核爆弾のしくみ

1945年8月6日、人を殺すための最初の核爆弾が広島で爆発しました。3日後、2番目の爆弾が長崎で爆発しました。これらの兵器によって引き起こされた死と破壊は前例のないものであり、別の人種が存在する別の世界では、その場で核の脅威を終わらせた可能性があります。

しかし、日本での出来事は、第二次世界大戦に近づいたものの、米国とソビエト連邦の間の冷戦の始まりを示しました。 1945年から1980年代後半にかけて、双方は核兵器に巨額の投資を行い、主に紛争を抑止する手段として、備蓄を大幅に増やしました。爆弾による壊滅的な破壊の脅威は、すべての人に迫っていました。学校は核空襲訓練を実施した。政府は放射性降下物の避難所を建設しました。住宅所有者は裏庭にバンカーを掘りました。

1970年代から80年代にかけて、緊張はやや緩和し始めました。その後、1989年にベルリンの壁が崩壊し、2年後にソビエト政府自体が崩壊しました。冷戦は公式に終わった。両国間の関係が改善するにつれて、核兵器を制限するというコミットメントが浮上した。一連の条約が続き、最新のものは2011年2月に発効しました。前任者と同様に、新しい戦略兵器削減条約（START）は、戦略兵器をさらに削減および制限することを目的としています。他の措置の中で、それは1,550の弾頭の合計制限を要求します[出典：ホワイトハウス]。

残念ながら、ロシアと米国が暫定的に瀬戸際から離れたとしても、核戦争の脅威は残っています。 9カ国が弾道ミサイルに核弾頭を搭載できるようになりました[出典：フィシェッティ]。これらの国のうち少なくとも3か国（米国、ロシア、中国）は、世界のどこにいてもあらゆる標的を攻撃する可能性があります。今日の兵器は、日本に投下された爆弾の破壊力に容易に匹敵する可能性があります。 2009年、北朝鮮は広島を破壊した原子爆弾と同じくらい強力な核兵器のテストに成功しました。地下爆発は非常に大きかったので、マグニチュード4.5の地震が発生しました[出典：McCurry ]。

核戦争の政治情勢は何年にもわたって大きく変化しましたが、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、アインシュタイン以来知られています。この記事では、核爆弾の製造方法や配備方法など、核爆弾がどのように機能するかを確認します。まず、原子構造と放射能の簡単なレビューです。

コンテンツ

1. 原子構造と放射能
2. 核分裂
3. 核燃料
4. 核分裂爆弾の設計
5. 核分裂爆弾の引き金
6. 核融合爆弾
7. 核兵器運搬
8. 核爆弾の結果と健康上のリスク

爆弾にたどり着く前に、私たちは小さく、原子的に小さく始めなければなりません。原子が- 、あなたは覚えているだろう、3個の亜原子粒子で構成され、陽子、中性子と電子。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、中性子はまったく電荷を持たず、電子は負に帯電します。陽子と電子の比率は常に1対1であるため、原子全体が中性の電荷を持っています。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。

しかし、それはそれほど単純ではありません。原子の特性は、各粒子の数に基づい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、まったく別の元素になってしまいます。原子内の中性子の数を変えると、同位体になってしまいます。たとえば、炭素には3つの同位体があります。1）炭素12（6つの陽子+ 6つの中性子）、安定して一般的に発生する元素の形態、2）炭素13（6つの陽子+ 7つの中性子）、これは安定しているがまれであり、 3）炭素14（6つの陽子+ 8つの中性子）。これはまれで、起動が不安定（または放射性）です。

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ものもあります。これらの原子核は、科学者が放射線と呼ぶ粒子を自然放出します。もちろん、放射線を放出する原子核は放射性であり、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。放射性崩壊に特に興味がある場合は、核放射線のしくみをよく読んでください。ここでは、3種類の放射性崩壊について説明します。

特にその核分裂部分を覚えておいてください。核爆弾の内部の仕組みについて話し合うときに、それは今後も続くでしょう。

核爆弾は、原子の核、特に不安定な核を持つ原子を一緒に保持する強い力と弱い力を伴います。原子力が原子から放出される基本的な方法は2つあります。で核分裂（写真）は、科学者たちは、中性子を持つ2つの小さな断片に原子の核を分割します。核融合（太陽がエネルギーを生成するプロセス）には、2つの小さな原子を集めて大きな原子を形成することが含まれます。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・フェルミの業績によるものと考えられます。 1930年代に、フェルミは、中性子衝撃を受けた元素が新しい元素に変換される可能性があることを実証しました。この研究の結果、遅い中性子と、周期表に示されていない新しい元素が発見されました。フェルミの発見後すぐに、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が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ました。彼らは、低速中性子がウラン原子核を核分裂させるか、2つの小さな断片に分解させたと結論付けました。

彼らの仕事は世界中の研究所で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ホイーラーと協力して、核分裂過程の仮想モデルを開発しました。彼らは、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ウラン235であると推測した。ほぼ同時に、他の科学者は、核分裂過程がさらに多くの中性子を生成する結果とな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。核分裂で生成された自由中性子は、膨大な量のエネルギーを放出する連鎖反応を開始できるでしょうか。もしそうなら、想像を絶する力の武器を作ることが可能かもしれません。

そしてそうだった。

1940年3月、ニューヨーク市のコロンビア大学で働いている科学者のチームは、ボーアとウィーラーが提唱した仮説、つまり同位体ウラン235またはU-235が核分裂の原因であることを確認しました。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開始しようとしましたが、失敗しました。その後、すべての作業はシカゴ大学に移され、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ました。 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その重要性のために、U-235をより詳しく見てみましょう。U-235は、誘発核分裂を起こす可能性のある数少ない材料の1つです。ウランが自然に崩壊するのを7億年以上待つ代わりに、中性子がその核に衝突した場合、元素ははるかに速く分解することができます。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獲するとすぐに、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）。次に、2つの軽い原子は、新しい状態に落ち着くときにガンマ線を放出します。この誘発された核分裂過程について、それを面白くするいくつかのことがあります：

1941年、カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、核燃料としての可能性を提供する可能性のある別の元素、つまり元素94を発見しました。彼らは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、核兵器の2番目の可能な燃料を特定しました。

核分裂爆弾では、早期の爆発を防ぐために、燃料は核分裂をサポートしない別々の亜臨界質量に保たれなければなりません。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。大理石の例えをもう一度考えてみてください。ビー玉の円があまりにも離れて広がっている場合（臨界未満の質量）、「中性子ビー玉」が中心に当たったときに、より小さな連鎖反応が発生します。ビー玉が円内で互いに接近して配置されている場合（臨界質量）、大きな連鎖反応が発生する可能性が高くなります。

燃料を別々の亜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され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、亜臨界質量をまとめて超臨界質量を形成することです。これにより、爆発時に核分裂反応を維持するのに十分な数の中性子が提供されます。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、核分裂を開始するために、自由中性子を超臨界質量に導入する必要があります。中性子は、中性子発生器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、核分裂性燃料コア内でホ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：

最後に、爆弾が爆発する前に、可能な限り多くの材料が核分裂することを可能にする設計でなければなりません。これは、通常はウラン238でできているタンパーと呼ばれる高密度の物質内に核分裂反応を閉じ込めることによって達成されます。タンパーは核分裂コアによって加熱され膨張します。タンパーのこの膨張は、核分裂コアに圧力を戻し、コアの膨張を遅くします。改ざんはまた、中性子を核分裂コアに反射して戻し、核分裂反応の効率を高めます。

未臨界の質量をまとめる最も簡単な方法は、一方の質量をもう一方の質量に発射する銃を作ることです。中性子発生器の周りにU-235の球が作られ、U-235の小さな弾丸が取り除かれます。弾丸はその後ろに爆発物がある長いチューブの一方の端に配置され、球はもう一方の端に配置されます。気圧センサーは、爆発に適した高度を決定し、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であるリトルボーイはこの種の爆弾であり、14.5キロトンの収量（14,500トンのTNTに相当）を持ち、効率は約1.5パーセントでした。つまり、爆発によって材料が運び去られる前に、材料の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、亜臨界質量を一緒に圧縮して球体に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、これらのいわゆる爆縮誘発爆弾の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、いくつかの問題に直面しました。特に、衝撃波を球全体に均一に制御および向ける方法です。彼らの解決策は、改ざんとして機能するU-235の球体と、高爆薬に囲まれたプルトニウム239コア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、それは17パーセントの効率で23キロトンの収量を持っていました。これが起こったことです：

設計者は、基本的な爆破トリガー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、核融合反応を使用して中性子を生成し、それを使用して核分裂反応をより高い速度で誘発するプロセスを指します。最初のテストでブーストの有効性が確認されるまでにさらに8年かかりましたが、証明が得られると、人気のあるデザインになりました。その後の数年間で、アメリカで製造された核爆弾のほぼ90パーセントがブースト設計を使用していました。

もちろん、核融合反応は核兵器の主要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。

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。科学者たちは、反対の核プロセスである核融合がうまくいく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。核融合は、2つの原子の核が結合して1つの重い原子を形成するときに発生します。非常に高い温度では、水素同位体である重水素とトリチウム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を放出する可能性があります。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高いキロトン収量と高い効率を持っていますが、解決しなければならないいくつかの問題があります。

科学者たちは、主要な熱核物質として、常温で放射性崩壊を受けない固体化合物である重水素リチウムを使用することにより、最初の問題を克服します。トリチウムの問題を克服するために、爆弾の設計者は核分裂反応に依存してリチウムからトリチウムを生成します。核分裂反応も最終的な問題を解決します。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線は融合を開始するために必要な高温と高圧を提供します。したがって、核融合爆弾には2段階の設計があります。一次核分裂またはブースト型核分裂コンポーネントと二次核融合コンポーネントです。

この爆弾の設計を理解するために、爆弾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。改ざんの中には、水素化リチウム（燃料）とプルトニウム239の中空ロッドがシリンダーの中央にあります。爆縮爆弾からシリンダーを分離するのは、爆弾ケーシングの残りのスペースを満たすウラン238とプラスチックフォームのシールドです。爆弾の爆発は、次の一連のイベントを引き起こします。

これらのイベントはすべて、約6000億分の1秒で発生します（核分裂爆弾の爆発では5500億分の1秒、核分裂イベントでは500億分の1秒）。その結果、10,000キロトンの収量を持つ巨大な爆発が発生します。これは、リトルボーイの爆発よりも700倍強力です。

核爆弾を作ることは一つのことです。武器を意図したターゲットに届けて、それを首尾よく爆発させることは完全に別のことです。これは、第二次世界大戦の終わりに科学者によって作ら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、1995年のScientific American号で、初期の兵器について次のように述べています。信頼できる兵器よりも、より即興に近い複雑な実験装置の部品です。」

それらの爆弾の最終目的地への配達は、それらの設計と建設とほぼ同じくらい即興で行われました。 USSインディアナポリスは1945年7月28日にリトルボーイ爆弾の部品と濃縮ウラン燃料を太平洋のテニアン島に輸送しました。3機の改造B-29によって運ばれたファットマン爆弾の部品が8月2日に到着しました。チーム60人の科学者のうちの60人が、集会を支援するために、NMのロスアラモスからテニアンに飛んだ。リトルボーイ爆弾（重さ9,700ポンド（4,400キログラム）、鼻から尾まで10フィート（3メートル））が最初に準備されました。 8月6日、乗組員はポール・ティベッツ大佐が操縦したB-29であるエノラゲイに爆弾を搭載しました。飛行機は日本に750マイル（1,200キロメートル）の旅をし、爆弾を広島上空に投下し、午前8時12分に爆発した。8月9日、約11,000ポンド（5、000キログラム）ファットマン爆弾は、チャールズ・スウィーニー少佐が操縦した2番目のB-29であるボックスカーに乗って同じ旅をしました。その致命的なペイロードは正午直前に長崎で爆発した。

今日、日本で使用されている方法、つまり航空機によって運ばれる重力爆弾は、核兵器を輸送するための実行可能な方法であり続けています。しかし、何年にもわたって、弾頭のサイズが小さくなるにつれて、他のオプションが利用できるようになりました。多くの国が、核兵器を装備した弾道ミサイルや巡航ミサイルを多数備蓄しています。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出て、目標まで何千マイルも移動し、再び大気圏に入って武器を配備します。巡航ミサイルは弾道ミサイルよりも射程が短く弾頭が小さいですが、検出と迎撃が困難です。それらは、空中、地上の移動式発射装置、および海軍艦艇から発射することができます。

戦術核兵器、またはTNWも、冷戦中に人気を博しました。小さなエリアをターゲットにするように設計されたTNWには、短距離ミサイル、砲弾、地雷、爆雷が含まれます。デイビークロケットライフルなどのポータブルTNWは、小さな1人または2人のチームが核攻撃を行うことを可能にします。

核兵器の爆発は途方もない破壊を解き放ちますが、廃墟には爆弾の材料がどこから来たのかという微視的な証拠が含まれています。人口の多い都市などの標的上で核爆弾が爆発すると、甚大な被害が発生します。被害の程度は爆心地またはグラウンドゼロと呼ばれる爆風の中心からの距離に依存します。震源に近づくほど、被害は大きくなります。損傷はいくつかの原因によって引き起こされます。

震源では、すべてが高温（華氏5億度または摂氏3億度まで）によって即座に気化されます。震源の外側では、ほとんどの死傷者は、熱による火傷、衝撃波によって崩壊した建物の飛散物による負傷、および高放射線への急激な曝露によって引き起こされます。直近の爆発地域を超えて、死傷者は熱、放射、および熱波から発生した火災によって引き起こされます。長期的には、卓越風のために放射性降下物がより広い地域で発生します。放射性降下物の粒子は給水に入り、爆風から離れた場所にいる人々によって吸入および摂取されます。

科学者たちは、広島と長崎への原爆投下の生存者を研究して、核爆発が人間の健康に及ぼす短期的および長期的な影響を理解しました。放射線と放射性降下物は、活発に分裂する体内の細胞（髪、腸、骨髄、生殖器）に影響を与えます。結果として生じる健康状態のいくつかは次のとおりです。

これらの状態は、白血病、癌、不妊症、先天性欠損症のリスクを高めることがよくあります。

科学者や医師は、日本に投下された爆弾の生存者をまだ研究しており、時間の経過とともにより多くの結果が現れることを期待しています。

1980年代に、科学者たちは核戦争（世界のさまざまな地域で爆発する多くの核爆弾）の考えられる影響を評価し、核の冬が発生する可能性があるという理論を提案しました。核の冬のシナリオでは、多くの爆弾の爆発により、塵と放射性物質の大きな雲が発生し、地球の大気圏に高く移動します。これらの雲は日光を遮ります。日光のレベルが下がると、惑星の表面温度が下がり、植物やバクテリアによる光合成が減ります。光合成の減少は食物連鎖を混乱させ、生命（人間を含む）の大量絶滅を引き起こします。このシナリオは、恐竜の絶滅を説明するために提案された小惑星の仮説に似ています。。核の冬のシナリオの支持者は、米国のセントヘレンズ山とフィリピンのピナツボ山の火山噴火の後に地球をはるかに横切って移動した塵と破片の雲を指摘しました。

核兵器は、当初の目標をはるかに超えて移動する信じられないほどの長期的な破壊力を持っています。これが、世界の政府が核爆弾製造技術と材料の普及を抑制し、冷戦中に配備された核兵器の兵器を削減しようとしている理由です。北朝鮮や他の国々が実施した核実験が国際社会からこれほど強い反響を呼んでいるのもそのためです。広島と長崎への原爆投下は何十年も前のことかもしれませんが、その運命的な8月の朝の恐ろしいイメージは相変わらず鮮明で明るく燃えています。

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