核爆弾の仕組み

人間を殺すことを目的とした最初の核爆弾は、1945 年 8 月 6 日に日本の広島上空で爆発しました。その 3 日後、2 番目の爆弾が長崎上空で爆発しました。 2つの爆弾による死者数は推定21万4,000人で、これらの兵器によってもたらされた破壊は戦争史上前例のないものであった

第二次世界大戦の終結時、米国は世界で唯一核能力を保有した超大国であった。しかし、それも長くは続きませんでした。ソ連は、アメリカの核秘密を盗んだスパイのネットワークの助けを得て、1949年にも自国の原爆実験に成功した。

米国とソ連が冷戦として知られる数十年にわたる敵対期間に突入すると、両国はさらに強力な核兵器である水爆を開発し、弾頭の貯蔵庫を構築した。両国は、数千マイル離れた場所から互いの都市に到達できる陸上配備の大陸間弾道ミサイルを備えた戦略爆撃機の艦隊を増強した。潜水艦には核ミサイルも装備されており、壊滅的な攻撃を行うことがさらに容易になりました。

他の国、つまりイギリス、フランス、中国、イスラエルはいずれも 60 年代後半までに核兵器を保有していました 。

核爆弾はすべての人、すべてのものに迫ってきました。学校では核空襲訓練が行われた。政府は核シェルターを建設しました。住宅所有者は裏庭にバンカーを掘りました。結局、核保有国は膠着状態に陥った。両国とも相互確証破壊戦略をとっていました。基本的には、一方の国が急襲攻撃を開始して数百万人が死亡し、広範囲にわたる破壊が成功したとしても、もう一方の国には反撃して同様に残忍な報復を加えるのに十分な武器がまだ残されているということです。

この恐ろしい脅威により、両国は互いに核兵器を使用することを思いとどまりましたが、それでも、壊滅的な核戦争の恐怖は残りました。 1970 年代から 80 年代にかけて緊張が続きました。ロナルド・レーガン大統領の下、米国は懐疑論者らから「スター・ウォーズ」と呼ばれる対ミサイル防衛技術の開発戦略を追求したが、これは米国を攻撃から守ることを目的としていたが、同時に米国が罰を受けずに先制攻撃できる可能性もあった。 10年代後半までにソ連が経済的に不安定になり始めると、レーガン大統領とソ連指導者ミハイル・ゴルバチョフは核兵器の制限に向けて本格的に取り組んでいた。

1991年、レーガンの後継者であるジョージ・H・W・ブッシュとゴルバチョフは、さらに重要な条約であるSTART Iに署名し、兵器の大幅な削減に同意した。 1991年のソ連崩壊後、ブッシュと新ロシア連邦大統領ボリス・エリツィンは1992年に弾頭とミサイルの数をさらに削減する別の条約START IIに署名した。

しかし、核爆弾の恐怖は決して消えることはありませんでした。 2000年代初頭、米国はイラクに侵攻し、独裁者サダム・フセインを打倒したが、その理由の一つは、彼が核兵器を開発しようとしているのではないかという恐怖だった。しかし、彼はその秘密の努力を放棄していたことが判明した。

しかし、別の全体主義国家である北朝鮮は、サダムが失敗した代わりに成功した。 2009年、北朝鮮は広島を破壊した原爆と同じくらい強力な核兵器の実験に成功した。地下の爆発は非常に重大で、マグニチュード 4.5 の地震が発生しました。

核戦争の政治的状況は長年にわたって大幅に変化しましたが、兵器自体の科学、つまりその怒りのすべてを解き放つ原子プロセスは、 アインシュタインの時代から知られていました。この記事では、核爆弾がどのように作られ、配備されるのかなど、核爆弾がどのように機能するかを概説します。まず最初に、原子構造と放射能について簡単に説明します。

原子構造と放射能

爆弾に到達する前に、原子レベルで小さなことから始めなければなりません。原子は、陽子、中性子、電子という 3 つの素粒子で構成されているのを覚えているでしょう。原子核と呼ばれる原子の中心は陽子と中性子で構成されています。陽子は正に帯電しています。中性子はまったく電荷を持ちません。そして電子はマイナスに帯電します。陽子と電子の比率は常に 1 対 1 であるため、原子は中性の電荷を持ちます。たとえば、炭素原子には 6 つの陽子と 6 つの電子があります。

ただし、それほど単純ではありません。原子の特性は、原子に含まれる各粒子の数に応じて大幅に変化する可能性があります。陽子の数を変えると、まったく異なる元素になります。原子の中の中性子の数を変えると、最終的には同位体が得られます。

たとえば、炭素には次のような特徴があります。

炭素で見られるように、ほとんどの原子核は安定していますが、まったく安定していない原子核もいくつかあります。これらの原子核は、科学者が放射線と呼ぶ粒子を自発的に放出します。放射線を放出する原子核は当然放射性であり、粒子を放出する行為は放射性崩壊として知られています。放射性崩壊には 3 つのタイプがあります。

特に核分裂の部分を思い出してください。核爆弾の内部の仕組みについて議論する際に、この話題は今後も出てくるだろう。

核分裂

核爆弾には、原子核、特に不安定な原子核を保持する力（強い力と弱い力）が関係します。核エネルギーが原子から放出される基本的な方法は 2 つあります。

核分裂または核融合のいずれのプロセスでも、大量の熱エネルギーと放射線が放出されます。

核分裂の発見はイタリアの物理学者エンリコ・フェルミの業績に帰することができます。 1930 年代に、フェルミは中性子の衝突を受けた元素が新しい元素に変換できることを実証しました。この研究の結果、低速中性子や周期表に記載されていない新しい元素が発見されました。

フェルミの発見直後、ドイツの科学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンはウランに中性子を照射し、放射性バリウム同位体を生成した。ハーンとストラスマンは、低速中性子がウラン原子核を分裂させ、2 つの小さな破片に分裂させたと結論付けました。

彼らの研究は、世界中の研究室での激しい活動を引き起こしました。プリンストン大学では、ニールス・ボーアがジョン・ウィーラーと協力して、核分裂プロセスの仮説モデルを開発しました。ボーアとウィーラーは、核分裂を起こしているのはウラン238ではなく、ウラン同位体であると推測した。

ほぼ同時に、他の科学者は、核分裂プロセスによりさらに多くの中性子が生成されることを発見しました。これにより、ボーアとウィーラーは重大な質問をするようになりました。核分裂で生成される自由中性子は、膨大な量のエネルギーを放出する連鎖反応を開始する可能性があるのでしょうか?そうすれば、想像を絶する威力の兵器が作れるかもしれない。

そして、そうでした。

核燃料

1940 年 3 月、ニューヨーク市のコロンビア大学で働く科学者チームは、ボーアとウィーラーによって提唱された仮説を確認しました。同位体ウラン 235またはU-235が核分裂の原因であるということです。コロンビアチームは 1941 年の秋に U-235 を使用して連鎖反応を起こそうとしましたが失敗しました。その後、すべての研究はシカゴ大学に移り、同大学のスタッグ・フィールドの下にあるスカッシュコートで、エンリコ・フェルミはついに世界初の制御された核連鎖反応を達成した。 U-235を燃料とした核爆弾の開発は急速に進んだ。

核爆弾の設計における重要性のため、U-235 をさらに詳しく見てみましょう。 U-235 は、誘導核分裂を起こすことができる数少ない物質の 1 つです。つまり、ウランが自然に崩壊するまで 7 億年以上待つ代わりに、中性子が原子核に突入すると、より早く元素が分解できるということです。原子核はためらうことなく中性子を吸収し、不安定になり、すぐに分裂します。

原子核が中性子を捕捉するとすぐに、原子核は 2 つの軽い原子に分裂し、2 つまたは 3 つの新しい中性子を放出します (放出される中性子の数は、U-235 原子がどのように分裂するかによって異なります)。 2 つのより軽い原子は、新しい状態に落ち着く際にガンマ線を放出します。この誘導核分裂プロセスには興味深い点がいくつかあります。

1941 年、カリフォルニア大学バークレー校の科学者は、核燃料としての可能性を秘めた別の元素、元素 94 を発見しました。彼らはこの元素をプルトニウムと名付け、翌年には実験に十分な量を作りました。最終的に、彼らはプルトニウムの核分裂特性を確立し、核兵器に使用できる 2 番目の燃料を特定しました。

核分裂爆弾の設計

核分裂爆弾では、時期尚早の爆発を防ぐために、燃料を核分裂を助長しない別個の未臨界質量として保持する必要があります。臨界質量は、核分裂反応を維持するために必要な核分裂性物質の最小質量です。

大理石のたとえをもう一度考えてみましょう。ビー玉の輪があまりに離れて広がっている場合（未臨界質量）、「中性子ビー玉」が中心に衝突したときに小さな連鎖反応が発生します。ビー玉が円内でより近くに配置されている場合 (クリティカルマス)、大きな連鎖反応が発生する可能性が高くなります。

燃料を別々の未臨界質量に保つことは、核分裂爆弾が適切に機能するために解決しなければならない設計上の課題につながります。もちろん、最初の課題は、未臨界塊を集めて超臨界塊を形成することです。これにより、爆発時の核分裂反応を維持するのに十分な中性子が供給されます。爆弾の設計者は 2 つの解決策を考え出しました。これについては次のセクションで説明します。

次に、自由中性子を超臨界物質に導入して核分裂を開始する必要があります。中性子は、中性子発生装置を作ることによって導入されます。この発電機はポロニウムとベリリウムの小さなペレットであり、核分裂性燃料炉心内でフォイルによって分離されています。このジェネレーターでは次のようになります。

最後に、爆弾が爆発する前に、できるだけ多くの物質が核分裂できるように設計する必要があります。これは、通常はウラン 238 で作られるタンパーと呼ばれる高密度物質内に核分裂反応を閉じ込めることによって実現されます。タンパーは核分裂炉心によって加熱され、膨張します。このタンパーの膨張は、核分裂炉心に圧力を加え、炉心の膨張を遅らせます。また、タンパーは中性子を核分裂炉心に反射して戻し、核分裂反応の効率を高めます。

核分裂爆弾のトリガー

未臨界状態の塊をまとめる最も簡単な方法は、一方の塊をもう一方の塊に向けて発射する銃を作ることです。中性子発生器の周囲に U-235 の球体が作られ、U-235 の小さな弾丸が取り除かれます。弾丸は爆発物を備えた長い管の一端に配置され、球体はもう一方の端に配置されます。気圧センサーは爆発に適切な高度を決定し、次の一連のイベントをトリガーします。

広島に投下された爆弾はこのタイプの爆弾で、収量は20キロトン（TNT火薬2万トンに相当）、効率は約1.5パーセントでした。つまり、爆発によって物質が持ち去られる前に、物質の 1.5 パーセントが核分裂しました。

超臨界質量を作成する 2 番目の方法では、爆縮によって未臨界質量をまとめて球体に圧縮する必要があります。長崎に投下された爆弾であるファットマンは、いわゆる爆縮誘発型爆弾の 1 つでした。構築するのは簡単ではありませんでした。

初期の爆弾設計者は、特に衝撃波を球全体に均一に制御し誘導する方法など、いくつかの問題に直面していました。彼らの解決策は、タンパーとして機能する U-235 の球体と、高性能爆発物で囲まれたプルトニウム 239 の核からなる爆縮装置を作成することでした。爆弾が爆発したとき、爆発効率は 17% で 23 キロトンの収量がありました。これが起こりました：

設計者は、基本的な爆縮誘発設計を改善することができました。 1943 年、アメリカの物理学者エドワード テラーはブースティングの概念を発明しました。ブースティングとは、核融合反応を利用して中性子を生成し、その中性子を利用してより高い速度で核分裂反応を引き起こすプロセスを指します。最初のテストでブースティングの有効性が確認されるまでさらに 8 年かかりましたが、証明が得られると、それは人気のあるデザインになりました。その後数年間で、アメリカで製造された核爆弾のほぼ 90% がブースト設計を使用しました。

もちろん、核融合反応は核兵器の主なエネルギー源としても使用できます。次のセクションでは、核融合爆弾の内部の仕組みを見ていきます。

融合爆弾

核分裂爆弾は機能しましたが、あまり効率的ではありませんでした。科学者たちが、逆の核プロセス、つまり核融合のほうがうまく機能するのではないかと考えるのに、それほど時間はかかりませんでした。融合は、2 つの原子の核が結合して 1 つのより重い原子を形成するときに発生します。極度の高温では、水素同位体の重水素と三重水素の原子核が容易に融合し、その過程で膨大な量のエネルギーが放出されます。このプロセスを利用する兵器は、核融合爆弾、熱核爆弾、または水素爆弾として知られています。

核融合爆弾は核分裂爆弾よりもキロトンの収量と効率が高くなりますが、解決しなければならない問題がいくつかあります。

科学者たちは、常温では放射性崩壊を受けない固体化合物である重水素酸リチウムを主な熱核物質として使用することで、最初の問題を克服しました。トリチウム問題を克服するために、爆弾の設計者は、核分裂反応を利用してリチウムからトリチウムを生成します。核分裂反応は最後の問題も解決します。

核分裂反応で放出される放射線の大部分は X 線であり、これらの X 線は核融合を開始するのに必要な高温と高圧を提供します。したがって、核融合爆弾は、一次核分裂または加速核分裂コンポーネントと二次核融合コンポーネントという 2 段階の設計になっています。

この爆弾の設計を理解するには、爆弾のケーシング内に爆縮核分裂爆弾とウラン 238 (タンパー) のシリンダー ケーシングがあると想像してください。タンパーの中には重水素化リチウム (燃料) と、シリンダーの中心にあるプルトニウム 239 の中空棒があります。

爆縮爆弾からシリンダーを分離しているのは、ウラン 238 と爆弾のケーシング内の残りのスペースを埋めるプラスチック発泡体のシールドです。爆弾の爆発により、次の一連のイベントが発生します。

これらすべての出来事は、約 6,000 億分の 1 秒で起こります (核分裂爆弾の爆縮は 5,500 億分の 1 秒、核融合現象は 500 億分の 1 秒)。その結果、10,000キロトンの爆発が起こり、リトルボーイの爆発の700倍の威力になります。

核爆弾の配達

核爆弾を作ることは別のことだ。兵器を目的の標的に届けて爆発させることは全く別のことです。これは、第二次世界大戦の終わりに科学者によって製造された最初の爆弾に特に当てはまりました。マンハッタン計画のメンバーであるフィリップ・モリソンは、初期の兵器について次のように書いている。信頼できる兵器だった。」

これらの爆弾の最終目的地への配達は、設計と製造とほぼ同じくらい即席で行われました。 USS インディアナポリスは、リトルボーイ爆弾の部品と濃縮ウラン燃料を、1945 年 7 月 28 日に太平洋のテニアン島に輸送しました。 ファットマン爆弾の部品は、3 機の改造 B-29 によって運ばれ、1945 年 8 月 2 日に到着しました。

60人の科学者チームが集会を支援するため、ニューメキシコ州ロスアラモスからテニアン島に飛んだ。重さ9,700ポンド（4,400キログラム）、鼻から尾部までの長さ10フィート（3メートル）のリトルボーイ爆弾が最初に準備ができた。 8月6日、乗組員はリトルボーイをポール・ティベッツ大佐が操縦するB-29エノラ・ゲイに積み込んだ。飛行機は日本まで750マイル（1,200キロ）の旅をし、広島上空に爆弾を投下し、午前8時12分ちょうどに爆発した。

8月9日、約11,000ポンド（5,000キログラム）のファットマン爆弾が、チャールズ・スウィーニー少佐が操縦する2番目のB-29であるボックスカーに乗って同じ飛行を行った。その致命的な積載量は正午直前に長崎上空で爆発した。

現在でも、第二次世界大戦の対日本戦で使用された航空機による重力爆弾という方法は、依然として核兵器を運搬する実行可能な方法である。しかし、長年にわたって弾頭のサイズが小さくなるにつれて、他の選択肢も利用できるようになりました。多くの国は、核装備を搭載した弾道ミサイルや巡航ミサイルを数基備蓄している。

ほとんどの弾道ミサイルは、陸上のサイロまたは潜水艦から発射されます。彼らは地球の大気圏を抜け、目標まで数千マイル移動し、兵器を配備するために大気圏に再突入します。巡航ミサイルは弾道ミサイルよりも射程が短く、弾頭も小さいですが、探知や迎撃は困難です。それらは空から、地上の移動式発射装置から、そして海軍艦艇から発射することができます。

戦術核兵器 (TNW) も冷戦中に普及しました。 TNW はより狭い地域をターゲットにするように設計されており、短距離ミサイル、砲弾、地雷、爆雷が含まれます。

核爆弾の影響と健康リスク

核兵器の爆発は甚大な破壊を引き起こしますが、その破片には爆弾の物質がどこから来たのかという顕微鏡的な証拠が含まれています。人口密集都市などの目標上で核爆弾が爆発すると、甚大な被害が生じます。被害の程度は、爆心地または爆心地と呼ばれる爆弾の爆発の中心からの距離によって決まります。爆心地に近づくほど被害は大きくなります。損傷はいくつかの要因によって引き起こされます。

爆心地では、すべてが高温（最大華氏5億度または摂氏3億度）によって即座に蒸発します。爆心地から外側では、ほとんどの死傷者は熱による火傷、衝撃波による飛来破片による負傷、および高放射線量への急性被ばくによって引き起こされます。

爆破直後のエリアを越えると、熱、放射線、熱波から発生した火災によって死傷者が発生します。長期的には、卓越風の影響で放射性降下物がより広範囲に発生します。放射性降下物粒子は水道に入り、人々によって吸入され、摂取されます。