核兵器の設計

自由中性子がウラン235（^235U ）のような核分裂性原子の原子核に衝突すると、ウラン原子核は核分裂断片と呼ばれる2つのより小さな原子核と、さらに多くの中性子に分裂します（^235Uの場合、3つになる頻度は2つになる頻度とほぼ同じで、平均で1回の核分裂あたり2.5個弱です）。超臨界量の燃料における核分裂連鎖反応は、超臨界集合体から逃げ出す中性子の損失を相殺するのに十分な余剰中性子を生成するため、自己持続的になる可能性があります。これらの中性子のほとんどは、隣接するウラン原子核で新たな核分裂を引き起こすのに必要な速度（運動エネルギー）を持っています。^{[ 5 ]}

ウラン235原子核は、原子番号の合計が92で質量数の合計が236（ウラン235と分裂を引き起こした中性子）になる限り、さまざまな方法で分裂することができます。次の式は、可能な分裂の1つ、すなわちストロンチウム95（^95Sr）​​、キセノン139（^139Xe）、2つの中性子（n）、およびエネルギーへの分裂を示しています。^{[ 6 ]}

${\displaystyle \ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{236}\mathrm {U} ^{*}\longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV} }$

原子1個あたりの即時エネルギー放出は約1億8000万電子ボルト（MeV）、すなわち74テラジュール/kgです。このうちガンマ線と核分裂中性子の運動エネルギーはわずか7%です。残りの93%は、陽子の正電荷（ストロンチウムの場合は38、キセノンの場合は54）によって互いに反発し合いながら飛び去る荷電核分裂破片の運動エネルギー（または運動エネルギー）です。この初期運動エネルギーは67テラジュール/kgで、初速度は約12,000キロメートル/秒（すなわち1 ナノ秒あたり1.2cm）です。荷電破片の高い電荷により、近くの原子核との非弾性クーロン衝突が多数発生し、これらの破片は運動エネルギーが熱に変換されるまで爆弾の核分裂ピットとタンパー内に閉じ込められたままになります。破片の速度と圧縮燃料集合体（爆縮設計の場合）内の原子核間の平均自由行程を考慮すると、これには約100万分の1秒（1マイクロ秒）かかり、その間に爆弾のコアとタンパーは直径数メートル、温度数千万℃のプラズマ球に膨張する。

これはX線スペクトルで黒体放射を放出するのに十分な高温である。これらのX線は周囲の空気に吸収され、核爆発の火球と爆風を生み出す。

ほとんどの核分裂生成物は中性子が多すぎて安定しないため、ベータ崩壊によって放射性になります。ベータ崩壊では、ベータ粒子（電子）、ニュートリノ、ガンマ線を放出して中性子を陽子に変換します。半減期はミリ秒から約20万年までです。多くはそれ自体が放射性同位体に崩壊するため、安定するには1回から6回（平均3回）の崩壊が必要になる場合があります。^{[ 7 ]}原子炉では、放射性生成物は使用済み燃料の核廃棄物です。爆弾では、放射性降下物となり、局地的にも地球規模でも放射性降下物となります。^{[ 8 ]}

一方、爆発する爆弾内部では、核分裂によって放出された自由中性子が、初期の核分裂エネルギーの約3%を運び去ります。中性子の運動エネルギーは爆弾の爆発エネルギーに加算されますが、中性子は荷電原子核や電子との衝突で運動エネルギーをそれほど速やかに放出しないため、荷電破片からのエネルギーほど効果的ではありません。核分裂中性子が爆弾の威力に最も大きく寄与するのは、後続の核分裂の開始です。中性子の半分以上は爆弾のコアから脱出しますが、残りはウラン²³⁵原子核に衝突し、指数関数的に増加する連鎖反応（1、2、4、8、16など）で核分裂を引き起こします。1つの原子から始まる核分裂の数は、理論的には1マイクロ秒で100倍に倍増する可能性があり、連鎖反応の100番目の段階では、数百トンにも及ぶすべてのウランまたはプルトニウムが消費される可能性があります。現代の兵器では、通常、兵器のピットには3.5 ～ 4.5 キログラム (7.7 ～ 9.9ポンド)のプルトニウムが含まれており、爆発時には約5 ～ 10 キロトンの TNT (21 ～ 42 TJ)のエネルギーを生成し、これは約0.5 キログラム (1.1ポンド)のプルトニウムの核分裂に相当します。^{[ 9 ] [ 10 ]}   

連鎖反応を持続できる物質は核分裂性物質と呼ばれます。核兵器に使用される2つの核分裂性物質は、 ^{235U （}高濃縮ウラン（HEU）とも呼ばれ、「オークリッジ合金」を意味する「oralloy」^{[ 11 ]}、または「25」（ウラン235の原子番号の最後の桁である92と質量数の最後の桁である235の組み合わせ））と^239Pu（プルトニウム239とも呼ばれ、「49」（「94」と「239」から））です。^{[ 12 ]}

ウランの最も一般的な同位体である^238Uは、核分裂性ではあるものの、核分裂を起こすことはありません。つまり、娘核分裂中性子のエネルギーが（平均的に）次の^238Uの核分裂を引き起こすほど高くないため、連鎖反応を持続させることができないのです。しかし、重水素同位体である重水素と三重水素の核融合によって放出される中性子は、238Uを核分裂^させます。2段階式熱核爆弾の二次燃焼装置の外筒で起こるこの^238Uの核分裂反応は、爆弾のエネルギー収量の大部分と、放射性残骸の大部分を生み出します。

核軍拡競争に参戦する国家にとって、ウラン²³⁸が熱核中性子照射によって高速核分裂を起こす能力を持つという事実は極めて重要である。大量の乾燥核融合燃料（重水素化リチウム）とウラン²³⁸ （ウラン濃縮の副産物）はどちらも豊富かつ安価であるため、高価なウラン²³⁵やプルトニウム²³⁹を必要とする純粋な核分裂兵器と比較して、非常に大規模な核兵器を経済的に生産することが可能となる。

核融合は、反応からエネルギーを散逸させる中性子を生成します。^{[ 13 ]}兵器において最も重要な核融合反応はDT反応と呼ばれます。核分裂の熱と圧力を利用して、水素2、または重水素（^2D）が水素3、または三重水素（3T）と融合して^、ヘリウム4（^4He）と1つの中性子（n）とエネルギーを生成します。^{[ 14 ]}

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {彼} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {彼} +n+17.6\ \mathrm {MeV} }$

総エネルギー出力は17.6 MeVで、核分裂の10分の1ですが、構成要素の質量はわずか50分の1なので、単位質量あたりのエネルギー出力は約5倍になります。この核融合反応では、17.6 MeVのうち14 MeV（反応で放出されるエネルギーの80%）が中性子の運動エネルギーとして現れます。中性子は電荷を持たず、生成元の水素原子核とほぼ同じ質量を持つため、反応を維持したり、爆発や火災の原因となるX線を発生させたりするためにエネルギーを残すことなく、その場から脱出することができます。

核融合エネルギーの大部分を実際に回収する唯一の方法は、鉛、ウラン、プルトニウムなどの重金属でできた巨大な容器の中に中性子を閉じ込めることです。14 MeVの中性子がウラン（どちらの同位体でも可。14 MeVは^235Uと^238Uの両方を核分裂させるのに十分なエネルギーです）またはプルトニウムに捕獲されると、核分裂が起こり、180 MeVの核分裂エネルギーが放出され、エネルギー出力が10倍になります。

兵器として使用する場合、核分裂は核融合を開始するために必要であり、核融合を維持するのに役立ち、核融合中性子が持つエネルギーを捕捉して増幅する。中性子爆弾（後述）の場合、目的は中性子を兵器の純粋な威力を高めるために利用するのではなく、中性子の脱出を容易にすることであるため、最後の要素は当てはまらない。

核反応の重要な反応の一つは、トリチウム（水素3）を生成する反応です。トリチウムは2つの方法で利用されます。まず、純粋なトリチウムガスを生成し、ブースト型核分裂装置の炉心内部に配置することで、エネルギー収率を高めます。これは特に熱核兵器の核分裂一次反応において重要です。2つ目の方法は間接的なもので、2段階式熱核爆弾の二次反応装置にある超臨界核分裂「点火プラグ」から放出された中性子が、爆弾の重水素化リチウム燃料中のリチウム原子核と衝突することで、その場でトリチウムを生成するという性質を利用します。

核分裂の一次粒子となる元素状気体トリチウムは、原子炉内でのみリチウム-6（^6Li）に中性子（n）を照射することによっても作られます。この中性子照射により、リチウム-6の原子核が分裂し、アルファ粒子またはヘリウム-4（^4He）とトリトン（^3T）およびエネルギーが生成されます。^{[ 14 ]}

${\displaystyle {}^{6}\mathrm {Li} +n\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {T} +5\ \mathrm {MeV} }$

しかし、この種の装置の最初の実験であるキャッスル・ブラボーで発見されたように、リチウム7が存在する場合、以下の2つの正味反応もいくらか発生します。

⁷ Li + ¹ n → ³ T + ⁴ He + ¹ n

⁷ Li + ² H → 2 ⁴ He + ¹ n + 15.123 MeV

ほとんどのリチウムは^7Liであり、これによりキャッスルブラボーは予想の2.5倍の収量を得ることができた。^{[ 15 ]}

^{中性子は、 238U}原料からプルトニウム^239Puを製造するのと同様の方法で原子炉から供給される。6Li原料のターゲットロッドは^ウラン燃料炉心の周りに配置され、リチウム原子核の大部分がトリチウムに変換されたと計算された時点で処理のために取り出される。

核兵器の4つの基本タイプのうち、1つ目は純粋核分裂で、上記の3つの核反応のうち最初の反応を利用します。2つ目は核融合促進核分裂で、最初の2つの反応を利用します。3つ目は2段階熱核兵器で、3つすべてを利用します。

広島原爆「リトルボーイ」は、平均濃縮度約80%のウラン64kg（141ポンド）、すなわちウラン235 51kg（112ポンド）を使用し、これはほぼ裸金属臨界量であった。炭化タングステン製のタンパー/反射体の中に組み立てられた64kg （141ポンド）は、臨界量の2倍以上であった。爆発前に、ウラン235は2つの亜臨界塊に形成され、そのうちの1つが後に砲身を通して発射され、もう1つと結合して核爆発が始まった。分析によると、ウラン質量の2%未満が核分裂を起こした^{[ 16 ]。}残りのウランは、オークリッジの巨大なY-12工場の戦時生産量のほとんどを占め、無駄に散逸した^{[ 17 ] 。}      

非効率性の原因は、圧縮されていない核分裂ウランが急速に膨張し、密度低下によって臨界未満になったことにある。非効率性にもかかわらず、この設計はその形状から、小径円筒形砲弾（はるかに大きな砲身から発射される砲弾型弾頭）への使用に採用された。このような弾頭は1992年まで米国で使用され、兵器庫にあるウラン235のかなりの割合を占めており、核弾頭数を制限する条約に従って最初に解体された兵器の一部となった。この決定の根拠は、砲弾型設計に伴う低い核出力と重大な安全上の問題の組み合わせであったことは間違いない。

トリニティ実験装置とファットマン（長崎）爆弾の両方で、ほぼ同一のプルトニウム核分裂による爆縮設計が使用されました。ファットマン実験装置では、プルトニウム239が6.2kg （14ポンド） 、体積で約350mlまたは12米液量オンス使用され、これは裸球の臨界質量のわずか41%です。ウラン238反射体/タンパーで囲まれたファットマンのピットは、ウラン238の中性子反射特性によって臨界質量に近づきました。爆発中、臨界は爆縮によって達成されました。プルトニウムピットは、3週間前の「トリニティ」実験爆発と同様に、ピットの周囲に均一に配置された通常爆薬を同時に爆発させることによって圧縮され、密度が増加しました。爆薬は、複数の爆発ブリッジワイヤー起爆装置によって起爆されました。プルトニウムのうち核分裂を起こしたのは約20％に過ぎず、残りの約5キログラム（11ポンド）は飛散したと推定されている。        

爆縮衝撃波は非常に短時間しか持続しないため、衝撃波が通過する瞬間にはピットの一部しか圧縮されない可能性があります。これを防ぐために、プッシャーシェルが必要になる場合があります。プッシャーは爆薬レンズとタンパーの間に配置されます。衝撃波の一部を後方に反射することで、衝撃波の持続時間を延長する効果があります。プッシャーは、アルミニウム、ベリリウム、またはこれら2つの金属の合金などの低密度金属で作られています（アルミニウムは成形が容易で安全であり、価格も2桁安価です。ベリリウムは中性子反射能力が高いです）。ファットマンはアルミニウム製のプッシャーを使用しました。

1944年7月から1945年2月にかけてロスアラモス研究所とそこから東に14.3km （8.9マイル）離れたバヨキャニオンの遠隔地で行われた、爆縮型核分裂兵器設計コンセプトのRaLa実験シリーズ試験は、核分裂装置の爆縮設計の実用性を証明し、1945年2月の試験では、最終的なトリニティ/ファットマンプルトニウム爆縮設計への使用可能性が確実に確認された。^{[ 18 ]}  

ファットマンの効率向上の鍵は、巨大なウラン238タンパーの内向きの運動量にあった。（天然ウラン製のタンパーは熱中性子による核分裂は起こさなかったが、高速中性子による核分裂による総収量の約20％に寄与した。）プルトニウムで連鎖反応が始まると、爆発によって内破の運動量が逆転し、連鎖反応が停止するのに十分な膨張が起こるまで続いた。タンパーがすべてを数百ナノ秒長く保持することで、効率が向上したのである。

プルトニウムピット

爆縮型兵器の核となる部分、すなわち核分裂性物質とそれに接合された反射体やタンパーは、ピットとして知られています。1950年代に試験された兵器の中には、ウラン235のみ、またはプルトニウムとの複合材で作られたピットを使用したものもありましたが^{[ 19 ]}、プルトニウムのみで作られたピットは直径が最も小さく、1960年代初頭から標準となっています。プルトニウムの鋳造と機械加工は、毒性があるだけでなく、プルトニウムには多くの異なる金属相があるため困難です。プルトニウムが冷えると、相変化によって歪みや亀裂が生じます。この歪みは通常、30～35ミリモル（重量比0.9～1.0％）のガリウムを合金化してプルトニウム-ガリウム合金を形成することで克服され、これにより広い温度範囲でデルタ相をとるようになります。^{[ 20 ]}溶融状態から冷却すると、通常であれば 4 つの相変化を経るところ、ε から δ への単一の相変化しか起こらない。他の三価金属でも機能するが、ガリウムは中性子吸収断面積が小さく、プルトニウムを腐食から保護するのに役立つ。欠点は、ガリウム化合物が腐食性があることである。

プルトニウムは化学的に反応性が高いため、完成したピットを不活性金属の薄い層でメッキするのが一般的で、これにより毒性の危険性も低減されます。^{[ 21 ]}この装置ではガルバニック銀メッキが使用され、その後、テトラカルボニルニッケル蒸気から析出したニッケルが使用されましたが、^{[ 21 ]}その後、金が好ましい材料となりました。最近の設計では、ピットをバナジウムでメッキして耐火性を高めることで安全性が向上しています。

ファットマンの設計に対する最初の改良は、タンパーとピットの間に空気の空間を設けて、ハンマーで釘を打つような衝撃を生み出すことだった。タンパー内部の空洞円錐で支えられたピットは「浮上」したと言われている。 1948年のサンドストーン作戦の3回の実験では、浮上ピットを備えたファットマンの設計が使用された。最大の爆発力は49キロトンで、浮上していないファットマンの爆発力の2倍以上だった。^{[ 22 ]}

爆縮方式が核分裂兵器にとって最良の設計であることはすぐに明らかになった。唯一の欠点はその直径にあるように思われた。ファットマンの幅は1.5メートル（5フィート）だったのに対し、リトルボーイは61センチメートル（2フィート）だった。  

ファットマンのプルトニウム239ピットの直径はわずか9.1センチメートル（3.6インチ）で、ソフトボールほどの大きさだった。ファットマンの体積の大部分は、ウラン238、アルミニウム、高性能爆薬を同心円状に重ねた爆縮機構によるものだった。その体積を小さくする鍵となったのが、2点爆縮設計だった。 

2点線形爆縮では、核燃料は固体状に鋳造され、高性能爆薬の円筒の中心に配置されます。起爆装置は爆薬円筒の両端に配置され、プレート状の挿入物、または成形器が起爆装置のすぐ内側の爆薬の中に配置されます。起爆装置が作動すると、最初の爆轟は成形器と円筒の端の間に閉じ込められ、成形器の端まで移動し、そこで端に沿って回折して爆薬の主塊に伝わります。これにより、爆轟は成形器から内側に向​​かって進むリング状になります。^{[ 23 ]}

タンパーやレンズがないため、爆発は球状にピットに到達しません。目的の球状爆縮を起こすには、核分裂性物質自体を同じ効果を生み出すように成形します。爆発塊内部での衝撃波伝播の物理法則により、ピットは長球状、つまりおおよそ卵形である必要があります。衝撃波はまずピットの先端に到達し、先端を内側に押し込み、塊を球状にします。衝撃波はプルトニウムをデルタ相からアルファ相に変化させ、密度を23%増加させることもありますが、真の爆縮のような内向きの運動量はありません。

圧縮がないため、このような設計は非効率的ですが、その単純さと小径性から、砲弾や原子爆弾（ADM）（バックパック型核兵器、スーツケース型核兵器とも呼ばれる）での使用に適しています。例としては、これまでに製造または配備された最小の核兵器であるW48砲弾があります。ガン型U-235設計であろうと、線状爆縮型Pu-239設計であろうと、このような低出力の戦場兵器はすべて、直径を6～10インチ（15～25cm）にするために、核分裂性物質を大量に消費します 。

より効率的な爆破システムでは、中空のピットを使用する。

1945年のファットマン爆弾の当初の計画は、中空のプルトニウムピットを用いることだったが、そのための爆縮システムを開発・試験する時間が十分になかった。時間的な制約を考慮すると、よりシンプルな固体ピット設計の方が信頼性が高いと考えられたが、そのためには重いウラン238製のタンパー、厚いアルミニウム製のプッシャー、そして3トンもの高性能爆薬が必要だった。

戦後、中空ピット設計への関心が再び高まった。その明らかな利点は、衝撃によって変形し、空洞の中心に向かって押し込まれたプルトニウムの中空殻が、固体球体として激しい衝突の際に運動量を保持することである。自己充填性があり、より小型のウラン238タンパー、アルミニウム製プッシャー、そしてより少ない高性能爆薬で済む。

二段階式熱核兵器では、一次核爆発のエネルギーが二次核爆発に作用します。一次核爆発と二次核爆発の間にある中間段と呼ばれる重要なエネルギー伝達変調器は、二次核爆発の核融合燃料が急速に加熱されるのを防ぎます。急激な加熱は、核融合反応と核分裂反応が始まる前に、通常の（小規模な）熱爆発を引き起こす可能性があるからです。

中間段のメカニズムについては、公開文献にはほとんど情報がありません。米国政府の公式文書で初めて言及されたのは、2007年に信頼性の高い代替弾頭プログラムを宣伝する図のキャプションのようです。この新しい設計が製造されれば、中間段の「有毒で脆い材料」と「高価な「特殊」材料」が置き換えられることになります。^{[ 32 ]}この記述は、中間段には、一次弾頭からのニュートロンの束を緩和するためのベリリウムと、特定の方法でX線を吸収して再放射する何かが含まれている可能性があることを示唆しています。^{[ 33 ]}また、フォグバンクというコードネームが付けられている可能性のあるこの中間段材料は、ベリリウムや他の物質が添加されたエアロゲルである可能性があるという憶測もあります。 ^{[ 34 ] [ 35 ]}

The interstage and the secondary are encased together inside a stainless steel membrane to form the canned subassembly (CSA), an arrangement which has never been depicted in any open-source drawing.^[36] The most detailed illustration of an interstage shows a British thermonuclear weapon with a cluster of items between its primary and a cylindrical secondary. They are labeled "end-cap and neutron focus lens", "reflector/neutron gun carriage", and "reflector wrap". The origin of the drawing, posted on the internet by Greenpeace, is uncertain, and there is no accompanying explanation.^[37]

核兵器設計概念の体系的な探求が初めて本格的に始まったのは、1942年半ば、カリフォルニア大学バークレー校においてであった。隣接するローレンス・バークレー研究所では、1940年にサイクロトロンを用いてプルトニウムを製造・分離するなど、重要な初期の発見がなされていた。バークレー校の教授、J・ロバート・オッペンハイマーは、国の秘密の爆弾設計計画を統括するために雇われたばかりだった。彼の最初の仕事は、1942年の夏季会議を招集することであった。

1943年春、彼がニューメキシコ州の新しい秘密の町ロスアラモスに拠点を移した時点で、核兵器設計に関する蓄積された知識は、バークレー大学のロバート・サーバ教授による5つの講義で構成されており、それらは（機密扱いだったが、現在は完全に機密解除され、PDFとしてオンラインで広く入手可能な）ロスアラモス入門として書き起こされ配布された。^{[ 85 ]}この入門書では、核分裂エネルギー、中性子の生成と捕獲、核連鎖反応、臨界質量、タンパー、プレデトネーション、および爆弾を組み立てる3つの方法（ガンアセンブリ、インプロージョン、および行き詰まりとなった唯一のアプローチである「自己触媒法」）について取り上げている。

ロスアラモスでは、1944年4月にエミリオ・セグレによって、提案されていたシンマン・ガン組立式爆弾はプルトニウムには使えないことが発見された。これはプルトニウム240不純物による起爆前問題が原因だった。そのため、爆縮型爆弾であるファットマンがプルトニウムの唯一の選択肢として最優先された。バークレーでの議論では臨界量の理論的な推定値は得られたものの、正確な値は得られなかった。ロスアラモスの戦時中の主な仕事は臨界量の実験的決定であり、そのためには十分な量の核分裂性物質が生産工場から届くのを待たなければならなかった。ウランはテネシー州オークリッジから、プルトニウムはワシントン州ハンフォードサイトから供給された。

1945年、ロスアラモスの技術者たちは、臨界質量実験の結果を利用して、トリニティ・ガジェット、リトルボーイ、ファットマン、未使用の予備ファットマンの4つの爆弾の部品を製造し、組み立てた。^{[ 86 ]}ロスアラモス国立研究所のウェブサイトによると、「ガジェット」という用語は、プロジェクトに関する秘密を守るために、1940年代に実験装置や工学装置を説明する際によく使われていた。NSRCの記録では、「銃ガジェット」（リトルボーイ）と「爆縮ガジェット」（ファットマン）、そしてトリニティ装置を「ガジェット」と呼んでいる。^{[ 87 ]}

戦後、オッペンハイマーを含む可能な者は大学の教職に戻った。残った者は浮上ピットや中空ピットの研究に従事し、1946年にビキニ環礁でクロスロード・エイブルやベイカーなどの兵器効果試験を実施した。 ^{[ 88 ]}

核融合を核兵器に組み込むための基本的なアイデアはすべて、1946年から1952年にかけてロスアラモス研究所で生まれた。 1951年のテラー・ウラム放射線爆縮の画期的な成果の後、技術的な意味合いと可能性は徹底的に探求されたが、長距離空軍爆撃機用の最大級の爆弾製造に直接関係のないアイデアは棚上げされた。

オッペンハイマーは当初、水爆論争において大型熱核兵器に反対する立場をとっており、また、彼がロスアラモス研究所を去った後もなお影響力を持っていると推測されたため、エドワード・テラーの政治的な盟友たちは、彼が水爆開発を進めるためには独自の研究所が必要だと判断した。1952年にカリフォルニア州リバモアに開設されたロスアラモス研究所は、リバモア研究所が当初意図していた役割を既に果たしていた。

当初の使命が果たせなくなったリバモア研究所は、斬新な設計を試みたが、いずれも失敗に終わった。最初の3回の核実験は失敗に終わった。1953年にはウラン水素化物ピットを用いた単段式核分裂装置を2回、1954年には2段式熱核爆発装置を試みたが、二次核が早期に加熱しすぎて放射線爆縮が適切に機能しなかった。

方向転換して、リバモアはロスアラモスが棚上げしたアイデアを陸軍と海軍向けに開発することにした。これにより、リバモアは小径戦術兵器、特にスワンのような2点爆縮システムを使用する兵器に特化するようになった。小径戦術兵器は、小径副兵器の主兵器となった。1960年頃、超大国の軍拡競争が弾道ミサイル競争になると、リバモアの弾頭は、大型で重いロスアラモスの弾頭よりも有用になった。ロスアラモスの弾頭は最初の中距離弾道ミサイル（IRBM）に使用されたが、より小型のリバモアの弾頭は、最初の大陸間弾道ミサイル（ICBM）や潜水艦発射弾道ミサイル（SLBM）、そしてこれらのミサイルの最初の多弾頭システムに使用された。^{[ 89 ]}

1957年と1958年には、両研究所は計画されていた1958年の核実験禁止が恒久的なものになる可能性を見越して、可能な限り多くの設計を製作し、試験を行った。1961年に核実験が再開される頃には、両研究所は互いにそっくりな組織になっており、設計業務は研究所の専門性よりも作業量を考慮して割り当てられるようになった。中には、設計が物々交換で移管されたものもあった。例えば、タイタンIミサイルのW38弾頭は、当初リバモア研究所のプロジェクトとして始まったが、アトラスミサイルの弾頭となった際にロスアラモス研究所に移管され、1959年にはリバモア研究所からロスアラモス研究所に移管されたW54デイビークロケット弾頭と交換され、再びリバモア研究所に戻された。

1960年以降の弾頭設計は、モデルチェンジという性格を帯びるようになり、新型ミサイルにはマーケティング上の理由から新しい弾頭が搭載されるようになった。主な実質的な変更点は、ウラン濃縮の継続と大型高出力爆弾の解体に伴い、より多くの核分裂性ウラン235を二次弾頭に詰め込むようになったことである。

1980年代半ばにリバモアのノバ施設で始まった放射線駆動爆縮に関する核設計活動は、間接駆動レーザー核融合の研究から影響を受けた。この研究は慣性閉じ込め核融合の研究の一環であった。同様の研究は、より強力な国立点火施設（NIF）でも継続されている。核兵器備蓄管理プログラムも、 NIFで行われた研究から恩恵を受けている。

試験分析において重要なツールの一つが、診断用ライトパイプであった。試験装置内部のプローブは、金属板を白熱させることで情報を伝達し、その現象は、長くまっすぐなパイプの先端に設置された計測機器によって記録された。

下の写真は、1954年3月1日にビキニ環礁でキャッスル・ブラボー実験として爆発したシュリンプ装置を示しています。その15メガトンの爆発は、米国史上最大の爆発でした。大きさを比較するために、男性のシルエットが示されています。装置は両端から下から支えられています。ショットキャブの天井に伸びているパイプは、支持材のように見えますが、実際には診断用ライトパイプです。右端の8本のパイプ（1）は、一次爆発に関する情報を送信しました。中央の2本（2）は、一次爆発からのX線が二次爆発の周囲の放射線チャネルに到達した時刻を示しました。最後の2本のパイプ（3）は、放射線が放射線チャネルの遠端に到達した時刻を示し、（2）と（3）の差がチャネルの放射線通過時間です。^{[ 91 ]}

ショットキャブからパイプは水平方向に曲がり、ビキニ環礁に建設された土手道に沿って2.3km （7,500フィート）進み、ナム島にある遠隔操作式のデータ収集バンカーに到達した。  

X線は通常、（2）と（3）の間のプラスチックフォームチャネル充填材のような低密度材料を光速で通過しますが、爆発する一次からの放射線の強度により、チャネル充填材内に比較的不透明な放射線前線が形成され、これがゆっくりと動く流木のように作用して放射エネルギーの通過を遅らせます。二次が放射線誘起アブレーションによって圧縮されている間、一次からのニュートロンがX線に追いつき、二次に侵入して、上記の最初のセクションで述べた3番目の反応によってトリチウムの増殖を開始します。この⁶ Li + n反応は発熱反応であり、1イベントあたり5 MeVのエネルギーを生成します。スパークプラグはまだ圧縮されていないため、臨界未満のままであり、結果として大きな核分裂や核融合は起こりません。ただし、二次の爆縮が完了する前に十分なニュートロンが到達すると、二次の外側と内側の間の重要な温度差が劣化し、二次が点火しない可能性があります。リバモア研究所が設計した最初の熱核兵器であるモーゲンシュテルン装置は、 1954年4月7日にキャッスル・クーンとして実験された際に、この方法で失敗した。一次核は点火したが、一次核のニュートロン波によって予熱された二次核は、非効率的な爆発と呼ばれる現象を起こした。^{[ 92 ]： 165}そのため、予測された1メガトンの威力を持つ兵器は、わずか110キロトンしか発生せず、そのうち核融合によるものはわずか10キロトンであった。^{[ 93 ]： 316}

これらのタイミング効果、およびそれらが引き起こす問題は、ライトパイプデータによって測定されます。これらのデータに基づいて較正される数学的シミュレーションは、放射流流体力学コード、またはチャネルコードと呼ばれます。これらは、将来の設計変更の影響を予測するために使用されます。

公記録からは、シュリンプ光パイプがどれほど成功したかは明らかではない。無人データバンカーは、1マイル幅のクレーターの外側に留まるほど十分に後方にあったが、予想の2.5倍の威力を持つ15メガトンの爆発により、20トンのドアが蝶番から外れてバンカー内部に吹き飛ばされ、バンカーが破壊された。（最も近い人々は32キロメートル（20マイル）離れたバンカーにいて、そのバンカーは無傷で残った。）^{[ 94 ]} 

キャッスル・ブラボーで最も興味深いデータは、放射性降下物中の兵器残骸の放射化学分析から得られた。濃縮リチウム6の不足のため、シュリンプ二次爆弾のリチウムの60%は通常のリチウム7であり、リチウム6ほど容易にトリチウムを生成しない。しかし、リチウム7は（n, 2n）反応（中性子1個が入り、中性子2個が放出される）の生成物としてリチウム6を生成する。これは既知の事実だが、その確率は不明だった。その確率は高いことが判明した。

フォールアウト分析により、設計者たちは、(n, 2n)反応により、シュリンプ二次炉が予想の2.5倍のリチウム6を実際に持っていることを知った。トリチウム、核融合収量、中性子、核分裂収量はすべてそれに応じて増加した。^{[ 95 ]}

前述の通り、ブラボーの放射性降下物分析は、熱核爆弾が核融合装置というよりは核分裂装置であることを初めて世界に知らしめた。日本の漁船「大後福龍丸」は、甲板に十分な量の放射性降下物を積んで帰港し、日本をはじめとする各国の科学者たちは、放射性降下物の大部分が核融合によって生成された14MeVの中性子によるウラン238の核分裂に由来することを突き止め、発表することができた。

キャッスル・ブラボー事件をきっかけに始まった放射性降下物に対する世界的な懸念は、最終的に核実験を文字通り地下へと追いやった。米国が地上で最後に核実験を行ったのは、1962年11月4日にジョンストン島で行われた。その後30年間、1992年9月23日まで、米国は平均して月に2.4回の地下核爆発実験を行ったが、そのほとんどはラスベガス北西にあるネバダ核実験場（NTS）で行われた。

国立森林公園のユッカ・フラット地区は、核爆発によってできた放射性空洞上の地盤が崩落した結果生じた陥没クレーターで覆われている（写真参照）。

1974年の閾値核実験禁止条約（TTBT）により、地下核爆発は150キロトン以下に制限されたため、半メガトン級のW88のような核弾頭は、全出力よりも低い出力で実験する必要があった。二次核爆発の爆縮に関するデータを得るためには、一次核爆発を全出力で起こさなければならないため、出力の低減は二次核爆発から行う必要があった。リチウム6重水素化物核融合燃料の大部分をリチウム7水素化物に置き換えることで、核融合に利用できるトリチウムが制限され、爆縮のダイナミクスを変えることなく全体の出力が制限された。この装置の機能は、ライトパイプ、その他のセンシング装置、および捕捉された兵器残骸の分析によって評価できた。備蓄された兵器の全出力は、外挿によって計算できた。

比較的単純な事故で臨界質量に達する可能性のある量と形状の核分裂性物質を含む兵器を持つことは、本質的に危険である。この危険性から、リトルボーイの推進剤（コルダイト4袋）は、1945年8月6日の離陸直後、飛行中に爆弾に挿入された。これは、ガン型核兵器が完全に組み立てられた初めての事例であった。

武器が水中に落下した場合、たとえ武器自体に物理的な損傷がなくても、水の減速効果によって臨界事故が発生する可能性がある。同様に、航空機の墜落による火災は、推進剤に容易に引火し、壊滅的な結果をもたらす可能性がある。銃型の武器は、本質的に常に危険な存在なのである。

爆縮型兵器では、レンズが正しく爆発しない限り、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、これらの影響はどちらも起こりにくい。しかし、初期の爆縮型兵器は、臨界状態に非常に近いピットを備えていたため、偶発的な爆発による核出力の発生が懸念されていた。

1945年8月9日、ファットマンは完全に組み立てられた状態で航空機に搭載されたが、後に浮上式ピットによってピットとタンパーの間に空間ができたことで、飛行中にピットを挿入することが可能になった。爆撃機は爆弾に核分裂性物質を一切搭載せずに離陸する。アメリカのマーク4やマーク5といった、旧式の爆縮型兵器の中には、このシステムを採用したものもあった。

飛行中にピットを挿入する場合、タンパーに接触している中空のピットでは機能しません。

上の図に示すように、偶発的な爆発の可能性を低減するために用いられた方法の一つに、金属球を用いるものがあった。これらの球をピットに投入することで、中空のピットの密度を高め、爆発事故が発生した場合でも対称的な爆縮を防ぐことができた。この設計は、バイオレットクラブ爆弾やイエローサンMk.1爆弾に使用された、グリーングラス兵器（暫定メガトン兵器とも呼ばれる）にも採用された。

あるいは、ピットの通常は中空になっている中心部を、中性子を吸収するカドミウムなどの不活性物質（例えば細い金属鎖）で満たすことで、「安全化」することができる。鎖がピットの中心にある間は、ピットは核分裂に適した形状に圧縮されない。兵器を武装させる際には、鎖は取り除かれる。同様に、深刻な火災によって爆薬が爆発し、ピットが破壊され、プルトニウムが飛散して周囲を汚染する可能性はあるが（これはいくつかの兵器事故で実際に起こっている） 、核爆発を引き起こすことはない。

多数の起爆装置のうち1つが作動しただけでは、特にブーストが必要な低質量の中空ピットでは、中空ピットが臨界状態になることはないが、2点式爆縮システムの導入により、その可能性が現実的な懸念事項となった。

2点式システムでは、一方の起爆装置が作動すると、設計どおりにピットの片方の半球全体が爆縮します。もう一方の半球を取り囲む高性能爆薬は、赤道から反対側の極に向かって徐々に爆発します。理想的には、これにより赤道が挟まれ、チューブの中の歯磨き粉のように、もう一方の半球が最初の半球から押し出されます。爆発がもう一方の半球を包み込む頃には、その爆縮は最初の半球の爆縮とは時間的にも空間的にも分離されます。結果として生じるダンベル状の形状は、両端が異なるタイミングで最大密度に達するため、臨界状態にはならない可能性があります。

設計段階では、これがどのような結果をもたらすかを予測することは不可能である。ウラン238の模擬ピットと高速X線カメラを用いた試験も有用ではあるが、同様に予測は不可能である。最終的な判断を下すには、実際の核分裂性物質を用いた試験が必要である。そのため、スワン研究所の翌年である1957年から、両研究所は一点安全試験を開始した。

1957年と1958年に実施された25回の1点安全試験のうち、7回は核出力がゼロまたはわずか（成功）、3回は300トンから500トンの高い出力（深刻な失敗）を示し、残りはそれらの両極端の中間の許容できない出力を示した。

特に懸念されたのは、リバモア研究所のW47型核燃料炉で、一点試験において許容範囲を超える高収率を示した。偶発的な爆発を防ぐため、リバモア研究所はW47型に機械式安全装置を採用することを決定した。その結果として、以下に述べるワイヤー式安全装置が開発された。

1961年に実験が再開され、その後30年間続いたことで、全ての弾頭設計を機械的な安全装置を必要とせずに、本質的に一点安全性にするための十分な時間が確保された。

1958年の実験中止前の最後の実験で、ポラリスSLBMのW47弾頭は一点安全ではないことが判明し、許容できないほど高い核出力200kg （440ポンド）のTNT換算値（ハードタックIIチタニア）を生成した。実験中止が実施されていたため、設計を改良して本質的に一点安全にする方法はなかった。解決策として、製造時に兵器の空洞ピットにホウ素コーティングされたワイヤーを挿入するという方法が考案された。弾頭は、電動モーターで駆動されるスプールにワイヤーを引き出すことで武装した。一度引き出されたワイヤーは再挿入できなかった。^{[ 96 ]}ワイヤーは保管中に脆くなり、武装中に切断または詰まる傾向があり、完全に取り出すことができず、弾頭が不発弾となった。^{[ 97 ]}弾頭の50～75%が失敗すると推定された。これは、すべてのW47一次弾頭の完全な再構築を必要とした。^{[ 98 ]}ワイヤーの潤滑に使用された油もピットの腐食を促進した。^{[ 99 ]}  

強リンク／弱リンク方式では、核兵器の重要部品（「強リンク」）の間に「弱リンク」が設けられます。事故発生時には、弱リンクが最初に故障し、それらの間のエネルギー伝達が遮断されるように設計されています。その後、強リンクが故障してエネルギーが伝達または放出された場合でも、他の兵器システムにエネルギーが伝達されなくなり、核爆発の発生を防ぐことができます。強リンクは通常、極限環境に耐えられるよう強化された重要兵器部品であり、弱リンクは意図的に弱リンクとしてシステムに組み込まれた部品と、予測可能な故障を起こす可能性のある重要核部品の両方を含みます。

弱点の例としては、融点の低い合金で作られた電線を含む電気コネクタが挙げられる。火災が発生すると、これらの電線が溶けて電気接続が断たれてしまう。

許可作動リンク（ PAL ）は、核兵器の不正使用を防止するために設計されたアクセス制御装置である。初期のPALは単純な電気機械式スイッチであったが、現在では、出力制御機能、ロックアウト装置、不正操作防止装置などを統合した複雑な武装システムへと進化している。

 この記事には、無料コンテンツ作品からのテキストが含まれています。テキストは、 Carey Sublette著『核兵器に関するFAQ：1.6』から引用されています。