室のオシロスコープに表示され、オシロスコープのトレースがカメラに記録された。各テストの前後に較正測定が行われた。電離箱とその前置増幅器は爆発中に破壊されたが、そのシンプルな設計により十分な量の製造が可能であった。[6]
電離箱は円筒形で、直径 2 インチ (51 mm)、長さ 30 インチ (760 mm) で、縦軸にワイヤーが取り付けられていた。電離箱には 4.5標準気圧(460 kPa ) のアルゴンと二酸化炭素の混合物が充填されていた。8 つの電離箱がトレイに配置され、並列接続されていた。4 つのトレイは実験装置の周囲に四面体に配置され、球体の周囲のガンマ線を記録していた。信号を出すのに十分近く、必要な情報を記録できる前に爆風で破壊されない程度に離れていた。[6]爆薬の起爆は当初、マルチポイントプリマコードシステムによって実行された。爆発が十分に同期されていなかったため、結果は不安定だった。1945 年 2 月以降、ルイス アルバレスの G-7 グループが開発した爆発ブリッジワイヤー起爆装置が利用可能になり、はるかに良い結果が得られた。 [1]
プルトニウムは入手できなかったため、同様の機械的特性を持つ材料で代用された。劣化ウランが使用されたが、放射線を透過しないため最適ではなかった。鉄、銅、カドミウムも選択肢の1つだった。ほとんどのテストではカドミウムが選ばれた。最初のショットはプルトニウムピットの鉄製モックアップで行われた。[6]
結果として生じた信号は、カドミウム球の圧縮に対応する急激な低下と、その後の減圧とそれに続く球とランタンの拡散に対応する緩やかな増加であった。オシロスコープのディスプレイ上の4つのトレースの差は、それぞれ検出器の方向の平均圧縮を示しており、起爆装置に必要な同期精度を評価することができた。[4]
RaLa線源は放射能が高かった。線源は長さ10フィート（3メートル）の棒で試験装置まで降ろさなければならなかった。[7]試験は当初、密閉されたM4シャーマン戦車から観察された。移動式実験室は2つのタンクで構成されていた。各実験では、約半年間に約32,000平方フィート（3,000 m 2 ）の領域を汚染すると予想された。放射性ランタンから放射性バリウムを取り除いたところ、短期的な汚染レベルは重要でないことが判明した。 [6]その後、タンクは固定シェルターに置き換えられた。タンクの1つは後に鉛メッキされ、密閉され、自己完結型の空気供給装置が装備され、トリニティ試験後の爆発後の残骸内の核分裂生成物のサンプリングに使用された。[8]線源は相当な放射線被曝リスクをもたらした。 1,000 Ci (37 TBq) の線源の3フィート (1 m) での被曝率は 1,130 R/h、1 フィート (0.30 m) では 11,000 R/h でした。一部のテストでは、最大 2,300 Ci (85 TBq) の放射能を持つ線源が使用されました。[4]
放射線安全
サンプルの遠隔操作システムには欠陥があり、それをすべて発見するのに約6か月かかりました。バッチ当たり最大2,300 Ci (85 TBq) に達する核分裂生成物の混合物を操作していた化学者は、望ましくない高線量の放射線に（偶然に）頻繁に被ばくしました。実験を担当していたグループ自体のリスクは低く、関係者の放射線被ばくが生存可能な範囲であることを保証していた健康グループと緊密に連携して作業していました。[8]放射能汚染が問題を引き起こしました。バヨキャニオンで作業していた人々は、作業後に着替えてシャワーを浴びなければなりませんでした。セキュリティゲートの検出器が作動することもありました。[9]
実験はロスアラモス郡のTA-10（「テクニカルエリア10」）（より一般的にはベヨキャニオンサイトと呼ばれる）と指定された場所のベヨキャニオンで行われ、ロスアラモスタウンサイトの北東にあるサンタフェ郡との境界に近い。サイトにはいくつかの固定構造物があった。ランタン140は放射化学建物TA-10-1で隔離された。発射場所は4つあった。爆薬を発射しデータを記録するための機器は2つの爆管建物（TA-10-13とTA-10-15）に収容された。[10]
屋外での爆発により大量の放射性ランタンが撒き散らされ、1944年から1961年の間に254回の実験が行われた。1948年には2人の作業員がそこで放射線火傷を負った。実験は一般的に北風のときに行われたが、早朝に風向きが変わることもあった。1949年と1950年には、実験による核の降下物が住宅地の一部と道路に吹き飛ばされ、道路の放射線レベルは時折5-10 mR/hに達し、道路はしばらく閉鎖されなければならなかった。[1] [10]
各実験では、放射性ランタンの煙が拡散した。1950年に行われた3回の実験では、放出された放射能がB-17航空機によって追跡されたことが記録されている。ある実験では、風下17マイル（27 km）の町の上空で放射線が検出された。これらの実験はRaLa実験と同時期に行われ、空中爆発 核実験を追跡するための空中検出器の開発が目的だった。[2]放射性雲の大きさと高度は、使用された爆薬の量によって決定された。1944年から1949年までの最初の125回の実験では、気象や放射性降下物の監視はまれであったが、1950年から1954年にかけて段階的に厳密な監視が導入され、その後は包括的になった。1つの雲は、ニューメキシコ州ワトラスの上空で風下70マイル（110 km）まで追跡されたと報告されている。[11]
物流とスケジュール
実験のロジスティクスを担当するため、ロスアラモス研究所所長ロバート・オッペンハイマーはルイス・アルバレスをRaLa計画の責任者に任命した。彼のグループはE-7、RaLaおよび電気雷管グループと指定された。 [4] ブルーノ・ロッシとスイスの物理学者ハンス・シュタウブは春の終わりまでに電離箱と電子機器を製作した。[4]当初、爆縮はバックアッププロジェクトに過ぎなかったため、作業はゆっくりとしたペースで進んだ。プルトニウム爆弾はシンマン 銃型の核分裂兵器設計になると信じられていた。しかし、そうではなかったことが判明した。1944年初夏の原子炉で生成されたプルトニウムの最初の実験では、プルトニウム240の存在により許容できないほど高い自発核分裂率が示され、銃アセンブリの使用が不可能になった。7月17日、シンマン設計は放棄され、すべての努力が爆縮に集中した。この課題に対処するため、ロスアラモス研究所は再編され、X部門（爆発物部門）とG部門（ガジェット部門、または兵器物理学部門）が設立された。ロッシのグループはG部門のG-6、またはRaLaグループに配属され、アルバレスのグループはG-7、または電気雷管グループに配属された。[4]
1944年7月25日、リハーサル、装置のテスト、および崩壊時間、爆発および衝撃波速度の測定を目的とした最初の予備テストがバヨ・キャニオンで行われた。このプログラムは、放射性バリウムの出荷が遅れたために約1か月遅れ、8月15日に予定されていたテストは9月中旬まで行われなかった。放射性バリウムを使用した最初のテストは9月22日に行われた。[12] 8月下旬、ロッシのグループの要請により、RaLaグループはロッシのリーダーシップの下で再編され、アルバレスとそのグループが爆発するブリッジワイヤー雷管の研究を引き継いだ。[4]ロバート・クリスティの提案により、ジェットとスポーリングの問題を軽減するため、当初計画されていた中空のものの代わりに中実の球がピットに選ばれた。最初の中実球RaLaショットは12月初旬に実行されたが、結果は決定的なものではなかった。しかし、12月14日の撮影では（ロバート・バッチャーの言葉によれば）「圧縮の明確な証拠」が示された。[13]
電気雷管と固体ピットを使用した最初のテストは、1945年2月7日と14日に実施されました。それまでは、プリマコードベースの起爆装置が使用されていました。電気雷管は、達成された圧縮度と対称性の大幅な改善を示し、その後のすべてのRaLaテストで使用されました。これらの結果に基づいて、2月末までにガジェット（婉曲的に呼ばれていた爆弾）の設計が確定しました。[13] RaLa実験では、初期の爆縮設計を悩ませた問題のあるジェットの形成について間接的な兆候しか得られなかったため、他のテスト方法も必要でしたが、RaLaが最も重要でした。[6]
放射性ランタンの調製
バリウムランタンの準備
La-140 の半減期は 40.224 時間で、ベータ崩壊して安定したセリウム-140になります。これは、オークリッジ国立研究所のX-10 グラファイト原子炉の使用済み燃料から分離された一般的な核分裂生成物であるバリウム-140 から作成されました。 [14]その後、1948 年以降は、ハンフォード サイトのプルトニウム-239製造原子炉からも分離されました。バリウムは、オークリッジの専用高温実験室で分離され、鉛のピグでロスアラモスに輸送され、ランタンの抽出に使用されました。オークリッジ研究所は、放射性物質の作業に遠隔操作装置が使用された最初の研究所でした。配送は 2 人の乗組員を乗せたトラックで行われ、1,500 マイル (2,400 km) をノンストップで走行しました。[1]
オークリッジでは、ウランスラグは40日間照射され、その後1～5日間冷却され、溶解された。その後バリウムが抽出され、溶液は蒸発し、固体物質はロスアラモスに輸送された。1949年時点で、フル生産では最大1728個のスラグ（50個のスラグの34.5バッチ）が使用された。1949年まで、オークリッジ生産施設は、施設内とハンフォードの両方で照射されたウランスラグを処理していたが、その後はハンフォードの物質のみが処理された。[15]
当初、バリウムの分離は建物3026-C (706-C) で行われ、既存の研究室が5か月かけてこの目的のために改造され、最初の稼働は1944年9月に終了した。3026-Cは1～10 Ci (37～370 GBq) の線源を扱うために設計されたが、状況により100 Ci (3.7 TBq) の線源を扱うように改造せざるを得なかった。需要が増大するにつれ、その容量は不十分になった。1945年5月、3026-Cに隣接し、最大1000 Ci の線源を処理できるように設計された専用の建物3026-D (706-D) が完成した。3026-Dでの最初の稼働は1945年5月26日で、3026-C施設での最後の稼働と同じ日であった。[16]
1949年3月までに、ロスアラモス向けに平均2000 Ciを超える出荷が31回行われた。しかし需要は増え続け、1950年7月までに出荷あたりの生産目標は10,000 Ci (370 TBq)となり、1950年代初頭までに要件は50,000 Ci (1,800 TBq)にまで上昇した。1954年までに出荷量は64,805 Ci (2.3978 PBq)にまで上昇し、その年、AECはアイダホ国立研究所にRaLa生産用の新しい施設を建設することを決定した。1956年10月、オークリッジは68回目で最後のRaLa生産を完了した。オークリッジは合計で30,000個以上のウランスラグを処理し、500,000 Ci (19 PBq)以上をロスアラモスに出荷した。[15]
RaLa の製造中に、揮発性の核分裂生成物が放出された。溶解すると、50 個のスラグから 2,500 Ci (93 TBq) のキセノン 133、1,300 Ci (48 TBq) のヨウ素 131 (燃料を「新鮮な」状態で処理する必要があったため、多量)、および少量のクリプトン 85 が生成された。核分裂生成物の放出を制限するための予防措置がほとんど取られなかったため、RaLa の製造はオークリッジの放射能汚染の大きな原因となった。[15]ヨウ素の放出は、施設をアイダホに移転するという決定の重要な要因であった。その後の改良により、ヨウ素の放出を約 100 分の 1 のレベルにまで削減することができた。[17]
1954年4月29日午後5時頃、3026-D施設で放射能放出による重大事故が発生した。3回目のウランスラグの溶解後、溶解タンク内の液体が約29時間スラグを完全に覆わず、崩壊熱で過熱した。4回目のスラグに酸を加えたところ、熱い金属との激しい反応でガスが発生し、スラグ投入シュートとパイプを通って溶液が上昇した。建物のスタッフはガスマスクを着用し、建物から避難した。建物の3階の放射線レベルは100 レントゲン/時（R/h）に達し、翌日の午前7時までに100 mR/hに低下した。人体への最高被曝量は、ハード放射線で1.25 R 、 ソフト放射線で4.7レントゲン相当であった。[16]
ランタンの準備
バリウムランタン物質はロスアラモスに届けられた後、バヨキャニオンサイトの専用建物に保管された。当初はバリウムとランタンの混合物がそのまま使用されたが、バリウム140の半減期は12.5日であるため、放射能汚染が消えるまでに長い時間がかかった。その後すぐにプロセスが改善され、溶液から硫酸バリウムとして二重沈殿させることで化学的にバリウムが除去されるようになった。[1]
このプロセスは再度改良され、ランタンが蓄積するにつれてバリウム溶液からランタンを繰り返し分離できるようにした。最初はリン酸法が使用され、ランタンはリン酸ランタンとして沈殿した。この方法は後にシュウ酸塩法または水酸化物法が開発され、廃止された。ランタンは水酸化ランタンとして沈殿し、次に微量のフッ化物を含むシュウ酸塩を加えることで濾過可能な沈殿物に変換された。シュウ酸塩法は、シュウ酸イオンが放射線分解の影響を受けやすく、ランタンが溶液に戻る傾向があったため、迅速に行う必要があった。シュウ酸塩法は遠隔操作装置で実行できた。バッチには約100キュリー（3,700 GBq）の放射性ランタンが含まれていたが、これは当時人類が扱った中で最も高い放射線レベルであった。[6]高温の物質を遠隔操作するためには特別なツールを開発する必要があった。線源を遮蔽するために鉛レンガが使用された。職員の放射線量限度は線源1本あたり500 ミリレム（ 5mSv）に設定されていた。この限度を超えることもあり、一度は2レム（20mSv）を被ばくしたこともある。[1]
塩化バリウム溶液からランタンを分離する改良されたプロセスには、バリウムを繰り返し「搾乳」できるという利点があり、放射性ランタンの収量が増加し、より多くの実験が可能になった。半減期が 12.5 日のバリウム 140 による放射能汚染の問題は解消され、汚染源となるストロンチウム 90 の量も大幅に削減された。精製ランタンを使用することで、テスト自体で使用する材料の量も大幅に削減できた。「ランタン搾乳」用の半自動装置 (バリウム 140 同位体は「牛」と呼ばれていた) は、十分に離れた場所に建設されたため、時間のかかる遮蔽された建物の建設は避けられた。当初、このプロセスは、おそらく放射線を浴びた輸送コンテナから混入した鉄やその他の金属の不純物が、リン酸塩ゲルを形成してフィルターを詰まらせ、ランタンリン酸の沈殿を阻害することが判明し、行き詰まった。[6]この問題は、輸送コンテナの改善で解決された。同様の「搾乳」プロセスは現在、テクネチウム99mジェネレータ内のモリブデン99「牛」から核医学で使用されるテクネチウム99mを調製するために使用されています。[1]
分離プロセスは、バヨ・キャニオンの放射化学棟にある専用施設（TA-10-1）で行われた。分離されたランタンは、トラックの荷台に積まれた鉛の樽で試験場に運ばれた。 [1] 1951年、分離作業はTA-35に移された。[18]バリウム源が崩壊し、定期的にランタンが「搾り取られる」ため、試験は1か月間にわたって実施された。[1]
戦後の進歩
技術は改良され、1951年までに4つの電離箱はそれぞれ5ガロンの液体シンチレーターを使用する20のシンチレーションカウンターに置き換えられました。100米ガロン（380リットル、83英ガロン）の燃焼シンチレーターからの閃光は、テストが通常行われる早朝の時間帯に非常に明るかった。[1] RaLaテストは1962年まで続けられ、その後、より高度な方法に置き換えられました。現在、流体力学的テストにはいくつかの他の方法が使用されています。[19]
長期汚染
ランタン140の半減期は約41時間と短く、かなり短い時間で脅威とはならない。不純物として存在するその他の放射性同位体は、実験から数十年後でも潜在的な問題を引き起こすほどの半減期を持っている。2002年、ロスアラモス国立研究所は、ロスアラモス郡と、その地域の間伐作業を行っている森林局に対し、バヨ渓谷のさまざまな場所で伐採された木々には残留放射性物質が含まれている可能性があるため、撤去しないよう警告を発した。[20]最も影響を受けた地域はフェンスで囲まれており、周囲の土壌、昆虫、木々には検出可能なレベルの放射性同位体が存在する。近隣住民は1990年代半ばまで実験について知らされておらず、ロスアラモスは文書の機密解除を拒否した。[5]
参考文献
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外部リンク
- RaLa、サイトの説明、画像