爆ばく縮ちぢみレンズ

爆ばく縮ちぢみレンズ（ばくしゅくレンズ）とは、原子げんし爆ばく弾だんに核分裂かくぶんれつ反応はんのうを発生はっせいさせるための技術ぎじゅつのひとつである。レンズという言葉ことばはあたかも太陽光たいようあきらを虫むしメガネで収斂しゅうれんさせるかのごとく、爆発ばくはつを用もちいて核かく物質ぶっしつをレンズのように収斂しゅうれんおよび圧縮あっしゅくさせることの比喩ひゆであり、光学こうがくにおけるレンズとの関係かんけいはない。^{[要よう出典しゅってん]}

概要がいよう

原子げんし爆ばく弾だんの構造こうぞうは、大おおきく分わけて、ガンバレル型がた（広島ひろしま市しに投下とうかされた原子げんし爆ばく弾だん「リトルボーイ」に代表だいひょうされる方式ほうしき）とインプロージョン方式ほうしき（長崎ながさき市しに投下とうかされた原子げんし爆ばく弾だん「ファットマン」に代表だいひょうされる方式ほうしき）の二に種類しゅるいに分類ぶんるいされるが、爆ばく縮ちぢみレンズはインプロージョン方式ほうしきの中心ちゅうしんとなる技術ぎじゅつである。

ガンバレル型がたは構造こうぞうが単純たんじゅんであるが、プルトニウムを使用しようできず、濃度のうど90%以上いじょうの高こう濃縮のうしゅくウランを用もちいるしかない上うえに、小型こがた化かが難むずかしく核分裂かくぶんれつの効率こうりつも低ひくいため、使用しようされた唯一ゆいいつの例れいは広島ひろしまの「リトルボーイ」においてのみであり、人類じんるい初はつの原子げんし爆ばく弾だんであるトリニティ実験じっけんの「ガジェット」と、長崎ながさきの「ファットマン」以降いこうの世界せかいの原子げんし爆ばく弾だんの多おおくが爆ばく縮ちぢみレンズを用もちいたインプロージョン方式ほうしきとなっている（核かく砲弾ほうだんにはガンバレル型がたの採用さいよう例れいがある）。

プルトニウム原爆げんばくの課題かだい

プルトニウムを用もちいる原子げんし爆ばく弾だんでは、確実かくじつに核分裂かくぶんれつ反応はんのうを起おこし、超ちょう臨界りんかい状態じょうたいにするために、周囲しゅういから強つよい力ちからをかけて中心ちゅうしん部ぶを圧縮あっしゅくする必要ひつようがある。このように、周囲しゅうい全体ぜんたいから圧縮あっしゅくをかけることを、インプロージョン（爆ばく縮ちぢみ）という。

爆ばく縮ちぢみには、火薬かやくが燃焼ねんしょうした時ときに発生はっせいする衝撃波しょうげきはを用もちいる方法ほうほうが考案こうあんされたが、中心ちゅうしんに球形きゅうけいのプルトニウムを置おき、その周囲しゅういを火薬かやくでぐるりと包つつみ込こんで、電気でんき仕掛しかけで複数ふくすうの位置いちから点火てんかしただけでは、それぞれの点火てんか位置いちから最もっとも近ちかいプルトニウムだけに力ちから（圧縮あっしゅく力りょく）が先さきに到達とうたつしてしまい、核分裂かくぶんれつ反応はんのうが発生はっせいしない。また、圧縮あっしゅく力りょくの到達とうたつにむらが生しょうじると、プルトニウムもろとも木こっ端微塵ぱみじんに飛とび散ちってしまうため、プルトニウムの周囲しゅうい全体ぜんたいに均等きんとうな力ちからを同時どうじにかけ、圧縮あっしゅく力りょくが逃にげないようにすることが必要ひつようとされた。

爆ばく縮ちぢみレンズの原理げんり

マンハッタン計画けいかくの科学かがく者しゃらは、爆破ばくは加工かこうに用もちいられていた爆薬ばくやくレンズを応用おうようし、燃焼ねんしょう速度そくどの速はやい火薬かやくと遅おそい火薬かやくを組くみ合あわせる方法ほうほうを考かんがえた。

球形きゅうけいのプルトニウムの周囲しゅういを火薬かやくで包つつむという構造こうぞうは同おなじだが、前述ぜんじゅつのように点火てんか位置いちに近ちかいプルトニウムだけ先さきに衝撃しょうげきが伝つたわる事ことを防ふせぐために、遅おそい火薬かやくをコブ状じょうに追加ついかした。これにより、点火てんか位置いちの近ちかくで先さきに伝つたわってしまう圧縮あっしゅく力りょくが、速度そくどの遅おそい火薬かやくのコブで減速げんそくされ、少すこし遅おくれてプルトニウムに到達とうたつするようになる。逆ぎゃくに、点火てんかから離はなれた位置いちでは速はやい火薬かやくが多おおくなっているため、圧縮あっしゅく力りょくが高速こうそくで伝つたわるようになり、球形きゅうけいのプルトニウムの全すべての位置いちで、圧縮あっしゅく力りょくと伝つたわるタイミングが一致いっちするようになった。

この圧縮あっしゅく力りょくの伝つたわり方かたがレンズの中なかの光ひかりに似にているため、爆ばく縮ちぢみレンズと呼よばれた。

開発かいはつとその後ご

開発かいはつに至いたるまでは火薬かやくの燃焼ねんしょう速度そくど等とう、様々さまざまな条件じょうけんが一致いっちすることが求もとめられ、当時とうじの火薬かやく学がくで用もちいられていたCJ理論りろんでは取とり扱あつかえないほど精密せいみつな計算けいさんを要求ようきゅうされたため、新あらたにジョン・フォン・ノイマンらによってZND理論りろんが開発かいはつされた。

ZNDモデルでは先行せんこうする衝撃波しょうげきはは不連続ふれんぞく面めんとして扱あつかわれるが、双そう曲きょく型がた偏へん微分びぶん方程式ほうていしきを差分さぶん近似きんじで数値すうち的てきに解とこうとすると衝撃波しょうげきはの不連続ふれんぞく面めんは特異とくい点てんになってそこで解かいが発散はっさんしてしまい計算けいさんすることが出来できなくなってしまう。そこでジョン・フォン・ノイマンは人工じんこう粘性ねんせいの概念がいねんを取とり入いれることで上うえ放ひ物もの型がた偏へん微分びぶん方程式ほうていしきの差分さぶん近似きんじに置おき換かえて計算けいさんすることに成功せいこうした。その結果けっか、曲まがりなりにも衝撃波しょうげきはの数値すうち計算けいさんができるようになった。しかし、ZND理論りろんは大変たいへんに複雑ふくざつで膨大ぼうだいな計算けいさんを要ようしたため1940年代ねんだい当時とうじのロスアラモス研究所けんきゅうじょに集あつめられたジョン・フォン・ノイマンらの数学すうがく者しゃ達たちの手てによっても、優ゆうに10か月げつ以上いじょうの時間じかんを要ようした。当時とうじは、コンピュータが無なかったためである。

計算けいさんの結果けっか、点火てんか装置そうちの数かずと、それに応おうじるように配置はいちされた火薬かやくのコブは、原子げんし爆ばく弾だん一ひとつにつき32個こが最適さいてきであると結論けつろんされた。しかし、当時とうじの起爆きばく装置そうちでは32個この雷管らいかんを同時どうじ起爆きばくする際さいに生しょうじる誤差ごさをナノ秒びょう単位たんいに収おさめることが出来できなかった。そのため、新あたらしく起爆きばく電でん橋きょう線型せんけい雷管らいかんが開発かいはつされた。

そして、爆薬ばくやくの配置はいちの詳細しょうさいな設計せっけいに当あたっては、ロバート・サーバーにより提案ていあんされた、半減はんげん期き約やく41時じ間あいだの放射ほうしゃ性せい同位どうい体たいランタン140^[1]を模擬もぎの核かく物質ぶっしつと共ともに爆ばく縮ちぢみさせるRaLa実験じっけん（英語えいご版ばん）が行おこなわれた。この実験じっけんの目的もくてきは、ランタン140から放出ほうしゅつされるガンマ線がんませんの検出けんしゅつのタイミングを電離でんり箱ばこで測定そくていすると共ともに、X線せんで高速こうそく撮影さつえいを行おこなうことで衝撃波しょうげきはの挙動きょどうを調しらべることであった。ブルーノ・ロッシらによって開発かいはつ・実施じっしされたこの実験じっけんは、爆ばく縮ちぢみレンズの完成かんせいに大おおきく貢献こうけんした。

原子げんし爆ばく弾だんが32面体めんてい（切きり頂いただき二に十じゅう面体めんていに似にているが、各面かくめん中心ちゅうしんと隣接りんせつ面めん中心ちゅうしんとの距離きょりが等ひとしい位置いちを辺あたりとすると六角形ろっかっけいは正六角形せいろっかっけいではなくなる）の構造こうぞうを取とることは当然とうぜん機密きみつであったが、マンハッタン計画けいかくに参加さんかしたセオドア・ホールら科学かがく者しゃの一部いちぶは、将来しょうらいアメリカが核かくを独占どくせんする世界せかいになることを恐おそれて、これらの情報じょうほうをソビエト連邦れんぽうに流ながした。ソビエト連邦れんぽうはこれを基もとに第だい二に次じ世界せかい大戦たいせん後ごすぐに原子げんし爆ばく弾だんの開発かいはつを始はじめ、スパイや共産きょうさん主義しゅぎ思想しそうを持もつアメリカ科学かがく者しゃなどからの継続けいぞく的てきな技術ぎじゅつ情報じょうほうの提供ていきょうを受うけながら4年ねん後ごの1949年ねん 8月がつ29日にちに核かく実験じっけん（RDS-1）を行おこなった（ヴェノナ・プロジェクトも参照さんしょう）。

その後ごも爆ばく縮ちぢみレンズの構造こうぞうは機密きみつ扱あつかいであり、トリニティ実験じっけんの映像えいぞうなども一部いちぶがカットされた状態じょうたいで公開こうかいされていた。特とくに点火てんか装置そうちの位置いちや数かずは当時とうじの最高さいこう機密きみつに属ぞくするものであった。

最初さいしょの爆ばく縮ちぢみ式しき原爆げんばくであるファットマンでは爆ばく縮ちぢみレンズの爆薬ばくやくだけで2,500キログラムにもなり重量じゅうりょうの半分はんぶん以上いじょうを占しめ、直径ちょっけいは137.8センチメートルと大おおきく原爆げんばくが大型おおがた化かする最大さいだいの原因げんいんになっていた。このため、後年こうねんでは爆ばく縮ちぢみレンズの小型こがた化かが重要じゅうような課題かだいとなり、様々さまざまな方法ほうほうによって最終さいしゅう的てきには直径ちょっけい30センチメートルに収おさまるほどにまで小型こがた化かされている。

爆ばく縮ちぢみレンズは極きわめて高度こうどな技術ぎじゅつである。単純たんじゅんな爆発ばくはつの同期どうき、圧力あつりょくの均一きんいつ化かだけが問題もんだいなのではなく、他ほかにも様々さまざまなノウハウが必要ひつようであるため、他国たこくの設計せっけいや装置そうちの単純たんじゅんな流用りゅうようも困難こんなんである。しかし、実際じっさいにはインドに続つづいて2006年ねんに非ひ先進せんしん国こくの北朝鮮きたちょうせんがプルトニウム型がたの原爆げんばく実験じっけんを行おこない爆ばく縮ちぢみレンズについて一定いっていの成果せいかを得えたとされる。

参考さんこう書籍しょせき

山田やまだ克哉かつや『原子げんし爆ばく弾だん : その理論りろんと歴史れきし』講談社こうだんしゃ〈ブルーバックス〉、1996年ねん7月がつ。ISBN 4-06-257128-5。978-4-06-257128-9。
山田やまだ克哉かつや『核兵器かくへいきのしくみ』講談社こうだんしゃ〈講談社こうだんしゃ現代新書げんだいしんしょ〉、2004年ねん1月がつ。ISBN 4-06-149700-6。978-4-06-149700-9。

脚注きゃくちゅう

^ 原子げんし炉ろで合成ごうせいできるバリウム140から生成せいせいするものの、半減はんげん期きが短みじかい分ぶん比ひ放射能ほうしゃのうが非常ひじょうに大おおきいため取とり扱あつかいには慎重しんちょうを要ようした

外部がいぶリンク

日本にっぽん原水協げんすいきょう核兵器かくへいきをなくす『反核はんかくゼミ』第だい10回かい爆ばく縮ちぢみ式しきとなったプルトニウム原爆げんばく ―自発じはつ的てき核分裂かくぶんれつの苦悩くのう―
白神しらかみ宏之ひろゆき「爆ばく縮ちぢみ研究けんきゅうの進展しんてん (PDF, 469 KiB) 」（プラズマ核かく融合ゆうごう学会がっかい誌し81巻かん増刊ぞうかん号ごう、2005年ねん、19-28頁ぺーじ）

[1] 原子げんし炉ろで合成ごうせいできるバリウム140から生成せいせいするものの、半減はんげん期きが短みじかい分ぶん比ひ放射能ほうしゃのうが非常ひじょうに大おおきいため取とり扱あつかいには慎重しんちょうを要ようした

[1]