変調中性子イニシエーター

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。

ウニ

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」開始剤は、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、その開発とテストは、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」部門の開始剤グループで行われました。他のポロニウム-ベリリウム開始剤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」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 ]}

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 ]}

Polonium from Dayton was used by the G Division of Los Alamos in initiator design studies at a test site in Sandia Canyon. The initiator group built test assemblies by drilling holes in large turbine ball bearings, inserting the active material, and plugging the holes with bolts. These test assemblies were known as screwballs. The test assemblies were imploded and their remains studied to examine how well the polonium and beryllium mixed.^[18]

The production of the beryllium-polonium TOM initiators ended in 1953. The initiators were replaced with a different design, which slightly reduced the weapon yield but its longer shelf life reduced the complexity of the logistics.^[19] The sealed neutron initiator, brought into inventory in late 1954, still required a periodic disassembly to access its capsule for maintenance checks. The capsules were phased out completely in 1962.^[20]

Urchin style initiators were later superseded by other means of generating neutrons such as pulsed neutron emitters that do not use polonium. Using tritium with a half-life of 12.3 years instead of polonium they have a much longer replacement interval. These are mounted outside the pit and electrically controlled, since neutrons easily pass through considerable mass without interactions. These initiators were more controllable and enable much improved weapon reliability.

• Nuclear weapon design
• Dayton Project
• Blue Stone (neutron initiator)