熱核兵器

標準的な熱核設計である 米国のW88弾頭の図。
  1. 「プライマリ」：セカンダリーを作動させる核分裂兵器
  2. 「二次」：放射線によって爆縮された核分裂燃料と核融合燃料
  3. 放射線ケース: X 線放射を一次から二次に導きます。
  4. チャネルフィラー：放射線の爆縮を改善するプラスチックフォーム
  5. ブースターガスボンベ：トリチウムガスが劣化するため定期的に交換。
  1. 高性能爆薬レンズ
  2. プルトニウム239中空ピット
  3. 重水素と三重水素のブーストガス
  4. 重水素化リチウム熱核燃料
  5. 高濃縮ウラン点火プラグ
  6. 高濃縮ウランタンパー
  7. 天然ウランケース
キャッスル・ブラボー熱核実験、ビキニ環礁、1954年、米国史上最大の核実験。

熱核兵器、核融合兵器、あるいは水素爆弾（H爆弾）は、核融合を利用した第二世代の核兵器である。これまでに作られた中で最も破壊力のある兵器であり、その威力は通常第一世代の核兵器の20倍を超え、必要な質量と体積ははるかに少ない。核融合反応の特性により、非核分裂性の劣化ウランを兵器の主燃料として使用することが可能となり、希少な核分裂性物質をより効率的に使用できる。その多段階設計は、より単純なブースト核分裂兵器における核融合の使用とは異なる。最初の本格的な[ a ]熱核実験（アイビー・マイク）は1952年に米国によって実施され、このコンセプトはそれ以来、少なくともNPT承認の核兵器国5カ国、すなわち米国、ロシア、英国、中国、フランスによって採用されてきた。[ 1 ]

全ての熱核兵器の設計はテラー・ウラム構成であると考えられている。これは放射線爆縮を利用しており、核分裂爆弾である一次段階の爆発から発生するX線が、主にリチウム6重水素化物を含む別の核融合二次段階を圧縮するために導かれる。爆発中、中性子はリチウム6をヘリウム4とトリチウムに変換する。その後、水素、重水素、トリチウムの重い同位体が反応し、エネルギーと中性子を放出する。このため、熱核兵器はしばしば口語的に水素爆弾またはH爆弾と呼ばれる。[ b ]

さらに、ほとんどの兵器は天然ウランまたは劣化ウラン製のタンパーとケースを使用しています。これは高速核融合中性子によって高速核分裂を起こし、総収量と放射性核分裂生成物の降下物に大きく寄与します。[ 2 ] [ 3 ]

熱核兵器は1941年から実現可能と考えられており、マンハッタン計画の過程で基礎研究が行われました。[ 4 ]ソ連による最初の核実験は、当初マンハッタン計画に参加した多くの科学者の反対にもかかわらず、米国における熱核兵器開発の全面的な推進のきっかけとなりました。テラー・ウラム構成は、その主要な貢献者であるエドワード・テラーとスタニスワフ・ウラムにちなんで名付けられ、 1951年にジョン・フォン・ノイマンの貢献もあって概説されました。グリーンハウス作戦は、本格的なマイク実験 に先立ち、熱核反応を調査しました。

多段式装置はその後、ソ連（1955年）、英国（1957年）、中国（1966年）、フランス（1968年）によって、主に独立して開発およびテストされました。[ c ] [ 6 ]インド、[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [10 ] [ 11 ]イスラエル、[ 12 ] [ 6 ]北朝鮮[ 13] [ 6 ]が多段式兵器を保有しているかどうかを判断するのに十分な公開情報がありません。パキスタンはそれらを開発したとは考えられていません。[ 10 ] [ 14 ] 1991年のソ連崩壊後、ウクライナ、ベラルーシ、カザフスタンは、熱核兵器を手放した最初で唯一の国となりましたが、これらの兵器はロシア軍の運用管理下から決して離れることはありませんでした。 1996 年の包括的核実験禁止条約に従って、熱核兵器を保有するほとんどの国は、コンピューター シミュレーション、流体力学的テスト、弾頭監視、慣性閉じ込め核融合実験を使用して、備蓄と専門知識を維持しています。

熱核兵器は、 TNT 換算で1メガトンを超える爆発を起こす唯一の人工的な爆弾である。ツァーリ・ボンバは、TNT換算で50メガトン（210 PJ）を爆発させた史上最強の爆弾だった。[ 15 ] TNT換算で50キロトン（210 TJ）を超える威力を持つ爆弾としては最も効率的な設計であり、戦術核兵器の重要性が低下したことから、現在5大核兵器国が配備する核兵器のほとんどが熱核兵器である。[ 16 ]熱核兵器の開発は冷戦時代の核軍拡競争を支配した。その破壊力とMIRV弾頭などに見られるような高威力の小型化能力が、核抑止力と相互確証破壊を特徴づけている。熱核兵器設計の拡張には、放射性降下物がほとんどないクリーンな爆弾や、放射線の透過力が強化された中性子爆弾などがある。それにもかかわらず、現在米国と英国で開発されている核弾頭を含むほとんどの熱核兵器は、そのエネルギーの大部分を高速核分裂から得ており、高い放射性降下物を引き起こしている。[ 17 ]

用語

「熱核融合」「核融合」「水素」といった形容詞は、主に多段式核兵器を指す際に用いられ、これにより大きな核融合出力が得られる。これらの核兵器は放射線爆縮原理に基づいており、少なくとも5カ国が独自に開発した テラー・ウラム設計と同義である。

「熱核融合」とは、高温下での原子核同士の高速衝突によって核融合が起こる現象を指します。中性子輸送を介して爆発する核分裂兵器とは異なり、熱核融合の威力は二次核の圧縮時に到達する温度と圧力により直接的に依存します。

これらは、熱核融合を利用し、理論的には約1メガトンに制限された単段設計で爆発するブースト核分裂装置とは対照的である。 [ 18 ]

熱核兵器という名称にもかかわらず、最も単純で一般的な熱核兵器は、その威力の大部分（米国の兵器では80%以上）を天然ウランまたは劣化ウランタンパーの高速核分裂によって得ています。クリーンな熱核兵器（核分裂率10%未満）も実験されており、実際に配備されている可能性があります。[ 17 ]

1958年のエドワード・テラー

基本原則

一次段階と二次段階

テラー・ウラム構成の基本原理は、熱核兵器の異なる部品を段階的に連結し、各段階の爆発が次の段階の点火エネルギーを供給するという考え方です。少なくとも、これは爆縮型核分裂爆弾（「トリガー」）からなる一次部と、核融合燃料からなる二次部を意味します。一次部から放出されたエネルギーは、放射爆縮の過程を経て二次部を圧縮し、その時点で二次部は加熱されて核融合反応を起こします。このプロセスは継続され、二次部のエネルギーが第3段階の核融合反応を点火します。ソ連のAN602「ツァーリ・ボンバ」は、3段階の核分裂-核融合-核融合装置であったと考えられています。理論的には、このプロセスを継続することで、任意の高い出力を持つ熱核兵器を製造できる可能性があります。核分裂兵器の威力には限界がある。なぜなら、偶発的に超臨界状態になる危険性が大きくなりすぎないように、一箇所に集められる核分裂燃料の量には限りがあるからである。

テラー・ウラム配置の1つの可能なバージョン

他の構成部品を取り囲むのは、第一段階または一次段階のエネルギーを一時的に内部に閉じ込める容器である空洞（ホーラウム）である。この空洞は、通常は爆弾の外側を覆うケースでもあるが、この空洞の外側は、熱核爆弾の構成部品の構成を直接的に視覚的に確認できる唯一の公開証拠である。様々な熱核爆弾の外観写真が数多く機密解除されている。[ 19 ]

主爆弾は標準的な爆縮方式の核分裂爆弾ですが、効率を高めるために少量の核 融合燃料（通常は重水素と三重水素の比率が1:1のガス）で核をブーストする方式が採用される可能性があります。核融合燃料は加熱・圧縮されると過剰な中性子を放出し、さらなる核分裂を引き起こします。点火すると、239Puまたは235Uコアは、その周囲に爆発レンズパターンで配置された通常高性能爆薬の特殊な層によって小さな球体に圧縮され従来の「原子爆弾」の動力源となる 核連鎖反応を開始します。

二次炉は通常、核融合燃料とその他の構成部品が何層にも巻かれた柱として示されます。柱の周囲には、まず「プッシャー・タンパー」と呼ばれるウラン238（238核融合燃料（ウランの場合は、最終的には核分裂を起こす可能性があります）を圧縮するのに役立つウラン（ U）または鉛。この中に核融合燃料があり、通常は重水素化リチウムの一種で、液化三重水素/重水素ガスよりも兵器化しやすいため使用されます。この乾燥した燃料は、中性子の照射を受けると、重水素と反応して核融合反応を起こすことができる水素の重い同位体である三重水素を生成します。燃料層の内側には、「点火プラグ」と呼ばれる、核分裂性物質（239Puまたは235U）は、しばしば重水素ガスによってブーストされます。点火プラグは圧縮されると核分裂を起こします（形状上、圧縮なしでは臨界質量に達しません）。三次点火プラグが存在する場合、二次点火プラグの下に設置され、おそらく同じ材料で作られるでしょう。 [ 20 ] [ 21 ]

インターステージ

二次燃焼室と一次燃焼室を隔てているのは中間燃焼室です。核分裂する一次燃焼室は、4種類のエネルギーを生成します。1) 一次燃焼室を爆縮させる高性能爆薬からの膨張する高温ガス、2)元々爆弾の核分裂性物質とそのタンパーであった過熱プラズマ、3)電磁放射線、そして4) 一次燃焼室の核爆発による中性子です。中間燃焼室は、一次燃焼室から二次燃焼室へのエネルギー伝達を正確に調整する役割を担っています。高温ガス、プラズマ、電磁放射線、そして中性子を、適切な場所に適切なタイミングで導く必要があります。中間燃焼室の設計が最適とは言えない場合、二次燃焼室が複数回の発射で完全に機能しなくなる「核分裂性フィズル」と呼ばれる現象が発生します。キャッスル作戦におけるキャッスル・クーン核爆発はその好例です。小さな欠陥によって一次燃焼室からの中性子束が二次燃焼室を時期尚早に加熱し始め、核融合を阻止するのに十分なほど圧縮が弱まりました。

1951年3月9日にテラーとウラムが発表した機密文書「ヘテロ触媒爆轟について I：流体レンズと放射ミラー」。この論文で彼らは、革新的な段階的爆縮のアイデアを提案した。この機密解除版は大幅に編集されている。

中間段のメカニズムに関する詳細な情報は、公開文献にほとんど記載されていない。最も有力な情報源の一つは、アメリカのW80弾頭に類似したイギリスの熱核兵器の簡略化された図だ。これはグリーンピースが「デュアルユース核技術」と題した報告書の中で公開したものだ[ 22 ] 。図には主要部品とその配置が示されているが、詳細はほとんど示されていない。散在する詳細は意図的な省略や不正確さが見られる。それらは「エンドキャップと中性子集束レンズ」と「反射器ラップ」と表記されており、前者は中性子を反射器に導く。235あなた/239PuスパークプラグはX線反射器を指し、通常はウランなどのX線不透過性材料で作られた円筒形で、両端に一次側と二次側があります。鏡のように反射するのではなく、一次側からのX線束によって高温になり、より均一に拡散したX線を放出します。このX線は二次側へと伝わり、いわゆる放射爆縮を引き起こします。アイビー・マイクでは、黒体効果を高めるためにウランの上に金がコーティングされていました。 [ 23 ]

次に「反射鏡／中性子銃キャリッジ」があります。反射鏡は、中性子集束レンズ（中央）と一次炉付近の外側ケーシングとの間の隙間を塞ぎます。一次炉と二次炉を分離し、前述の反射鏡と同じ機能を果たします。約6個の中性子銃（ここではサンディア国立研究所のもの[ 24 ]）があり、それぞれが反射鏡の外縁から各セクションに一端ずつ突き出ています。これらはすべてキャリッジに固定され、ケーシングの円周上にほぼ均等に配置されています。中性子銃は傾斜しており、各銃端の中性子放出端は爆弾の中心軸に向けられています。各中性子銃からの中性子は中性子集束レンズを通過し、一次炉の中心に向かって集束され、プルトニウムの初期核分裂を促進します。「ポリスチレン製偏光子／プラズマ源」も示されています（下図参照）。

中間段について言及した最初の米国政府文書は、2004年に開始された信頼性代替弾頭（RRW）プログラムを促進するためのもので、最近になって公開された。図表には、RRWの部品レベルでの潜在的な利点を説明する説明文が含まれており、中間段の説明文では、新しい設計によって「有毒で脆い材料」と「特別な設備を必要とする高価な『特殊』材料」が置き換えられると述べられている。[ 25 ]「有毒で脆い材料」はベリリウムであると広く考えられており、この説明に合致し、プライマリーからの中性子束を減速させることもできる。また、特定の方法でX線を吸収し再放射する材料も使用される可能性がある。[ 26 ]

「特殊物質」の候補としては、ポリスチレンと「フォグバンク」（非機密コードネーム）と呼ばれる物質が挙げられます。フォグバンクの組成は機密指定されていますが、エアロゲルが候補として挙げられています。フォグバンクはW76熱核弾頭を搭載した熱核兵器に初めて使用され、テネシー州オークリッジのY-12コンプレックス内の工場でW76用に製造されました。W76の生産終了に伴い、フォグバンクの生産は停止されました。W76寿命延長プログラムでは、フォグバンクの生産量を増やす必要がありました。元のフォグバンクの特性が十分に文書化されていなかったため、この状況は複雑化し、プロセスを再構築するための多大な努力が払われました。古いフォグバンクの特性にとって重要な不純物が、新しいプロセスでは排除されていました。新旧のバッチを綿密に分析した結果、初めてその不純物の性質が明らかになりました。製造工程ではアセトニトリルを溶剤として使用していたため、2006年にはフォグバンク工場で少なくとも3回の避難が発生しました。石油・製薬業界で広く使用されているアセトニトリルは可燃性で有毒です。Y-12はフォグバンクの唯一の生産者です。[ 27 ]

まとめ

上記の説明を簡単にまとめると次のようになります。

  1. 「一次」と呼ばれる（比較的）小さな核分裂爆弾が爆発します。
  2. 一次側で放出されたエネルギーは「二次」（または核融合）段階へと伝達されます。このエネルギーは核融合燃料と点火プラグを圧縮します。圧縮された点火プラグは超臨界状態となり、核分裂連鎖反応を起こします。これにより、圧縮された核融合燃料は核融合を誘発するのに十分な温度までさらに加熱されます。
  3. 核融合反応によって放出されるエネルギーは燃料を加熱し続け、反応を継続させます。
  4. 第二段の核融合燃料は、内部の反応で発生した中性子に衝突することで核分裂を起こす追加の燃料層で囲まれる場合があります。これらの核分裂イベントは、典型的な設計において放出される総エネルギーの約半分を占めます。

二次圧縮

一次核から二次核へエネルギーがどのように「輸送」されるのかについては、公開されている報道機関において議論の的となっているものの、核分裂する一次核から放出されるX線とガンマ線を介して伝達されると考えられています。このエネルギーは二次核を圧縮するために利用されます。X線がどのように圧力を生み出すのかという重要な詳細は、非機密扱いの報道機関において依然として論争の的となっています。提唱されている説は3つあります。

放射圧

密閉容器内の大量のX線光子によって生じる放射線圧は、二次粒子を圧縮するのに十分な可能性があります。X線や光などの電磁放射線は運動量を持ち、衝突したあらゆる表面に力を及ぼします。日常生活で見られる太陽光のような強度の放射線圧は通常は感知できませんが、熱核爆弾のような極度の強度では、その圧力は莫大なものとなります。

一般的な大きさと主な特性がよくわかっている2つの熱核爆弾、アイビー・マイク試験爆弾とW-61設計の現代のW-80巡航ミサイル弾頭派生型については、放射圧はアイビー・マイク設計では73×106バール（7.3TPa）、W - 80では1,400  × 106バール（140TPa）と計算され た。[ 28 ]^ ^ 

泡プラズマ圧力

泡プラズマ圧力は、チャック・ハンセンがプログレッシブ事件の過程で独自に導入し発表した概念であり、熱核兵器の放射線ケース内のライナー部品として特殊な泡を記載した機密解除文書を発見した研究に基づいている。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

武器（フォーム付き）の発射手順は次のようになります。

  1. 高性能爆薬が一次核の中心を取り囲んで点火し、核分裂性物質を超臨界状態に圧縮し、核分裂連鎖反応を開始します。[ 32 ]
  2. 核分裂一次原子炉は熱X線を放出し、それがケースの内側に沿って「反射」し、発泡スチロールを照射する。[ 32 ]
  3. 照射された泡は高温のプラズマとなり、二次側のタンパーを押してしっかりと圧縮し、点火プラグ内で核分裂連鎖反応を開始します。[ 32 ]
  4. 両側（一次側と点火プラグ）から押された重水素化リチウム燃料は、高圧縮され、熱核反応温度まで加熱されます。また、中性子の照射により、リチウム6（6 Li）原子は1つのトリチウム原子と1つのアルファ粒子に分裂します。その後、トリチウムと重水素の核融合反応が始まり、さらに多くの中性子と莫大なエネルギーが放出されます。
  5. 核融合反応を起こしている燃料は、高エネルギー 中性子（ 14MeV  [2.2  pJ ]）を大量に放出し、それが238Uタンパー（または238核分裂反応によって全エネルギーの約半分が供給されます。

これにより、核分裂-核融合-核分裂の一連の反応が完了する。核融合は核分裂とは異なり、比較的クリーンである。エネルギーは放出されるものの、有害な放射性物質や大量の核降下物は発生しない。しかし、核分裂反応、特に最後の核分裂反応では、膨大な量の核分裂生成物と核降下物が放出される。例えば、最後の核分裂段階を省略し、ウラン製のタンパーを鉛製のものに交換すれば、爆発力は約半分に減少するが、降下物の量は比較的少なくなる。中性子爆弾は、高速核融合中性子を可能な限り多く放出できるように、意図的に薄いタンパーを備えた水素爆弾である。

泡プラズマ機構の発射シーケンス。
  1. 発射前の弾頭。上部に一次弾頭（核分裂爆弾）、下部に二次弾頭（核融合燃料）があり、いずれも発泡スチロールの中に吊り下げられている。
  2. 一次炉で高性能爆薬が点火し、プルトニウムの核を超臨界状態に圧縮して核分裂反応を開始します。
  3. 核分裂一次反応により放出されるX線はケース内部に沿って散乱し、発泡スチロールに照射されます。
  4. 発泡スチロールはプラズマ化し、二次的に圧縮され、プルトニウム点火プラグは核分裂を始めます。
  5. 圧縮・加熱されたリチウム6重水素燃料は、三重水素（3H）と核融合反応が始まります。生成された中性子束によって238Uタンパーで核分裂。火の玉が形成され始めます。

「泡状プラズマ圧力」という概念に対する現在の技術的な批判は、同様の高エネルギー物理学分野における非機密分析に焦点を当てており、そのようなプラズマによって生成される圧力は、放射容器内の基本光子圧力のわずかな乗数に過ぎないこと、また、既知の泡状材料は本質的に一次放射体からのガンマ線およびX線放射の吸収効率が非常に低いことを示唆しています。生成されるエネルギーの大部分は、放射容器の壁面または二次放射体周囲のタンパーによって吸収されます。吸収されたエネルギーの影響を分析することで、3番目のメカニズムであるアブレーションが導き出されました。

タンパープッシャーアブレーション

二次燃焼室の外側のケーシングは「タンパー・プッシャー」と呼ばれます。爆縮爆弾におけるタンパーの目的は、反応燃料（非常に高温の高密度プラズマ）の膨張を遅らせ、燃料が完全に消費されて爆発が完了するまで遅らせることです。タンパーと同じ材料がプッシャーとしても機能し、外圧（二次燃焼室の表面積に作用する力）を核融合燃料塊に伝達する媒体となります。

提案されているタンパープッシャーのアブレーション機構は、熱核二次核のタンパープッシャーの外層が一次核のX線束によって極度に加熱され、激しく膨張してアブレーション（飛散）する（飛び散る）というものです。運動量全体が保存されるため、この高速の噴出物の塊はタンパープッシャーの残りの部分を非常に大きな力で内側に押し戻し、核融合燃料と点火プラグを押しつぶします。タンパープッシャーは、核融合燃料を外部の極度の熱から遮断できるほど頑丈に作られています。そうでなければ、圧縮が損なわれてしまうからです。

アブレーション機構の発射シーケンス。
  1. 発射前の弾頭。上部の球状の構造が核分裂一次装置、下部の円筒状の構造が核融合二次装置である。
  2. 核分裂一次炉の爆薬が爆発し、一次炉の核分裂ピットが崩壊しました。
  3. 一次原子炉の核分裂反応は完了し、現在、一次原子炉の温度は数百万度に達し、ガンマ線と硬X線を放射して、空洞内部とシールドおよび二次原子炉のタンパーを加熱しています。
  4. 一次側の反応は終了し、膨張しています。二次側のプッシャーの表面は非常に高温になり、アブレーションまたは膨張を起こして二次側の残りの部分（タンパー、核融合燃料、核分裂性点火プラグ）を内側に押し出しています。点火プラグは核分裂を開始します。図示されていませんが、放射ケースもアブレーションを起こし、外側に膨張しています（図を分かりやすくするために省略しています）。
  5. 二次燃料の核融合反応が始まり、まもなく燃え尽きます。火の玉が形成され始めます。

基本的なアブレーション効果の大まかな計算は比較的単純です。プライマリーからのエネルギーは、外側の放射ケース内のすべての表面に均等に分配され、各構成要素は熱平衡状態に達します。そして、その熱エネルギーの影響を分析します。エネルギーの大部分は、タンパー／プッシャー外表面の約X線光学的厚さの範囲内に蓄積されるため、その層の温度を計算できます。その後、表面が外側に膨張する速度を計算し、基本的なニュートン力学の運動量バランスから、タンパーの残りの部分が内側に収縮する速度を計算します。

これらの計算をより詳細にアイビーマイク装置に適用すると、蒸発したプッシャーガスの膨張速度は290キロメートル/秒（29 cm/μs）となり、爆縮速度はおそらく400キロメートル/秒（40 cm/μs）となる。+タンパー／プッシャーの全質量の3 ⁄ 4がアブレーションされ、これは最もエネルギー効率の高い割合です。W -80の場合、ガスの膨張速度は約410 km/s（41 cm/μs）、爆縮速度は570 km/s（57 cm/μs）です。アブレーション物質による圧力は、Ivy Mike装置では53 億バール（530 兆パスカル）、W-80装置では640億バール（6.4京パスカル）と計算されています。 [ 28 ]

爆縮メカニズムの比較

提案された 3 つのメカニズムを比較すると、次のことがわかります。

機構圧力（TPa）
アイビー・マイクW80
放射圧7.3140
プラズマ圧力35750
アブレーション圧力5306400

計算されたアブレーション圧力は、提案されているより高いプラズマ圧力よりも1桁高く、計算された放射圧力よりも約2桁高くなります。放射ケース壁と二次タンパーへのエネルギー吸収を回避するメカニズムは提案されていないため、アブレーションは明らかに避けられないものと考えられます。

米国国防総省の公式機密解除報告書によると、放射線ケースのライナーには発泡プラスチックが使用されているか、使用されている可能性があり、直接的なプラズマ圧力が低いにもかかわらず、エネルギーが均等に分散され、十分な量が二次側のタンパー/プッシャーに到達するまでアブレーションを遅らせるのに役立つ可能性がある。[ 33 ]

リチャード・ローズの著書『ダーク・サン』には、厚さ25ミリ（1インチ）のプラスチックフォーム層が、銅釘を使ってアイビー・マイクの鋼鉄ケース内部の鉛ライナーに固定されていたと記されている。ローズは、この爆弾の設計者数名の説明を引用し、外側のケース内部のプラスチックフォーム層は、外側のケースのアブレーションと反動を遅らせるためのものだと述べている。もしフォーム層がなければ、外側のケース内部の金属が大きな衝撃でアブレーションし、ケースが急速に外側に反動するだろう。ケースの目的は、爆発をできるだけ長く封じ込め、二次段の金属表面のX線アブレーションをできるだけ多く行うことで、二次段を効率的に圧縮し、核融合収量を最大化することである。プラスチックフォームは密度が低いため、アブレーション時の衝撃は金属よりも小さい。[ 33 ]

デザインのバリエーション

武器の設計にはいくつかのバリエーションが提案されている。

  • タンパーまたはケースは、235最終核分裂ジャケットのU （高濃縮ウラン）。はるかに高価な235Uは高速中性子と核分裂することもある。238劣化ウランや天然ウランに含まれるウランと同程度の核分裂効率だが、その核分裂効率はより高い。これは235ウラン原子核も低速中性子によって核分裂を起こす（238ウラン核は最低でも約1メガ電子ボルト（0.16 pJ）のエネルギーを必要とし、これらの低速中性子は他の核分裂反応によって生成されるため、235ジャケット内のU核（言い換えれば、235Uは核連鎖反応を支持するが、238Uはそうではありません。さらに、235Uジャケットは中性子の増殖を促進しますが、238ウラン原子核は高速核分裂過程で核融合中性子を消費する。235Uは、劣化ウランまたは天然ウランジャケットよりもテラー・ウラム爆弾の威力を高めることになる。これは、現在配備されているLGM-30ミニットマンIII大陸間弾道ミサイルに後付けされているW87弾頭を対象に特に提案されている。
  • いくつかの説明では、一次炉から過剰な中性子を受け取らないように二次炉を保護するための追加の内部構造が存在する。
  • 筐体内部は、X線を「反射」するために特別な機械加工が施されている場合と施されていない場合があります。X線の「反射」は、鏡に光が反射するようなものではなく、反射材がX線によって加熱され、そこからX線が放出され、それが二次電子へと伝わる現象です。

ほとんどの爆弾には、明らかに三次「段階」、つまり前の核融合段階によって圧縮された追加の核融合段階である第三圧縮段階は存在しない。大型爆弾の威力の約半分を占める最後のウランブランケットの核分裂は、この用語では「段階」とはみなされない。

米国はレッドウィング作戦中に三段式爆弾の爆発を数回テストしたが、そのような三次モデル、すなわち核分裂段階の後に核融合段階があり、最後にさらに別の核融合段階を圧縮する爆弾は1つだけ配備されたと考えられている。この米国の設計は、重量は重いが非常に効率の高い（爆弾の重量あたりの核兵器出力）25 Mt（100 PJ）のB41核爆弾であった。[ 34 ]ソ連は、50 Mt（210 PJ）のツァーリ・ボンバ（本来の使用目的は100 Mt（420 PJ）だった）で複数段（複数の三次核融合段階を含む）を使用したと考えられている。ツァーリ・ボンバで行われたように、核分裂ジャケットは鉛に置き換えることができた。テラー＝ウラム設計に基づくもの以外の構成で水素爆弾が作られたことがあるとしても、その事実は公に知られていない。例外となる可能性があるのは、ソ連の初期のスロイカ設計です。

本質的に、テラー・ウラム構成は、少なくとも2回の爆縮の発生に依存している。第1に、プライマリー内の通常の（化学）爆薬が核分裂性コアを圧縮し、化学爆薬単独で達成できるもの（第1段階）よりも何倍も強力な核分裂爆発を引き起こす。第2に、プライマリーの核分裂からの放射線が第2の核融合段階の圧縮と点火に使用され、核分裂爆発単独よりも何倍も強力な核融合爆発を引き起こす。この圧縮の連鎖は、任意の数の第3の核融合段階に継続されると考えられるが、各段階で次の段階でより多くの核融合燃料が点火される[ 35 ]：192–193 [ 36 ]が、これについては議論がある。最後に、効率的な爆弾（いわゆる中性子爆弾ではない）は、天然ウランタンパーの核分裂で終わりますが、これは通常、二次または三次段階の核融合反応によって提供される中性子束なしでは達成できません。このような設計は、任意の大きな出力（明らかに必要な数の核融合段階）にまでスケールアップできることが示唆されており、[ 35 ]：192〜193 [ 36 ]潜在的には「終末装置」のレベルにまで達する可能性があります。ただし、通常、このような兵器は12メガトンを超えることはなく、これは一般的に最も強化された実用的な標的（たとえば、シャイアンマウンテンコンプレックスなどの制御施設）を破壊するのに十分であると考えられていました。このような大型爆弾でさえ、より小さな出力の核バンカーバスター爆弾に置き換えられました。

都市や非強化目標の破壊においては、単一のミサイルペイロードの質量をより小型のMIRV爆弾に分割し、爆発エネルギーを「パンケーキ」状に拡散させることで、爆弾エネルギーあたりの破壊面積という点ではるかに効率的です。これは巡航ミサイルや爆撃機などのシステムで運搬可能な単発爆弾にも当てはまり、結果として米国のプログラムで運用されているほとんどの弾頭の威力は500キロトン（2,100テラジュール）未満となっています。

アイビー・マイク

1995年に出版されたリチャード・ローズ著『ダーク・サン：水素爆弾の誕生』では、この装置を組み立てた科学者や技術者への広範なインタビューから得られた情報に基づき、 「アイビー・マイク」ソーセージ型装置の内部構成部品について詳細に記述している。ローズによれば、二次核の圧縮の実際のメカニズムは、放射圧、発泡体プラズマ圧、そしてタンパー・プッシャー・アブレーション理論の組み合わせであった。一次核からの放射がケースのポリエチレンフォームライニングを加熱してプラズマ化し、それが二次核のプッシャーに放射を再放射することでプッシャー表面がアブレーションを起こし、プッシャーを内側に押し込み、二次核を圧縮して点火プラグを点火し、核融合反応を引き起こすという。この原理の一般的な適用性は不明である。[ 23 ]

リップル

リップル二次炉は、試験された中で最もクリーン（核融合率が最も高い）かつ重量当たりの出力比が最も高い装置である。1962年のドミニク作戦シリーズで試験された。ウラン238タンパーを鉛に置き換えるだけでクリーンになった以前のクリーン爆弾とは異なり、リップルは本質的にクリーンであった。核分裂点火プラグは、より薄い重水素化リチウムシェルで囲まれた大きな重水素-三重水素ガスコアに置き換えられた。鉛などの高Z物質で作られた薄い同心シェルが小型のキングレット一次炉によって駆動され、コアへの持続的な衝撃波の伝播を可能にして熱核燃焼を持続させることから、この装置の名前の由来となったと考えられている。設計は、当時黎明期にあった慣性閉じ込め核融合の影響を受けていた。リップルはまた、非常に効率的で、15 kt/kgの計画が立てられた。アンドロスコギン実験では、概念実証用のリップル設計を採用し、63キロトンの爆発を起こしました（予測されていた15メガトンを大幅に下回りました）。フーサトニック実験でも同様の爆発が起こり、9.96メガトンの爆発が起こりました。この爆発は、99.9%以上が核融合だったと報告されています。

極めて軽量であったものの、大量のDTガスを使用したため、密度が低く、結果として弾頭容積が大きくなっていた。アメリカのICBMの中で、これを搭載できる弾頭幅を持つのはタイタンIIだけだったが、軍は既にタイタンIIからより小型のミニットマンミサイルへと移行していた。[ 17 ]

W88

1999年、サンノゼ・マーキュリー・ニュースの記者は、トライデントII潜水艦発射弾道ミサイル（SLBM）に搭載された小型多弾頭（MIRV）である米国のW88核弾頭は、特殊な形状の放射性ケース（その形状から「ピーナッツ」と呼ばれる）内に、長楕円形の一次弾頭（コードネーム：コモド）と球形の二次弾頭（コードネーム：クルサ）を備えていると報じた。卵形の一次弾頭の価値は、MIRV弾頭が一次弾頭の直径によって制限されるという事実にあるようだ。卵形の一次弾頭が適切に機能すれば、MIRV弾頭は大幅に小型化されながらも高出力の爆発を起こすことができる。 W88弾頭は、長さ1,750mm（68.9インチ）、最大直径550mm（21.8インチ）、重量は175～360キログラム（386～794ポンド）と様々な推定値があり、最大475キロトンTNT（1,990TJ）の威力を発揮します。[ 37 ]弾頭が小型化されたことで、1つのミサイルに搭載できる弾頭数が増加し、速度や射程距離などの基本的な飛行特性が向上しました。[ 38 ]

歴史

最初のテスト

国 核兵器設計による最初のテスト
核分裂年 ブースト核分裂年 多段階年 1メガトン以上の多段式 年
アメリカ合衆国三位一体1945 温室アイテム1951 グリーンハウス・ジョージ1951 アイビー・マイク1952
ソビエト連邦RDS-11949 RDS-6s1953 RDS-371955 RDS-371955
イギリスハリケーン作戦1952 モザイクG11956 グラップル11957 グラップルX1957
中国5961964 596L1966 6291966 6391967
フランスジェルボワーズ・ブルー1960 リゲル1966 カノープス1968 カノープス1968
インド微笑む仏陀1974 シャクティ1世（未確認） 1998 シャクティ1世（未確認） 1998 該当なし
パキスタンチャガイ1世1998 チャガイ1世1998 該当なし 該当なし
北朝鮮＃12006 #4（未確認） 2016 #6（未確認） 2017 該当なし
イスラエル核兵器とイスラエル § 核実験を参照該当なし
南アフリカ南アフリカと大量破壊兵器 § 核兵器を参照該当なし

アメリカ合衆国

アイビー・マイク、最初の本格的な熱核実験、エニウェトク環礁、1952年11月1日

小型の核分裂爆弾で点火する熱核融合爆弾のアイデアは、エンリコ・フェルミが同僚のエドワード・テラーに、1941年9月にコロンビア大学で話しているときに初めて提案され、 [ 23 ] : 207 、 後にマンハッタン計画となる計画の開始時に行われた。[ 5 ]テラーは、原子爆弾の開発よりもこの設計を優先し、マンハッタン計画のほとんどの時間をこの設計を機能させる方法を見つけることに費やし、計画の最後の1年間は、この仕事に専念した。[ 23 ] : 117, 248 しかし、第二次世界大戦が終わると、当時スーパー爆弾として知られていたこの爆弾に多くの資源を投入する動機はほとんどなくなった。[ 39 ] : 202 [ 40 ]

1949年8月にソ連が実施した最初の原子爆弾実験は、アメリカ人の予想よりも早く実施され、その後数ヶ月にわたり、米国政府、軍、科学界において、はるかに強力な超核兵器の開発を進めるべきかどうかについて激しい議論が交わされた。[ 41 ] : 1–2 この議論は、戦略的、実用的、そして道徳的な問題を巡るものでした。[ 41 ] : 16 ロバート・オッペンハイマー、フェルミ、そして同僚たちは、一般諮問委員会の報告書 の中で、超核兵器の使用に伴う民間人の犠牲について警告し、それを「大量虐殺兵器」と特徴づけ、「[熱核兵器開発の]提案に内在する人類への極度の危険は、いかなる軍事的利益も完全に上回る」と結論付けました。[ 42 ] こうした反対​​意見にもかかわらず、1950年1月31日、ハリー・S・トルーマン大統領は新兵器の開発を進めることを決定しました。[ 39 ] : 212–214

キャッスル作戦の熱核実験、ロミオ城の銃撃

テラーと他の米国の物理学者たちは、実用的な設計を見つけるのに苦労した。[ 41 ]：91–92 テラーの同僚であったスタニスワフ・ウラムは、実用的な核融合設計に向けて最初の重要な概念的飛躍を遂げた。核融合爆弾を実用化したウラムの2つの革新は、極度に加熱される前に熱核燃料を圧縮することが、核融合に必要な条件への実用的な方法であるという点と、独立した熱核コンポーネントを核分裂一次コンポーネントの外側に段階的に配置または配置し、何らかの方法で一次コンポーネントを使用して二次コンポーネントを圧縮するというアイデアであった。その後、テラーは、アセンブリ全体を空洞または放射線ケースで包めば、一次コンポーネントで生成されたガンマ線とX線放射線が二次コンポーネントに十分なエネルギーを伝え、爆縮と核融合燃焼を成功させることができることに気付いた。[ 5 ]

1951年5月9日のグリーンハウス作戦の「ジョージ」ショットでは、この基本概念が初めて非常に小規模でテストされた。核融合エネルギーの（制御されていない）放出に初めて成功したが、これは 総出力225 kt（940  TJ ）のごく一部に過ぎなかったため、 [ 43 ]この概念がうまくいくという期待が高まり、ほぼ確実に機能するとの期待が高まった。1952年11月1日、テラー・ウラム構成は、エニウェトク環礁の島でアイビー作戦のマイクショットでフルスケールでテストされ、出力は10.4  Mt（44  PJ ）（第二次世界大戦中に長崎に投下された爆弾の450倍以上の威力）に達した。ソーセージと呼ばれたこの装置は、エドワード・テラーからこの任務を任されたリチャード・ガーウィンによって作成された。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]彼の関与は秘密にされていたため、このことは2001年まで広く知られていなかった。[ 47 ] この計画では、超大型の核分裂爆弾を「起爆装置」として、液体重水素を核融合燃料として使用した。液体重水素は20米トン（18 トン）の極低温装置によって液体状態に保たれており、総重量は約80米トン（73 トン）であった。

アイビー・マイクの液体重水素燃料は展開可能な兵器としては非実用的であったため、次の進歩は固体の重水素化リチウム核融合燃料の使用であった。1954年、これは「キャッスル・ブラボー」発射（この装置はシュリンプというコードネームだった）でテストされ、その威力は15メガトン（63ペタジュール）で、予想の2.5倍となり、これまでにテストされた米国最大の爆弾となった。努力は、大陸間弾道ミサイルや潜水艦発射弾道ミサイルに搭載可能な小型のテラー・ウラム兵器の開発へと移った。1960年までに、ポラリス弾道ミサイル潜水艦に配備されたW47弾頭[ 48 ]により、メガトン級弾頭は直径460ミリメートル（18インチ）、重さ330キログラム（720ポンド）まで小型化された。 1970年代半ばには、弾頭の小型化におけるさらなる革新が達成され、テラー・ウラム設計のバージョンが作成され、小型のMIRVミサイルの先端に10個以上の弾頭を搭載できるようになりました。[ 19 ]

ソビエト連邦

これまでに製造され実験された最大の核兵器、ソビエトのツァーリ・ボンバのケース。ロシア、サロフ。

ソ連初の核融合設計は、アンドレイ・サハロフとヴィタリー・ギンツブルグによって1949年（ソ連が実用可能な核分裂爆弾を開発する前）に開発され、ロシアのレイヤーケーキにちなんで「スロイカ」と呼ばれたが、テラー・ウラム方式ではなかった。核分裂性物質とトリチウムを添加した重水素化リチウム核融合燃料を交互に層状に重ねて使用していた（これは後にサハロフの「最初のアイデア」と呼ばれる）。核融合は技術的には実現可能だったかもしれないが、「段階的」兵器のようなスケールアップ性を備えていなかった。したがって、このような設計では、爆発力を任意に大きくできる熱核兵器を製造することはできなかった（当時の米国の設計とは異なり）。核分裂核を包む核融合層は、核分裂エネルギーを中程度にしか増幅できなかった（現代のテラー・ウラム方式では30倍に増幅できる）。さらに、核融合段階全体と核分裂核を通常の爆薬で爆破する必要があり、必要な化学爆薬の量が大幅に増加しました。

スロイカ設計の最初の実験であるRDS-6sは1953年に爆発し、400 kt（1,700 TJ）相当の威力を発揮しました。そのうち15%から20%は核融合によるものでした。スロイカ設計を用いてメガトン級の威力を達成しようとする試みは実現不可能であることが判明しました。1952年11月にアメリカが「アイビー・マイク」熱核実験装置を実験し、数メガトン級の爆弾の製造が可能であることが証明された後、ソ連は代替設計を模索しました。サハロフが回顧録で言及した「第二のアイデア」は、1948年11月にギンズブルグが以前に提案した、爆弾に重水素化リチウムを使用するというものでした。これは中性子の照射によって三重水素と自由重水素を生成します。[ 49 ] : 299 1953年後半、物理学者ヴィクトル・ダヴィデンコは反応の段階的進行という最初の画期的な成果を達成した。次の放射線爆縮という画期的な成果は、1954年初頭にサハロフとヤコフ・ゼルドヴィッチによって発見・開発された。サハロフの「第三のアイデア」（ソ連ではテラー＝ウラム設計として知られていた）は、1955年11月に「RDS-37 」という実験で1.6 Mt（6.7 PJ）の威力を発揮した。ソ連は1961年10月、巨大で扱いにくいツァーリ・ボンバを爆発させ、段階的進行概念の威力を実証した。これは、どの国によっても開発・実験された最大の核兵器であった。

イギリス

クリスマス島でのグラップル作戦はイギリスによる最初の水素爆弾実験であった。

1954年、アルダーマストンで英国の核融合爆弾の開発作業が開始され、ウィリアム・ペニー卿がこの計画の責任者となった。英国の熱核融合爆弾の製造方法に関する知識は初歩的であり、当時米国は1946年の原子力法により、核に関する知識を一切交換していなかった。英国はマンハッタン計画で米国と緊密に協力していた。米国はソ連のスパイ活動を懸念して、ある時点で英国の核兵器情報へのアクセスを遮断した。秘密情報などの取り扱いを規定する協定に調印するまで、完全な協力は回復されなかった。[ 50 ]しかし、英国は米国のキャッスルテストの観察を許可され、キノコ雲の中でサンプル採取用航空機を使用して、放射線爆縮による第2段階で生成された圧縮の明確で直接的な証拠を入手した。[ 50 ]これらの困難のため、1955年にアンソニー・イーデン首相は、アルダーマストンの科学者が核融合爆弾の開発に失敗するか、大幅に遅れた場合、非常に大きな核分裂爆弾に置き換えるという秘密計画に同意した。[ 50 ]

1957年、グラップル作戦の実験が行われた。最初の実験であるグリーン・グラナイトはプロトタイプの核融合爆弾であったが、米国やソ連の爆弾と同等の威力を発揮できず、約300 kt（1,300 TJ）しか達成できなかった。2回目の実験であるオレンジ・ヘラルドは改良された核分裂爆弾であり、720 kt（3,000 TJ）の威力を発揮し、史上最大の核分裂爆発となった。当時、ほぼすべての人（投下した飛行機のパイロットを含む）がこれを核融合爆弾だと思った。この爆弾は1958年に配備された。2番目のプロトタイプの核融合爆弾であるパー​​プル・グラナイトは3回目の実験で使用されたが、威力は約150 kt（630 TJ）にとどまった。[ 50 ]

2回目の一連のテストが予定され、1957年9月に再開された。最初のテストは「…よりシンプルな新しい設計。はるかに強力な起爆装置を備えた二段階熱核爆弾」に基づいていた。このテストのグラップルXラウンドCは11月8日に爆発し、約1.8メガトン（7.5ペタジュール）の威力を発揮した。1958年4月28日には、3メガトン（13ペタジュール）の威力を発揮する爆弾が投下された。これはイギリスが実施した最も強力なテストであった。1958年9月2日と11日の最後の2回の空中炸裂テストでは、それぞれ約1メガトン（4.2ペタジュール）の威力を発揮する小型爆弾が投下された。[ 50 ]

アメリカのオブザーバーは、こうした種類の実験に招待されていました。イギリスがメガトン級の核兵器の爆発に成功し（テラー＝ウラム設計の「秘密」を実際に理解していたことを証明した）、アメリカはイギリスと核設計の一部を交換することに同意し、1958年の米英相互防衛協定につながりました。イギリスは独自の設計を継続する代わりに、より小型のアメリカ製Mk 28弾頭の設計へのアクセスを許可され、その複製を製造することができました。[ 50 ]

中国

中国初の本格的な熱核実験、プロジェクト639、ロプノール、1967年。

中国は1967年6月17日、コードネーム「639」の本格的な多段式熱核爆弾を爆発させ、出力3.31メガトン（13.8ペタジュール）を世界で4番目の熱核兵器保有国とした。最初の核分裂兵器の爆発からわずか32ヶ月後のこの実験は、国家初の核実験後の水素爆弾計画としては最速の成功例となっている。中国は1966年5月に層状ケーキ型ブースト核分裂兵器（「596L」）を実験し、出力220キロトン（920テラジュール）を、また1966年12月には小規模多段式熱核爆弾（「629」）を実験していた。実験は中国北西部のロプノル実験場で行われた。[ 51 ] [ 52 ]

ソ連は1957年から中国の核開発計画を支援したが、 1959年の中ソ対立により突如として終了した。中国は熱核兵器用にリチウム重水素化物生産工場を受領し、ソ連の層状ケーキ設計に関する知識も限定的にしか持っていなかった。米国やソ連とは異なり、中国は水素爆弾計画当時、プルトニウムやトリチウムの生産施設を稼働させていなかった。酒泉のプルトニウム生産原子炉が稼働したのは1967年になってからで、プルトニウムの分離は1968年9月に始まった。[ 53 ] 1963年、彭歓武率いる中国の科学者たちはこの設計を徹底的に調査したが、他国が保有する水素爆弾として使用するには効率が悪すぎると分かった。それでも、1966年には小型のレイヤーケーキ型爆弾の設計を、そして1967年10月には1メガトンに達する3段式レイヤーケーキ型爆弾「658」（英国の予備設計であるオレンジ・ヘラルド・ラージに類似）を試験する計画が立てられた。 [ 54 ] 1965年9月と10月には、上海でユ・ミンが主導し、デジタルコンピュータと手計算を用いた理論研究の緊急プロジェクトが実施された。ユはレイヤーケーキ型爆弾に関する一連の講演を行い、その欠点が重水素化リチウムからトリチウムを生成する速度が遅いこと、すなわちジェッターサイクルにあることを認識した。この結果、熱核二次核を核分裂一次核で圧縮するテラー・ウラム類似の設計が生まれた。1965年12月、この設計が熱核開発の焦点として選ばれた。ユは後に、この急速な開発によって、1966年5月から10年間続いた文化大革命の間、水素爆弾研究計画が崩壊するのを防いだと述べている（中国初の有人宇宙計画で起こったような崩壊を）。[ 54 ]

1966年の小型レイヤーケーキ実験は、1966年5月に「596L」（プロジェクト596の最初の原子爆弾に重水素リチウムを追加したもの）として実施されました。真の二段式熱核爆弾設計は、1966年12月に「629」装置として初めて小規模で実験され、120 kt（500 TJ）のエネルギーを出力しました。この成功を受けて、予備の「658」レイヤーケーキ計画から材料を再利用することが決定されました。文化大革命の熱狂の中で、第九科学院は、フランスが1967年に最初の水素爆弾を実験するという彭歓武の予言に激しく対抗し、639の実験予定日を10月から7月に延期しました。[ 54 ]その後、この二段式設計は1967年6月に「639」装置、別名テストNo.6として本格的な実験が行われ、3.31 Mt（13.8 PJ）のエネルギーを出力しました。[ 54 ]

中国では、この二段式設計は于敏构型（于敏构型, Yú Mǐn gòu xíng）として知られている。中国政府は、これは多段式の熱核兵器設計ではあるものの、他の4つの熱核兵器保有国が採用すると想定されているテラー・ウラム型とは異なるため、さらなる小型化が可能であり、この2つを合わせることで初めて実現可能な熱核兵器設計が構成されると主張している。 [ 55 ]中国の設計も核分裂一次核からのエネルギーを熱核二次核に送り込み圧縮するため、その違いは明確ではない。初期のソ連とイギリスの水素爆弾と同様に、二次核核は球形であるが、米国で最初に使用された円筒形の二次核核とは異なる。[ 54 ]

ウィリアム・ブロードによるニューヨークタイムズの記事[ 56 ]によると、1995年に中国の二重スパイとされる人物が、中国がスパイ活動を通じて米国のW88弾頭の秘密情報を知っているという情報を提供したという。[ 57 ]（この捜査は最終的にウェン・ホー・リーの不成功に終わった裁判につながった。）

フランス

フランスの物理学者ミシェル・カラヨルは、テラー・ウラム設計のフランス版を提案した。

1960年の最初の核実験の後、フランスは核分裂兵器の開発とミラージュIV爆撃機による配備を最優先課題とした。1966年、ド・ゴールは中国が4番目の熱核保有国となるというプレッシャーを感じ、最初の水爆実験の期限を1968年と設定した。実験に参加した科学者のピエール・ビヨーは、1965年にフランスの熱核兵器に関する知識について次のように記している。

1948年のアメリカの科学者たちと比べて、フランスの科学者たちは多くの優位性を持っていました。水素爆弾が存在し、実際に機能すること、そしてLi6D（重水素化リチウム）が使われていることを知っており、その反応も理解していました。また、1940年代後半には存在しなかった、アメリカ製の高性能コンピューターも持っていました。さらに、ヨーロッパのNATO基地に配備された核兵器の寸法と重量、そしてその威力についても、ある程度把握していました。こうした情報は、私たちが入手した情報に加え、『アビエーション・ウィーク』誌や『原子科学者会報』といった出版物に掲載された公開文献の記事からも得られました。

初期の実験では「Li6D [重水素化リチウム] を核分裂炉心に密着させ」、レイヤーケーキ設計を示唆していた。フランスは1966年から1970年にかけて行われたフランス核実験で熱核融合原理の試験を開始し、 1966年9月にリゲル加速器による125 ktの核分裂実験を実施した。1967年4月、物理学者ミシェル・カラヨールはテラー・ウラム設計の中核となる放射線爆縮の考え方を概説したが、兵器科学者たちはそれが解決策であるとすぐには確信しなかった。6月、フランスは中国の3メガトン級プロジェクト639実験により水素爆弾開発競争に敗れた。1967年半ばまでに、中国の科学者たちと同様に、フランスの科学者たちも、メガトン級核爆弾の成功には重水素化リチウム燃料の密度をほぼ20倍にまで高めることが不可欠であると特定していたが、カラヨールの正しいテラー・ウラム類似核実験は、1968年夏に実施する3つの設計のうちの1つとして計画された。

フランスの水素爆弾開発の道筋は、10年前に英国の水素爆弾計画を成功に導いた英国の科学者ウィリアム・リチャード・ジョセフ・クックから決定的な影響を受けた。フランスとは異なり、英国は米国やソ連と同様に、実験からの核降下物を収集し、フランスの熱核兵器の進歩の欠如などの推論を行うための空中偵察能力を持っていた。1967年9月、クックはロンドンのフランス大使館の武官に、熱核開発に関する限定的な情報を提供し、具体的には、現在の設計は成功せず、解決策はより単純であると述べた。これによりフランスの科学者は、最終的に成功した1968年の熱核実験について、カラヨールの提案のみを特定し、それに基づいて進めることができた。これは、当時米国との緊密な関係を理由に英国の欧州共同体への加盟を阻止していたド・ゴールへの申し入れを目的とした、ハロルド・ウィルソン首相の指示によるものと考えられている。しかし、ドゴールは1967年11月に再びイギリスの加盟を拒否し、イギリスの貢献を知ったときには非常に衝撃を受けた。[ 58 ]

最初のDTブースト弾頭であるMR41は、1968年7月と8月のカストルとポルックス発射でテストされ、カストル発射で450kt（1,900TJ）の出力に成功した。[ 59 ]

1968年8月24日、フランス領ポリネシアのファンガタウファ環礁で行われた「カノープス」実験は、同国初の多段式熱核兵器実験であった。爆弾は高度520メートル（1,710フィート）の気球から爆発した。この実験の結果、大気圏は深刻な汚染を受けた。[ 60 ]フランスは現在、他の主要核保有国と同等の高度な核兵器を保有していると考えられている。[ 50 ]

フランスと中国は、大気圏、水中、宇宙空間における核実験の爆発を禁止した1963年の部分的核実験禁止条約に署名も批准もしていない。1966年から1996年の間に、フランスは190回以上の核実験を実施した。[ 60 ]フランス最後の核実験は1996年1月27日に実施され、その後、ポリネシアの核実験場は解体された。フランスは同年、 包括的核実験禁止条約に署名し、2年以内に同条約を批准した。

フランスのトリオンファン級原子力潜水艦の 1 隻、ル テメレール(S617)

フランスは2015年に、自国の核兵器には約300発の弾頭が含まれており、潜水艦発射弾道ミサイルと戦闘爆撃機で搭載されていることを確認した。フランスは4隻のトリオンファン級弾道ミサイル潜水艦を保有している。1隻の弾道ミサイル潜水艦は深海に配備されているが、合計3隻が常時作戦運用に供されていなければならない。旧型の3隻の潜水艦は16発のM45ミサイルを搭載している。最新鋭の潜水艦「ル・テリブル」は2010年に就役し、TN75熱核弾頭を搭載可能なM51ミサイルを搭載している。航空隊は4つの異なる基地に4個飛行隊を配置している。合計で、核弾頭を搭載可能なミラージュ2000N航空機が23機、ラファールが20機ある。 [ 61 ] M51.1ミサイルは、2016年からM51.1より射程距離が3,000キロメートル（1,900マイル）長い新型M51.2弾頭に置き換えられる予定である。[ 61 ]

フランスは、 TN80 / TN81弾頭を搭載した空中発射ミサイルを約60発保有しており、その威力はそれぞれ約300キロトン（1,300テラジュール）である。フランスの核計画は、これらの兵器が今後数十年にわたって使用可能であることを保証するために慎重に設計されている。[ 50 ]現在、フランスはプルトニウムや濃縮ウランなどの臨界質量物質を意図的に生産していないが、電力は依然として原子力に依存しており、239副産物としてのプルトニウム[ 62 ]

インド

シャクティ-1

1998年5月11日、インドはシャクティ作戦の実験で熱核爆弾を爆発させたと発表した（「シャクティI」はヒンディー語で力を意味する）。[ 63 ] [ 64 ]パキスタンの原子核物理学者サマー・ムバラクマンドは、シャクティIが熱核実験であったとしても、装置は不発だったと主張した。[ 65 ]しかし、ロスアラモス国立研究所の元所長ハロルド・M・アグニューは、インドの段階的熱核爆弾を爆発させたという主張は信憑性があると述べた。[ 66 ]インドは、ケトライ村が約5キロメートル（3マイル）と近かったため、村の家屋が大きな被害を受けないように、熱核実験は45キロトン（190テラジュール）の制御された出力で行われたと述べている。[ 67 ]もう一つの理由として挙げられたのは、45 ktを大幅に上回る威力で放出された放射能が完全に封じ込められなかった可能性があるということである。[ 67 ]ポカランII実験後、インド原子力委員会の元委員長ラジャゴパラ・チダンバラムは、インドは意のままにあらゆる威力の熱核爆弾を製造する能力を持っていると述べた。[ 66 ]インドは公式に、シャクティ1熱核実験に基づいて、約200 kt（840 TJ）までの様々な威力の熱核兵器を製造できると主張している。[ 67 ] [ 68 ]

インドの水素爆弾実験の威力は、インドの科学界と国際学者の間で依然として激しい議論の的となっている。[ 69 ]政治化の問題とインドの科学者間の論争が、この問題をさらに複雑にしている。[ 70 ] 2009年8月のインタビューで、1998年の試験場準備責任者であるK・サンタナムは、熱核爆発の威力が予想よりも低く、したがってインドは包括的核実験禁止条約への署名を急ぐべきではないと主張した。この実験に関わった他のインドの科学者はサンタナムの主張に異議を唱え、[ 71 ]彼の主張は非科学的であると主張している。[ 64 ]英国の地震学者ロジャー・クラークは、マグニチュードから総合威力はTNT火薬換算で最大60キロトン（250TJ）であると示唆され、インドが発表したTNT火薬換算で56キロトン（230TJ）という総合威力と一致していると主張した。[ 72 ]米国の地震学者ジャック・エバーンデンは、出力を正確に推定するためには、「試験地点間の地質学的および地震学的差異を適切に考慮する必要がある」と主張している。[ 67 ]

イスラエル

イスラエルはテラー・ウラム設計の熱核兵器を保有しているとされているが[ 73 ]、核兵器の実験を行ったことは知られていない。ただし、 1979年のベラ事件はイスラエルと南アフリカの共同核実験であったのではないかと広く推測されている。[ 74 ] [ 75 ] : 271 [ 76 ] : 297–300

エドワード・テラーが約20年間、イスラエルの政権に対して核問題全般について助言や指導を行っていたことは周知の事実である。[ 77 ] : 289–293 1964年から1967年の間に、テラーはイスラエルを6回訪問し、テルアビブ大学で理論物理学の一般的な話題について講義を行った。[ 78 ]イスラエルの核能力についてCIAを説得するのに1年かかり、ついに1976年に、 CIAのカール・ダケットが「アメリカ人科学者」（テラー）からイスラエルの核能力に関する信頼できる情報を受け取り、米国議会で証言した。 [ 76 ] : 297–300 1990年代に、テラーは、イスラエルが核兵器を保有していると結論付けたのは1960年代の訪問中であったというメディアの憶測をようやく認めた。[ 76 ] : 297–300 テラー氏は、この問題を米国政府の高官に伝えた後、「彼ら（イスラエル）はそれを保有しており、自分たちの研究を信じて検査しないほど賢明だった。検査すれば面倒なことになると分かっているからだ」と述べたと伝えられている。[ 76 ] : 297–300

北朝鮮

北朝鮮は2016年1月6日、小型熱核爆弾の実験を実施したと主張した。北朝鮮による最初の3回の核実験（2006年、2009年、2013年）は、比較的低出力で、熱核兵器の設計ではなかったと思われる。2013年、韓国国防省は、北朝鮮が「水素爆弾」の開発を試みており、それが北朝鮮の次の兵器実験になる可能性があると推測した。[ 79 ] [ 80 ] 2016年1月、北朝鮮は水素爆弾の実験に成功したと主張したが[ 81 ]、実験時に観測された地震はマグニチュード5.1であった。[ 82 ]これは、2013年に行われた6～9 kt（25～38 TJ）の原子爆弾実験と同程度の規模である。これらの地震記録は、北朝鮮による水素爆弾実験の主張に疑問を投げかけ、非核融合核実験であったことを示唆している。[ 83 ]

2017年9月3日、北朝鮮の国営メディアは、水素爆弾実験が実施され、「完全な成功」に終わったと報じた。米国地質調査所（USGS）によると、爆発はマグニチュード6.3の地震に相当するエネルギーを放出し、北朝鮮がこれまで実施した核実験の10倍の威力があった。[ 84 ]米国情報機関は、爆発威力の推定値は140 kt（590 TJ）、 [ 85 ]不確実性の範囲は70～280 kt（290～1,170 TJ）であるとの初期評価を発表した。 [ 86 ] 9月12日、NORSARは爆発のマグニチュードの推定値を6.1に上方修正した。これはCTBTOの推定値と一致したが、 USGSの推定値6.3よりは威力が低い。NORSARの爆発威力推定値は250 kt（1,000 TJ）に修正されたが、推定値には不確実性と非公開の誤差範囲があると指摘した。[ 87 ] [ 88 ] 9月13日、実験場の合成開口レーダー衛星画像の前後の分析結果が発表され、実験は900メートル（3,000フィート）の岩の下で行われ、威力は「300キロトンを超えた可能性がある」ことが示唆された。[ 89 ]

公知

分類

核分裂兵器および核融合兵器に関する詳細な知識は、事実上すべての先進国においてある程度機密扱いされている。米国では、そのような知識は、たとえ政府職員ではない人物や兵器計画に関係のない人物によって作成されたものであっても、「生まれながらの秘密」として知られる法理に基づき、デフォルトで「制限データ」に分類される（ただし、この法理の合憲性は時折疑問視されてきた。米国対プログレッシブ社事件を参照）。生まれながらの秘密は、私的な憶測のケースではめったに援用されない。米国エネルギー省の公式方針は、設計情報の漏洩を認めないことである。もし認めれば、その情報が正確であると立証される可能性があるからである。過去にも、米国政府は公の場で兵器情報を検閲しようとした事例がいくつかあるが、成功は限られている。[ 90 ]ニューヨーク・タイムズ紙によると、物理学者ケネス・W・フォードは、著書『水爆製造：個人史』から機密情報を削除するよう政府から命じられたが、それに反抗した。フォードは既存の情報のみを使用し、政府に原稿を提出したと主張しているが、政府は外国がその情報を利用できることを懸念し、本の一部を削除したいと考えていた。[ 91 ]

テラー＝ウラム設計は長年にわたり核機密の最高機密の一つとみなされ、今日に至るまで、機密指定の「背後」で発端をなす公式出版物では詳細に言及されることは稀である。米国エネルギー省（DOE）は、漏洩が発生してもそれを認めない方針をとっており、これは現在も変わっていない。なぜなら、そうすることで漏洩したとされる情報の正確性を認めることになってしまうからだ。弾頭ケースの画像以外、この設計に関する公開情報の大部分は、DOEによる簡潔な声明と、少数の研究者による研究に限られている。

非機密情報

公式には大量の曖昧なデータが公開されており、さらに元爆弾設計者らによって非公式にリークされた曖昧なデータもさらに多いものの、核兵器設計の詳細に関する公開説明のほとんどは、ある程度、推測、既知の情報からのリバースエンジニアリング、または類似の物理学分野（慣性閉じ込め核融合が主な例）との比較に依存している。こうしたプロセスの結果、核爆弾に関する非機密扱いの知識体系が構築された。これは、公式の非機密扱い情報公開や関連物理学と概ね整合しており、内部的に一貫していると考えられているが、依然として解釈の余地が残されている点もいくつかある。テラー＝ウラム設計に関する公開知識の状況は、主に以下のセクションで概説するいくつかの特定の出来事から形成されたものである。

米国エネルギー省の声明

このW80核弾頭のような弾頭ケースの写真から、米国の熱核兵器の主弾頭と副弾頭の相対的な大きさや形状について、ある程度推測することができます。

1972年、米国政府は「熱核兵器（TN兵器）では、核分裂の『一次核』は『二次核』と呼ばれる熱核燃料中のTN反応を引き起こすために使用される」と記した文書を機密解除し、1979年には「熱核兵器では、核分裂爆発物からの放射線を封じ込め、エネルギーを伝達して、熱核燃料を含む物理的に独立した構成要素を圧縮・点火するために使用することができる」と付け加えた。この後者の文について、米国政府は「この記述の詳細はすべて機密扱いとなる」と明記した。[強調は原文のまま] スパークプラグまたはタンパーに関連する可能性のある唯一の情報は、1991年に機密解除された。「一部の二次核には核分裂性物質または核分裂性物質が存在するという事実。物質は未確認、場所も特定されていない、用途も特定されていない、兵器も指定されていない。」 1998年にエネルギー省は「チャネル内に物質が存在する可能性があるという事実と、『チャネルフィラー』という用語（詳細は不明）」という声明を機密解除したが、これはポリスチレンフォーム（または類似物質）を指している可能性がある。[ 92 ]

これらの記述が、上記で提示したモデルの一部または全てを正当化するか否かは解釈に委ねられており、米国政府の核兵器の技術的詳細に関する公式発表は、過去に意図的に曖昧な表現を用いてきた（例：スミス報告書）。初期の核兵器に使用された燃料の種類など、その他の情報は機密解除されているものの、正確な技術情報は公開されていない。

アメリカ合衆国対進歩主義

テラー＝ウラム設計の仕組みに関する現在の考えのほとんどは、 1979年にアメリカの反兵器活動家ハワード・モーランドが「水素爆弾の秘密」について書いた雑誌記事をエネルギー省が検閲しようとしたことで公になった。1978年、モーランドはこの「最後に残った秘密」を発見し暴露することで、軍拡競争への関心が高まり、国民が核兵器の重要性と核の秘密に関する公式声明に疑問を呈する力を持つようになると判断した。兵器の仕組みに関するモーランドの考えのほとんどは、入手可能な情報源からまとめられた。彼のアプローチに最も影響を与えた図面は、アメリカ百科事典から得たものだ。モーランドはまた、ロスアラモスの元科学者の多く（テラーとウラムを含むが、どちらからも有益な情報は得られなかった）に（しばしば非公式に）インタビューを行い、彼らから有益な回答を引き出すために様々な対人戦略を用いた（例えば、「スパークプラグはまだ使われているのか？」といった質問を、後者が具体的に何を指すのかは知らなくても）[ 93 ] 。

モーランドは最終的に、「秘密」とは一次炉と二次炉が分離されており、一次炉からの放射線圧が二次炉を圧縮してから点火するという点にあると結論付けた。プログレッシブ誌に掲載される予定だった論文の初期稿が、モーランドの目的に反対する教授の手に渡り、エネルギー省に送付された際、エネルギー省は論文の掲載差し止めを要請し、仮差し止め命令を求めた。エネルギー省は、モーランドの情報は(1)機密情報源から得られた可能性が高いこと、(2)機密情報源から得られていない場合でも、1954年原子力法の「生まれながらの秘密」条項の下で「秘密」情報に該当すること、(3)危険であり核拡散を助長すると主張した。モーランドと彼の弁護士は全ての点で意見が一致しなかったが、裁判官は仮差し止め命令を認め、モーランドらの上訴を認める方が安全だと判断したため、仮差し止め命令は認められた。

様々な複雑な状況を経て、エネルギー省の訴訟は、彼らが「秘密」と主張しようとしていたデータの一部が数年前に学生向け百科事典に掲載されていたことが明らかになり、勢いを失っていった。別の水素爆弾研究者チャック・ハンセンが、ウィスコンシン州の新聞に「秘密」に関する独自の見解（モーランドの見解とは全く異なる）を発表した後、エネルギー省はプログレッシブ誌の訴訟はもはや意味をなさないと主張し、訴訟を取り下げ、同誌の記事掲載を許可した。そして1979年11月、同誌は記事を掲載した。しかし、モーランドはこの時までに爆弾の仕組みに関する見解を変えており、二次燃焼室の圧縮には放射圧ではなく発泡体（ポリスチレン）が使用され、二次燃焼室には核分裂性物質の点火プラグも存在すると主張した。彼は控訴審の審理にも一部基づき、これらの見解の修正を1か月後のプログレッシブ誌に短い訂正記事として掲載した。 [ 94 ] 1981年、モーランドは自身の経験についての本を出版し、「秘密」についての結論に至った思考の軌跡を詳細に記述した。[ 93 ] [ 95 ]

モーランドの研究は、エネルギー省が検閲を試みたことから、少なくとも部分的には正しいと解釈されている。これは、エネルギー省が公開した「秘密」資料を認めないという通常の方針を破った数少ない事例の一つである。しかし、どの程度情報が欠落しているか、あるいは不正確な情報が含まれているかは、確信を持ってはいない。他の国々がテラー＝ウラム設計の開発に困難を極めたことを考えると（イギリスのように、明らかに設計を理解していた場合でさえも）、この単純な情報だけで熱核兵器を製造できるとは考えにくい。しかしながら、1979年にモーランドが提唱したアイデアは、テラー＝ウラム設計に関する現在のあらゆる憶測の基盤となっている。

注目すべき事故

1958年2月5日、 B-47戦闘機による訓練飛行中、マーク15核爆弾（タイビー爆弾とも呼ばれる）がジョージア州サバンナ近郊のタイビー島沖で行方不明になった。アメリカ空軍は、この爆弾は非武装であり、核爆発を起こすのに必要な核分裂性核を含んでいなかったと主張している。[ 96 ]エネルギー省は、この爆弾がワッソー湾の底に数フィートの泥の下に埋まっていると考えていた。[ 97 ]

1966年1月17日、スペインのパロマレス上空でB-52GとKC-135ストラトタンカーが衝突し、致命的な事故が発生しました。Mk28型水素爆弾2発のうち、通常爆弾が地面に着弾すると爆発し、プルトニウムが近隣の農場に撒き散らされました。3発目の爆弾はパロマレス近郊に無傷で着地し、4発目の爆弾は海岸から19キロメートル（12マイル）沖合の地中海に落下し、数ヶ月後に回収されました。[ 98 ]

1968年1月21日、クロームドーム作戦の一環として、B28FI熱核爆弾4発を搭載したB-52Gがグリーンランドのチューレ空軍基地への緊急着陸を試みている最中にノーススター湾の氷上に墜落した。[ 99 ]結果として発生した火災により、広範囲にわたる放射能汚染が発生した。[ 100 ]撤去作業に当たった人員は3発の爆弾の残骸を全て回収することができず、1発の爆弾は回収されなかった。[ 101 ]

参照

注記

  1. ^熱核融合炉設計の最初のテストは1951年のグリーンハウス・ジョージ爆発
  2. ^誤解を招く「水素爆弾」という用語は、1954 年のキャッスル・ブラボー実験による核分裂生成物の降下物によってほとんどの設計が主に高速核分裂に依存していることが明らかになる以前から、すでに広く一般に。
  3. ^マンハッタン計画の期間中、基本的な理論と設計は米国と英国の科学者の間で、また米国からソ連へは原子力スパイを介して、そしてソ連から中国へは1960年まで伝達された。英国は1967年にフランスに非常に限られた情報を提供した。歴史を参照

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基本原則

歴史

放射性降下物の分析

ウィキメディア・コモンズには、テラー・ウラム設計に関連するメディアがあります。

原則

歴史

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