ウラン水素化物爆弾

ウラン水素化物爆弾は、ロバート・オッペンハイマーが1939年に初めて提案し、エドワード・テラーが提唱しテストした原子爆弾の派生設計である。^[1]この爆弾は、ウランと重水素のセラミックコンパクト内で、水素の同位体である重水素を中性子減速材として使用した。他のすべての核分裂爆弾とは異なり、この概念は遅い核分裂の連鎖反応に依存している（中性子温度を参照）。中性子が減速すると反応が遅れるため、爆弾の効率は低下する。これは、1992年にロブ・サーバーがロスアラモス入門書のオリジナルの改訂版で説明した通りである。^[2]

この種の兵器の「水素化物」という用語は、公開文献では誤解を招くことがある。「水素化物」は天然の水素（主に¹ H）が使用されていることを意味するかもしれないが、爆弾ピットには重水素（ ² H）のみが使用されている。同様に、「水素爆弾」では重水素が使用され、時には三重水素が使用される。^[3]

2つのウラン重水素爆弾がテストされたことが知られています。アップショット・ノットホール作戦中のルースとレイのテストショットです。両方のテストはそれぞれ200トンのTNT火薬に相当する威力を生み出し、不発に終わったと考えられました。^[1]^[4]他のすべての核兵器プログラムは、その兵器設計に高速中性子に依存してきました。

理論

マンハッタン計画の初期段階、1943年、ウラン重水素化物^{[注 1]}が有望な爆弾材料として研究されたが、そのような設計は非効率的であることが判明し、1944年初頭までに放棄された。^[5]この初期の研究から生まれた「自己触媒」設計は、中止された放射状爆縮式マーク2兵器「エルマー」であった。これは、パラフィンでコーティングされたウラン重水素化物粒子 ( UD ₃または U ² H ₃の発火性を低減するため) と、固体コア全体に均一に分散されたホウ素 10 炭化物 (B _{4 C) ワックスを使用した。}^{[注 2]鉛と B}₄ C の複合タンパーが構想され、1つのバージョンでは約 10.5 kg の活性物質 (つまり UD ₃ )が、もう1つのバージョンでは BeO タンパーに 8.45 kg の活性物質が含まれた。^[3]^{: 260}

重水素化ウラン（UD ₃）または重水素化プルトニウム（PuD ₃ ）中の重水素は中性子を減速（減速）させ、それによって中性子吸収の核断面積を増加させる。その結果、必要な臨界質量はより低くなり、必要な ²³⁵ Uまたは²³⁹ Puの量が減少するはずであった。^[6]同時に、重水素の減速効果により、^{[2]圧縮要件は（少なくとも原理的には）いくらか緩和され、コア内に追加の核分裂性物質を組み立てることや、}MK 3用に予定されていたものよりもはるかに単純でコンパクトな径方向爆縮アセンブリの組み立てが可能になる。^[3]^{： 258}実際には、その結果、より遅い中性子が達成される核分裂世代の数を減らすことによって反応時間を大幅に遅らせた。特に、核がスノープラウ領域（すべての核反応が停止する領域）に達するまで膨張すると、より多くの中性子が核の乱流表面から逃げ出し、（軍事用途に十分な）エネルギーが生成される前に、より多くの中性子が核の乱流表面から逃げ出すことができる。全体として、慣性閉じ込めが失敗する前に、中性子減速により兵器の効率が急激に低下した。^[6]^[2]結果は、本格的な爆発ではなく、失敗に終わることが認識されました。予測された威力は、核が当初の予測どおりに機能した場合、約1キロトンのTNT（4.2 TJ）でした。 ^[7]「水素化物」爆弾の挙動に関する最初の大まかな推定は、1944年にジェームズ・コナントが約9 kgのUD ₃から1 ktのエネルギーが得られると予測したときに現れました。^[8]

戦後、LANLの物理学者はこのテーマの研究を低い優先順位で続けた。1949年12月のモンテカルロシミュレーション^[3]^：258では、コアは原理的には機能し、 MK 5よりもかなり小型の兵器となることが示されたが、燃料の本来の効率の低さは、中空コアとブースティングを組み込んだとしても理論的に想定されたほどには改善されないため、強い懐疑論が浮上し、 MK 4高性能爆薬アセンブリでのそのようなコアのテスト提案は、最終的にグリーンハウス作戦の予備射撃スケジュールから削除された。^[3]^：259

ジョージ・ガモフによる漫画。MK 2「エルマー」とMK 8「エルシー」の武器を示しており、MK 2（「善良な仲間」）は*不器用で魅力のないもの*として描かれている。

UCRLテスト

ルース爆発の映像。

ロスアラモスからの懐疑的な意見にもかかわらず、エドワード・テラーは、この概念に興味を持ち続け、 1950年代初頭にアーネスト・ローレンスとともにUCRL（カリフォルニア大学放射線研究所、後のローレンス・リバモア国立研究所）でそのような装置の実験を行った。新しい研究所の楽観的な見方から、UCRLは、この物質を利用した「小型兵器」の一種を提案し、「ジオード」と名付けた。「ジオード」タイプの装置は、中空の球状金属ウラン、または部分的に（「わずかに」）減速されたコアを使用した、コンパクトな線形（2点）爆縮型ガスブースト核分裂兵器であり、金属ウランまたはプルトニウムシェルの内部にUD ₃^{[注 3]}を敷き詰め、10 kt 程度の威力を生み出す。このクラスの装置は、戦術核兵器や、コンパクトな熱核システムの一次核兵器として利用される。^[1]「ジオード」は本質的に「スワン」とその派生製品（「スウィフト」や「スワロー」デバイスなど）の先駆けでした。^[注4]^[9]^{: 6}

1953年、アップショット・ノットホール作戦の一環として、2つの試験装置が配備された。カリフォルニア大学放射線研究所の設計の主目的は、ウラン重水素化物^{[11]を含む球状の重水素化}ポリエチレン装薬を「ラジエーター」（「モルゲンシュテルン」の初期の形態）の熱核燃料候補として予備的な^[10]^: 202 核工学調査を行うことだった。^[10]^:²⁰³放射爆縮によって適切に圧縮されれば、重水素がセカンダリーのコアで融合（活性媒体になる）することが期待された。燃料は、当時不足していたリチウムなどの物質を巡って、カリフォルニア大学放射線研究所の熱核プログラムがLASLのプログラムと競合しないように選択された。^{[注 5]}^[10]^{: 24}もし成功すれば、この装置は、核分裂性物質の含有量が最小限で、当時UCRLが設計していたもう一つのマーク22核爆弾プロトタイプであるラムロッド^[10]^{: 149}を点火するのに十分な威力を持つコンパクトな一次核爆弾にもつながる可能性がある。水素化物タイプの一次核爆弾の場合、圧縮度合いによって重水素が融合することはないため、この設計は本質的に純粋な核分裂兵器であり、ブースト兵器ではない。^[3]^{: 258}アップショット=ノットホールでテストされた装置自体は実験システムであり、兵器プロトタイプではなく、兵器や熱核一次核として使用するようには設計されていなかった。^[10]^{: 202}コアは、重水素化ウラン（UD ₃）の混合物で構成され、 ^[10]^{: 202}重水素化ポリエチレンで粉末圧縮された。ホウ素は使用されなかった。アップショット＝ノットホールでテストされたコアは、重水素で減速されたウランの異なる「混合物」（または濃縮度）を使用していました。^[3]^{: 260}予測された威力は、ルースでは1.5〜3 kt （最大潜在威力は20 kt ^[12]^{: 96} ）、レイでは0.5〜1 ktでした。テストではそれぞれ約200トンのTNT火薬の威力が発生し、両方のテストは失敗に終わったと考えられました。^[13]

ルースは、天然ウランタンパーを備えた固体球形ピットで重水素と濃縮ウランを使用した、リバモアでほぼ完全に設計された最初の装置であり、1953年3月31日午前5時（グリニッジ標準時午後5時）にネバダ州マーキュリーで起爆された。爆発装置「ハイドライドI」^{[注 6]は}、コンポジションBとバラトル爆薬レンズで作られたMK-6 HEアセンブリを使用し、 ^[12]^：198および光核分裂による起爆用にXMC-305ベータトロンが提供され、^[12]^：96重量は7,400ポンド（3,400 kg）、直径56インチ（140 cm）、長さ66インチ（170 cm）であった。核兵器システムの重量は6,750ポンド（3,060 kg）だった。1.5～3ktの予測に反し、実際の威力はわずか200トンだった。研究所の若きエンジニア、ウォーリー・デッカーは、発射時の音を「ポン」と表現した。この装置はテストサイトを「自動的に機密解除」することができず、300フィート（91 m）のテストタワーの下部100フィート（30 m）はそのまま残り、中央の3分の1はテストエリア全体に散らばり、上部の3分の1だけが蒸発した。^[13]

レイ事件で試験された2番目の装置は、固体球状ピットに重水素と異なる濃度の濃縮ウランを使用した。^[12]^{: 98}この装置は「ハイドライドII」と呼ばれ、^{[注 7]}MK-6 HEアセンブリも使用しました。^[12]^{: 198}これも、既知の時間に点火されたXMC-305ベータトロンによって起動されました。^[12]^{: 96}「ハイドライドI」の姉妹装置である「ハイドライドII」装置は、ピットの「燃料」混合物が異なるだけで、ルース試験装置と同じ寸法と重量を共有していました。^[12]^{: 96} 1953年4月11日、高さ100フィート（30メートル）の塔の頂上にあるキャブで点火されました。レイの射撃により塔は水平になりましたが、爆発力はわずか220トンでした。^[15]^：101ルースよりも良い成績を収めたが、収量は予測された0.5～1ktの値の約10分の1に過ぎなかった。

参考文献

注記

^フランシス著 『Warhead Politics』によれば、非機密名は「マンティコア」であった。
^ ホウ素10の配布は明らかにより有用であり、^[3]^{: 260}、以前の面倒な「ホウ素バブル」スキームを廃止しました。^[2]
^ そのためジオードという名前が付けられ、通常は内部に結晶が並んだ球状の空洞で構成されています。^[9]^{: 213}
^ これらの装置の名前はすべてSmall Weaponsの頭文字をとったものである。^[9]^{: 50}
^ 安価な熱核燃料のアイデアは、UCRL によって「ウォーターボイラー」の設計、つまり 2 段階熱核装置の原始的なタイプと、フッ化ウラニルの重水溶液を使用する「ラジエーター」の初期設計コンセプトによって追求されました。これらは基本的に LASL から UCRL に移管され、テラーに代わって LASL で行われた 1952 年の実験の追跡調査と、テラーが LASL を離れて新設の UCRL に移る直前の調査が行われました。^[10]^{: 207}
^非機密名はフランシス著 『Warhead Politics』によれば「バジリスクI」であった。^[14]
^フランシス著 『Warhead Politics』によれば、非機密名は「Basilisk II」であった。

引用

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[5] ^フランシス著 『Warhead Politics』によれば、非機密名は「マンティコア」であった。

[7] ホウ素10の配布は明らかにより有用であり、^[3]^{: 260}、以前の面倒な「ホウ素バブル」スキームを廃止しました。^[2]

[12] そのためジオードという名前が付けられ、通常は内部に結晶が並んだ球状の空洞で構成されています。^[9]^{: 213}

[13] これらの装置の名前はすべてSmall Weaponsの頭文字をとったものである。^[9]^{: 50}

[16] 安価な熱核燃料のアイデアは、UCRL によって「ウォーターボイラー」の設計、つまり 2 段階熱核装置の原始的なタイプと、フッ化ウラニルの重水溶液を使用する「ラジエーター」の初期設計コンセプトによって追求されました。これらは基本的に LASL から UCRL に移管され、テラーに代わって LASL で行われた 1952 年の実験の追跡調査と、テラーが LASL を離れて新設の UCRL に移る直前の調査が行われました。^[10]^{: 207}

[20] ^非機密名はフランシス著 『Warhead Politics』によれば「バジリスクI」であった。^[14]

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