マンハッタン計画①概要とその起源

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今回はマンハッタン計画の英語版Wikipediaの翻訳をします。翻訳のプロではありませんので、誤訳などがあるかもしれませんが、大目に見てください。翻訳はDeepLやGoogle翻訳などを活用しています。

学問・思想・宗教などについて触れていても、私自身がそれらを正しいと考えているわけではありません。

マンハッタン計画
起源
実現可能性
- 提案
- 爆弾の設計コンセプト
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最後に

マンハッタン計画

マンハッタン計画とは、第二次世界大戦中に行われた研究開発事業で、最初の核兵器を製造するものである。アメリカが主導し、イギリス、カナダが支援した。1942年から1946年まで、プロジェクトは米国陸軍工兵隊のレズリー・グローヴス少将の指揮下におかれた。核物理学者のロバート・オッペンハイマーは、実際の爆弾を設計したロスアラモス研究所の所長であった。陸軍のプロジェクトは、最初の本部がマンハッタンにあったことからマンハッタン地区と呼ばれた。この地名は、プロジェクト全体の公式コードネームである「代替材料開発」に次第に取って代わられるようになった。このプロジェクトは、イギリスの「チューブ・アロイズ」を吸収する形で発足した。マンハッタン計画は1939年にささやかに始まったが、13万人以上を雇用し、20億ドル（2019年の約230億ドルに相当）近くの費用をかけるまでに成長した。費用の90％以上は工場の建設と核分裂性物質の生産に充てられ、兵器の開発と生産には10％以下であった。研究と生産は、アメリカ、イギリス、カナダの30以上の拠点で行われた。

戦争中、2種類の原子爆弾が同時に開発された。比較的単純なガンバレル型核分裂兵器と、より複雑なインプロージョン型核兵器である。シンマン（訳注：Mark２シンマン）のガンバレル型は、プルトニウムを使うには実用的でないことが分かった。そこで、天然ウランの0.7パーセントしかない同位体ウラン235を使った、より単純なガンバレル型「リトルボーイ」が開発されたのである。このウラン235は、最も一般的な同位体であるウラン238と化学的に同一で、質量もほぼ同じであるため、両者の分離は困難であった。ウラン濃縮には、電磁法、気体法、熱法の3つの方法が採用された。この研究のほとんどは、テネシー州オークリッジにあるクリントン技術者工場で行われた。

ウランの生産と並行して、1940年にカリフォルニア大学バークレー校の研究者が発見したプルトニウムの生産にも取り組んだ。1942年にシカゴ大学冶金研究所で世界初の人工原子炉「シカゴパイル1号」が実現した後、オークリッジの「X-10黒鉛炉」とワシントン州ハンフォードの生産炉を設計し、ウランに照射してプルトニウムに転換する。プルトニウムはその後、リン酸ビスマス法でウランから化学的に分離された。「ファットマン」は、ロスアラモス研究所が総力を挙げて設計・開発したプルトニウム・インプロージョン兵器である。

このプロジェクトは、ドイツの核兵器計画に関する情報収集の任務も担っていた。アルソス作戦を通じて、マンハッタン計画の職員はヨーロッパで、時には敵陣の背後で、核物質や文書を収集し、ドイツの科学者を検挙した。マンハッタン計画の警備は厳重であったが、ソ連の原子爆弾スパイが侵入することに成功した。最初の核兵器は、1945年7月16日にニューメキシコ州のアラモゴード爆撃・砲撃場で行われたトリニティ実験によるインプロージョン型爆弾でした。リトルボーイとファットマンという爆弾は、その1ヵ月後に広島と長崎への原爆投下でそれぞれ使用され、マンハッタン計画の職員は爆弾の組み立て技術者として、また攻撃機の武器管制官として活躍した。戦後間もない時期、マンハッタン計画はクロスロード作戦の一環としてビキニ環礁で兵器実験を行い、新兵器の開発、国立研究所網の整備を進め、放射線医学研究の支援、核海軍の基礎作りを行った。1947年1月にアメリカ原子力委員会が設立されるまで、アメリカの原子兵器の研究・製造に関する統制を維持した。

起源

1938年にドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが核分裂を発見し、リーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュがその理論的説明を行ったことにより、原子爆弾の開発が理論的に可能になったのである。特にナチス・ドイツなどファシズムの国からの難民であった科学者の間では、ドイツの原爆計画が先に開発されるのではないかという懸念があった。1939年8月、ハンガリー生まれの物理学者、レオ・シラードとユージン・ヴィグナーは、「新型の極めて強力な爆弾」の開発の可能性を警告する「アインシュタイン＝シラード書簡」を起草した。この書簡は、「新型の極めて強力な爆弾」の開発の可能性を警告し、アメリカにウラン鉱石の備蓄と、エンリコ・フェルミらによる核連鎖反応の研究の加速を求めたものである。彼らは、アルバート・アインシュタインの署名入りでフランクリン・D・ルーズヴェルト大統領に届けた。ルーズヴェルト大統領は、この書簡が提起した問題を調査するため、国立標準局のライマン・ブリッグスをウランに関する諮問委員会の委員長に任命した。ブリッグスは1939年10月21日に会議を開き、シラード、ウィグナー、エドワード・テラーらが出席した。委員会は11月、ルーズヴェルト大統領に、ウランは「現在知られているものよりはるかに大きな破壊力を持つ爆弾の製造源となる可能性がある」と報告した。

1940年2月、アメリカ海軍はコロンビア大学に6,000ドルの資金を与え、エンリコ・フェルミとシラードはそのほとんどを黒鉛（グラファイト）の購入に充てた。フェルミ、シラード、ユージン・T・ブース、ジョン・ダニングを含むコロンビア大学の教授のチームは、アメリカ大陸で初めて核分裂反応を起こし、ハーンとシュトラスマンの仕事を検証した。同じチームがその後、コロンビアのピュパンホールに一連の原型原子炉（フェルミが言うところの「パイル」）を建設したが、連鎖反応はまだ達成できていない。ブリッグスは、ウラン、特にウラン235の同位体と、1940年にカリフォルニア大学で発見されたプルトニウムの研究に16万7000ドルを支出することを提案した。1941年6月28日、ルーズヴェルトは大統領令8807号に署名し、ヴァネヴァー・ブッシュを長官とする科学研究開発局（OSRD）を創設した。このオフィスには、研究だけでなく、大規模な工学的プロジェクトにも取り組む権限が与えられていた。ウランに関するNDRC委員会は、OSRDのS-1セクションとなり、安全保障上の理由から「ウラン」という言葉は使われなくなった。英国では、バーミンガム大学のフリッシュとルドルフ・パイエルスが、1939年6月にウラン235の臨界量を調べるという画期的な成果を上げていた。計算の結果、臨界量は10キログラム（22ポンド）の1桁以内に収まり、当時の爆撃機で運べる大きさであることが分かった。1940年3月のフリッシュ＝パイエルス手記は、イギリスの原爆計画とそのMAUD委員会を発足させ、満場一致で原爆開発の推進を勧告した。1940年7月、イギリスはアメリカに科学研究へのアクセスを提供し、ティザード調査団のジョン・コッククロフトはアメリカの科学者にイギリスの開発状況を報告した。彼は、アメリカのプロジェクトがイギリスよりも小規模であり、それほど進んでいないことを発見した。

科学交流の一環として、MAUD委員会の調査結果はアメリカに伝えられた。そのメンバーの一人、オーストラリアの物理学者マーク・オリファントは、1941年8月末に渡米し、MAUD委員会から提供されたデータがアメリカの主要物理学者の手元に届いていないことを知った。そこでオリファントさんは、なぜMAUD委員会の発表が無視されているのか、その理由を探った。そして、ウラン委員会に会い、バークレーを訪れ、アーネスト・O・ローレンスに説得を試みた。ローレンスは、この話を聞いて大いに感心し、自らもウランの研究を始めることになった。ローレンスは感銘を受け、ウランの研究を始めることになった。オリファントの任務は成功し、アメリカの主要な物理学者たちは、原子爆弾の潜在的な威力を知ることになったのである。

1941年10月9日、ルーズヴェルト大統領は、ヴァネヴァー・ブッシュとヘンリー・A・ウォレス副大統領との会議を開き、原子爆弾計画を承認した。この計画を管理するために、彼は一度も会議に出席していないが、ウォレス、ブッシュ、コナント、陸軍長官ヘンリー・L・スティムソン、陸軍参謀総長ジョージ・C・マーシャルからなる最高政策グループを創設した。ルーズヴェルトが海軍ではなく陸軍を選んだのは、陸軍の方が大規模な建設プロジェクトの運営経験が豊富であったからである。10月11日には、チャーチル首相にメッセージを送り、原爆に関する連絡を取り合うことを提案している。

実現可能性

提案

1941年12月18日、真珠湾攻撃とそれに続くアメリカの対日、対独宣戦布告を受け、「熱気と緊迫した雰囲気の中で」S-1委員会が開催された。そこでは、ウラン235をより豊富なウラン238から分離するために、3種類の同位体分離の技術が研究されていた。カリフォルニア大学のローレンスたちは電磁分離法を、コロンビア大学のエガー・マーフリーとジェシー・ウェイクフィールド・ビームスのチームは気体拡散法を、フィリップ・アベルソンはワシントン・カーネギー研究所と後の海軍研究所で熱拡散法の研究を指導していた。また、マーフリーは気体遠心分離機を使った分離プロジェクトの責任者であったが、失敗している。

一方、原子炉技術の研究には2つのラインがあり、ハロルド・ユーレイはコロンビア大学で重水の研究を続け、アーサー・コンプトンは自分の監督の下で働いていた科学者をコロンビア大学、カリフォルニア大学、プリンストン大学からシカゴ大学のチームに参加させ、1942年初めに冶金研究所を組織してプルトニウムと中性子減速材として黒鉛を使った原子炉の研究を行っていた。ブリッグス、コンプトン、ローレンス、マーフリー、ユーレイは1942年5月23日に会合を開き、5つの技術すべてを追求するよう求めるS-1委員会の勧告を最終的に決定した。これはブッシュ、コナント、そして核問題に関する陸軍の代表に指名されていたブレホン・B・サマーベル少将の補給部参謀長ウィルヘルム・D・スタイヤー准将によって承認された。ブッシュとコナントは次に、1943会計年度に陸軍工兵隊の建設に5400万ドル、OSRDの研究開発に3100万ドル、不測の事態に500万ドルの予算案とともにトップ・ポリシー・グループへこの勧告を持ち込んだ。トップ・ポリシー・グループは、これを1942年6月17日に大統領に送り、大統領は文書に「OK FDR」と書いて承認している。

爆弾の設計コンセプト

コンプトンは、カリフォルニア大学の理論物理学者J・ロバート・オッペンハイマーに、臨界量と兵器の爆発計算の鍵となる高速中性子計算の研究を、1942年5月18日に作戦保安の甘さを懸念して退職したグレゴリー・ブライトから引き継ぐように要請した。冶金研究所の物理学者であるジョン・H・マンリーは、国内に散在する実験物理学グループと連絡を取り調整することでオッペンハイマーを支援するよう命じられた。オッペンハイマーとイリノイ大学のロバート・サーバーは、核連鎖反応において中性子がどのように移動するかという中性子拡散の問題と、連鎖反応によって生じる爆発がどのように振舞うかという流体力学の問題を検討した。この研究と核分裂反応の一般理論を検討するために、オッペンハイマーとフェルミは1942年6月にシカゴ大学で、7月にカリフォルニア大学で、理論物理学者のハンス・ベーテ、ジョン・ヴァン・フレック、エドワード・テラー、エミール・コノピンスキー、ロバート・サーバー、スタン・フランケル、エルドレッド・C・ネルソン（後の3人はオッペンハイマーの元学生）、実験物理学者のエミリオ・セグレ、フェリックス・ブロック、フランコ・ラセッティ、ジョン・ヘンリー・マントリー、エドウィン・マクミランと会議を開いた。彼らは、核分裂爆弾が理論的に可能であることを一応確認した。

まだ未知の要素がたくさんあった。純粋なウラン235の性質は比較的未知であったし、プルトニウムも1941年2月にグレン・シーボーグとそのチームによって発見されたばかりの元素であった。バークレー会議（1942年7月）では、ウラン235が核分裂して放出する中性子をウラン238原子が吸収してプルトニウムを作ることを想定していた。この時点では、原子炉は建設されておらず、セントルイスのワシントン大学などのサイクロトロンからごく少量のプルトニウムが得られるだけであった。1943年12月になっても、わずか2ミリグラムしか生産されていなかった。核分裂性物質を臨界量にする方法はたくさんあった。最も単純なものは、「円筒形プラグ」を「活性物質」の球の中に「タンパー」（中性子を内側に集中させ、反応する塊を一緒にして効率を上げる高密度物質）とともに撃ち込むものであった。彼らはまた、球体、リチャード・C・トルマンが提案した「インプロージョン」の原型、爆発するにつれて爆弾の効率を高める自己触媒法の可能性などを含む設計も検討した。