爆縮レンズ

爆縮レンズ：原子爆弾の心臓部

原子爆弾は、その構造から大きく分けてガンバレル型とインプロージョン型（爆縮型）の2種類に分類されます。広島に投下された「リトルボーイ」がガンバレル型であるのに対し、長崎に投下された「ファットマン」はインプロージョン型でした。そして、このインプロージョン型原子爆弾の中核を担う技術が、爆縮レンズです。

プルトニウム型原子爆弾の課題

プルトニウムを用いた原子爆弾では、核分裂反応を確実に起こし、超臨界状態を実現するために、プルトニウムの中心部を強力に圧縮する必要があります。この圧縮方法として開発されたのがインプロージョン方式です。しかし、単純にプルトニウムの周囲に火薬を配置して点火するだけでは、衝撃波が不均一に伝播し、核分裂が効率的に起こらなかったり、最悪の場合、プルトニウムが破壊されてしまう危険性がありました。

爆縮レンズの仕組み

爆縮レンズは、この課題を解決するために考案されました。その原理は、燃焼速度の異なる火薬を巧みに配置することで、球状のプルトニウムに均一な圧縮力を加えることにあります。

具体的には、プルトニウムの周囲に火薬を配置し、その火薬の中に、燃焼速度の遅い火薬をコブ状に配置します。これにより、点火位置に近い部分では遅い火薬が衝撃波の伝播を遅らせ、遠い部分では速い火薬が衝撃波の伝播を促進することで、全ての位置からプルトニウム中心部への衝撃波の到達時間を揃えます。この、レンズを通る光のように圧縮力が均一に伝播する様子から「爆縮レンズ」と名付けられました。

開発における困難と技術革新

爆縮レンズの開発は容易ではありませんでした。火薬の燃焼速度や衝撃波の伝播といった要素を、極めて精密に制御する必要があったからです。当時の火薬工学の知識では、この精密な計算は不可能でした。

そこで、ジョン・フォン・ノイマンらによって、ZND理論が開発されました。これは、衝撃波の挙動を数値計算でシミュレートする理論で、人工粘性の概念を取り入れることで、衝撃波の不連続面を計算可能にしました。しかし、この計算は膨大なもので、当時のコンピュータ無しでは、10ヶ月以上もの時間を要しました。

また、爆縮レンズを構成する火薬の最適な配置を決定するためには、多数の点火装置による同時点火が必要でしたが、当時の技術では、32個の雷管の同時起爆の誤差をナノ秒単位に制御することが困難でした。このため、起爆電橋線型雷管が新たに開発されました。

さらに、爆縮レンズの設計を検証するため、ロバート・サーバーが提案したRaLa実験が行われました。この実験では、放射性同位体ランタン140のガンマ線とX線を用いて、衝撃波の挙動を精密に測定することで、爆縮レンズの設計を最適化しました。

機密と情報流出

爆縮レンズの設計、特に点火装置の位置や数は、当時の最高機密事項でした。原子爆弾が32面体の構造を取っていることなども機密事項であり、その情報の一部がソ連に流出したとされています。この情報流出は、ソ連の原子爆弾開発を加速させる一因となりました。

小型化と技術の高さ

初期の爆縮式原子爆弾「ファットマン」では、爆縮レンズが爆弾全体の重量の半分以上を占めるほど巨大でしたが、その後、小型化が進み、現在では直径30センチメートル程度まで小型化されています。爆縮レンズは、単純な爆発の同期や圧力の均一化だけでなく、様々な高度な技術とノウハウを必要とするため、他国による単純な模倣は困難です。しかし、インドや北朝鮮がプルトニウム型原子爆弾の実験に成功していることから、これらの国も爆縮レンズ技術について一定の成果を得ていると考えられます。

爆縮レンズは、原子爆弾開発において極めて重要な技術であり、その開発には、高度な科学技術と莫大な時間、そして人的資源が必要でした。その歴史は、科学技術の進歩と国家間の緊張感を物語るものです。

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