ファットマン

テンプレート:Infobox Nuclear Weapon ファットマン（英語: Fat Man、「太った人」の意味）は、第二次世界大戦末期にアメリカ合衆国で開発された原子爆弾である。

イギリスの保守党の政治家であるチャーチル首相にちなんで名づけられたという噂もあるが、マンハッタン計画に参加した物理学者ロバート・サーバー（Robert Serber）によると、彼は映画「マルタの鷹」のキャラクター「Kasper Gutman」から名づけたのであるという。アメリカ軍の分類番号はMk.3であり、大戦後も製造が継続された。最初の一発は1945年 8月9日に長崎市に投下され、実戦使用された核兵器であり、この長崎に投下された原子爆弾、「インプロージョン方式プルトニウム活性実弾 F31」だけを指すこともある。

Mark 2（ThinMan）というガンバレル型プルトニウム型爆弾が開発中止され、インプロージョン型原爆であるファットマンへと移行した。

概要

ファットマンはマンハッタン計画の一部としてロスアラモス国立研究所で作られた核兵器である。リトルボーイ(Mark 1)が高濃縮ウランを用いたガンバレル型の原子爆弾であるのに対して、ファットマンはプルトニウムを用いたインプロージョン方式の原子爆弾である。

1945年8月9日に実戦使用されており、長崎県長崎市の北部（現在の松山町）の上空550mで炸裂した。長崎市への原子爆弾投下を行なったのは、B-29 爆撃機ボックスカー（機長: チャールズ・スウィーニー少佐）である。爆弾の威力は、8月6日に広島県広島市に投下されたリトルボーイより若干強いが、長崎市は起伏に富んだ地形で、平坦な広島市に比べて威力が減殺され、破壊の度合いは広島市に比べると小さいものの死者約73,900人、負傷者約74,900人、被害面積6,702,300m²、全焼全壊計約12,900棟という甚大な被害をもたらした。

第二次世界大戦終結後も製造が続けられ、1940年代のアメリカ軍の核戦力を担った。

経緯

アメリカ合衆国では1941年よりマンハッタン計画として核兵器の開発を行なっていた。ウランを用いた核兵器の開発（Mark 1=リトルボーイ）は進んでいたものの、プルトニウムを用いた核兵器の開発には障害があり、1943年にガンバレル型（Mark 2=シンマン）とインプロージョン方式（implosion、爆縮）（Mark 3=ファットマン）の両方の開発が進められることとなった。1944年にガンバレル型（Mark 2）は放棄され、インプロージョン方式で開発が継続されることとなった。

ファイル:Implosion Nuclear weapon tag.svg

インプロージョン方式の模式図

核物質にはプルトニウム239を用いている。核出力はTNT換算22キロトンを記録した。インプロージョン方式で用いられている爆縮レンズはジョン・フォン・ノイマンらによって完成した技術である。

使用されたプルトニウムはワシントン州ハンフォードにあるハンフォード・サイトのB原子炉で製造された。

プルトニウム型原爆（インプロージョン方式）の実証のため、1945年 7月16日にアメリカ合衆国は、ニューメキシコ州アラモゴード砂漠にあるホワイトサンズ射爆場でファットマンのプロトタイプであるガジェットを用いて人類史上初の核実験であるトリニティ実験を実行した。

ファットマンの特異な形状の空中挙動を確かめるため、通常爆薬を装填した同形・同重量の模擬弾「パンプキン」が作られ、投下訓練の一環として日本に対して実戦投入された。

ファットマン型の原爆はまず3発が製造され、1発が長崎へ投下されたほか核実験のクロスロード作戦（1946年）で使用された。

1945年7月にヘンリー・スティムソン陸軍長官にファットマン型原爆は毎月1個の生産が可能だと報告されたが、1945年8月15日に戦争が終結し、原爆製造の優先順位が引き下げられたため、生産量は縮小された。ハンフォードのプルトニウム生産炉も中性子照射による損傷で稼動に耐えなくなったため1946年に生産を停止した。

ファットマン自体は戦後も生産が継続され、1947年にはロスアラモス国立研究所にファットマン60発分の部品が備蓄され、アメリカ兵器廠には使用可能なファットマン型原爆13発が備蓄されていた。1948年までには50発が生産され、1949年までに120発が生産された。改良型のMark 4の生産は1949年からのことである。

命名

ガンバレル型、インプロージョン方式の原子爆弾にはそれぞれ「シンマン」、「ファットマン」とのコードネームが与えられた。これらの命名を行なった人物は、ロバート・オッペンハイマーのかつての教え子で、自らもマンハッタン計画に参加したロバート・サーバー（English版）だった。サーバーはそれぞれの爆弾の外観に基づいて名前を選んだ。Mark 2は細長い形状であったため、ダシール・ハメットの探偵小説『影なき男』（原題：The Thin Man）と、その映画化作品から着想を得て、「シンマン（痩せた人）」と命名された。Mark 3は丸く、ずんぐりした形状であったため、『マルタの鷹』（ハメットの同名探偵小説の映画化作品）にて、シドニー・グリーンストリート（English版）が演じたキャラクター「カスパー・ガットマン」から着想を得て、「ファットマン（太った人）」と命名された^[1]。

構造

ファットマンの内部構造（全体）

AN 219 接地式起爆装置
対地測距用アンテナ
電源
起爆用コンデンサー
爆弾の前後の楕円部分を固定しているヒンジ
プルトニウムと爆縮レンズ
対地測距用レーダーと起爆用タイマーなどの制御装置
起爆制御装置
尾翼（20インチのアルミニウム製）

プルトニウムと爆縮レンズ内部の構造

爆縮レンズには合計で2,500キログラムもの爆薬が使用されている。その内部にそれぞれ120キログラムのアルミニウム合金製プッシャーと天然ウラン球があり、中心には6.2キログラムのδ相プルトニウム合金が収められている。ファットマンの重量の半分以上を爆縮レンズの爆薬が占め、直径は137.8センチメートルもあってファットマン（ふとっちょ）という名前の由来にもなっていた。これは当時の技術水準では必要な圧力を得るためにこれだけの分量が必要だったためである。コンポジションB/アルミニウム合金製プッシャー/天然ウラン中性子反射器/プルトニウム核の順番に密度比が1.65/2.71/19.05/19.8となっている。

後年では爆薬部分の密度を上げたり副臨界系を小さくすることで急速に小型化が行われ、最終的には100キロトンクラスの核兵器でも直径30センチメートル程度にまで小型化された。

ファットマンの内部構造（起爆装置・爆縮レンズ等）

起爆電橋線型雷管 32個
コンポジションB(早い爆薬) 32個
バラトール(遅い爆薬) 32個
コンポジションB(早い爆薬) 32個
取り外し可能なアルミニウム合金の蓋
アルミニウム合金製プッシャー
天然ウラン(U-238)で出来た中性子反射体兼タンパー(Tamper)
プルトニウムの塊
コルク製の外殻
7個の部品から構成されるアルミニウム製の外殻
アルミニウム合金製プッシャーを固定するためのキャップ
中性子点火器
天然ウラン(U-238)
ホウ素合金のカバー
フェルト樹脂

構成部品

起爆電橋線型雷管: 衝撃波は1ミリ秒につき8メートルも進むため、32個の雷管が点火するタイミングの許容誤差は0.1マイクロ秒以下になる。このため原爆用に新しい原理の雷管が新規に開発された。詳細は起爆電橋線型雷管の項目を参照。
起爆装置: 起爆電源のために、5キロボルト1000アンペアの大型の高圧オイルコンデンサが必要で、0.1マイクロ秒以下の誤差で作動させるために1マイクロファラッドの低キャパシタンスのスイッチ機構が必要である。これに電力を供給するための新型電池が開発された。コンデンサと電池だけで1トン近い重量があり爆縮レンズの爆薬に次いで重量を占めている部品である。
爆縮レンズ: 爆薬だけで2.5トンもありファットマンの重量と体積の半分以上を占めている最大の部品である。詳細は爆縮レンズの項目を参照。
アルミニウム合金製プッシャー: 爆薬と天然ウラン、プルトニウムの間の密度差があまりにも大きいため、爆縮による衝撃波の反射波が大きくなる。するとレイリー・テイラー不安定性などの流体力学的不安定性が大きくなって衝撃波の高い球対称性が崩れてしまうため、いったんアルミニウム合金製プッシャーで衝撃波を受け止めるようになっている。レイリー・テイラー不安定性が大きくなるとレイリー・テイラー波が発生して圧力が低下するのを防ぐ目的もある。
中性子反射体兼タンパー(Tamper): 核分裂物質から発生した中性子が外部に逃げてしまって連鎖反応が止まらないようにするために中性子反射体が必要である。ファットマンでは天然ウランを用いており、中性子反射体としては厚さ3センチメートルで十分であるが、1ナノ秒の間に80回の連鎖反応を繰り返すまでは核分裂物質を一箇所に留めておく必要がある。この押さえがタンパーである。核分裂物質を1ナノ秒間押さえ込むためにタンパーにはある程度の慣性質量が必要で、これを兼ねるために7センチメートルの厚さになった。; 後年の研究では熱量の20%は天然ウランによる副臨界系から発生したと言われている。
中性子点火器: この装置はプルトニウムが核分裂反応を起こすために必要な最初の中性子線を出すための装置である。点火器という名称は燃焼（核分裂反応）を始めるために必要な火種となる中性子を出すための装置であることに由来している。; 構造は重量7グラムのベリリウム球の表面に楔形の溝15本を掘り込んで厚さ0.1ミリメートルの金メッキを施し、さらに11ミリグラムのポロニウム210をメッキしたものである。爆縮によって急速にベリリウムとポロニウムが混合されるとポロニウムが放射したアルファ粒子がベリリウム原子に衝突し、束縛から解き放たれた中性子を放射する。

起爆過程

ファットマンの起爆過程

起爆電橋線型雷管が32個同時に起爆する。
衝撃波は起爆した地点から放射状に広がっていく。
早い爆薬：コンポジションB
遅い爆薬：バラトール(32個の遅い爆薬の中で衝撃波がレンズの中の光のように屈折する)
早い爆薬：コンポジションB
アルミニウム合金製プッシャー（低密度の爆薬から高密度のウランに衝撃波が投射されると、その密度差からレイリー・テイラー波と呼ばれる低圧の波が発生して十分な圧力をプルトニウムに加えることが出来なくなる。これを抑えるために、いったん爆薬より高密度な軽金属に衝撃波を投射してからプルトニウムへ伝達している。）
中性子点火器が爆縮の衝撃波を受けるとポロニウム殻と内部のベリリウム球が急激に混合され、ポロニウム210が放射したアルファ粒子がベリリウムに衝突して中性子を10ナノ秒に1個の割合で周期的に放出する。
低密度デルタ相の合金である核が爆縮による衝撃波で発生した数百万気圧の圧力によってアルファ相に転移すると、密度が増加して大きな反作用挿入を起こす。これに中性子点火器から放出された中性子が当たると急激に核分裂反応が進む。
天然ウランのタンパーが発生した中性子を反射して核分裂の効率を高める。
ホウ素合金の殻が発生した核分裂中性子を低速の熱中性子にし、散乱して天然ウランのタンパーに戻るのを防止することで核分裂の効率を高める。