マンハッタン計画⑤プルトニウム

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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
プルトニウム
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最後に

マンハッタン計画の第二の開発は、核分裂性元素のプルトニウムを利用したものである。プルトニウムは自然界にも少量存在するが、大量に得るには原子炉で天然ウランに中性子を照射するのが最も効率がよい。ウラン238はウラン239に変換され、急速に崩壊して、まずネプツニウム239になり、次にプルトニウム239になる。ウラン238のうち変換されるのはごくわずかなので、プルトニウムは残りのウラン、初期の不純物、核分裂生成物から化学的に分離されなければならない。

X-10 グラファイト・リアクター

年3月、デュポン社はオークリッジの112エーカー（0.5キロ平方メートル）の敷地に、プルトニウム工場の建設を始めた。ハンフォードの大規模生産施設のパイロットプラントとして、空冷式のX-10黒鉛（グラファイト）炉、化学分離プラント、支援施設などが建設された。その後、ハンフォードでは水冷式原子炉の建設が決定されたため、化学分離プラントのみが真のパイロットプラントとして稼動した。X-10黒鉛炉は、一辺が24フィート（7.3m）、重さ約1500ショートトン（1400トン）の巨大な黒鉛のブロックを、放射線遮蔽のため7フィート（2.1m）の高密度コンクリートに囲んだものであった。

最も困難だったのは、マリンクロッド社やメタルハイドライド社が製造したウラン弾である。このスラグは、腐食や核分裂生成物の冷却装置への流出を防ぐために、何とかアルミニウムでコーティングする必要があった。グラセリ・ケミカル社は、熱間浸漬法の開発を試みたが、成功しなかった。一方、アルコア社は缶詰を試みた。フラックスレス溶接の新プロセスを開発し、標準的な真空テストでは97％の缶が合格したが、高温テストでは50％以上の不合格率が示された。それでも、1943年6月から生産が始まった。結局、冶金研究所はゼネラル・エレクトリック社の協力を得て、改良した溶接技術を開発し、1943年10月に生産工程に組み入れた。

フェルミとコンプトンが見守る中、X-10黒鉛炉は1943年11月4日、約30ショートトン（27トン）のウランで臨界に達した。その1週間後、装荷量を36トン（33トン）に増やして発電量を500kWに上げ、その月の終わりには最初のプルトニウム500mgを作り出した。その後、改良を重ね、1944年7月には4000kWに増強された。X-10は1945年1月まで生産工場として稼働し、その後、研究活動に引き継がれた。

ハンフォードの原子炉

オークリッジの原子炉は、迅速な建設ができるように空冷式が選ばれたが、はるかに大きな生産用原子炉には実用的でないことが認識された。冶金研究所とデュポン社による初期の設計では、冷却にヘリウムを使用していたが、水冷式原子炉の方がよりシンプルで安価、かつ迅速に建設できると判断された。その間にマティアスは、宿泊施設の建設、道路の整備、鉄道の切り替え線の建設、電気、水道、電話線の整備など、ハンフォード用地の改善に集中した。

オークリッジと同様、最も苦労したのは、1944年3月にハンフォードで始まったウラン・スラグの缶詰加工である。汚れや不純物を取り除くために酸洗し、溶けた青銅、スズ、アルミニウム・シリコン合金に浸し、油圧プレスで缶詰にし、アルゴン気体下でアーク溶接でキャップした。そしていよいよ、穴や溶接の不良を発見するためのテストが始まった。しかし、ほとんどの缶詰が不合格となり、1日当たりわずかな缶詰しか生産できなかった。しかし、順調に生産が進み、1944年6月には、予定通り8月にB炉を稼働させるのに十分な量のスラグ缶を生産できるまでになった。

1943年10月10日、250MWの原子炉6基のうち最初の原子炉であるB炉の建設が始まった。原子炉群にはAからFの文字が与えられ、原子炉間の距離を最大にするため、B、D、Fの場所が最初に開発されることになった。マンハッタン計画で建設されたのは、これだけである。高さ120フィート（37m）の建物の建設には、約390トン（350t）の鋼鉄、1万7400立方ヤード（1万3300m³）のコンクリート、5万個のコンクリートブロック、7万1千個のコンクリートレンガが使われた。

コンプトン、マティアス、デュポンのクロフォード・グリーンウォルト、レオナ・ウッズ、そして最初のスラグを挿入したフェルミが見守る中、1944年9月13日から原子炉の電源が投入された。その後数日間で、838本のチューブが装填され、原子炉は臨界に達した。9月27日の真夜中過ぎに、運転員たちは生産を開始するために制御棒の引き抜きを開始した。最初はすべてが順調に見えたが、3時ごろから出力レベルが下がり始め、6時半には原子炉が完全に停止した。冷却水の漏れや汚染がないかどうかが調査された。翌日、原子炉は再び起動したが、またもや停止してしまった。

フェルミは呉健雄に連絡し、原因を半減期9.2時間のキセノン135による中性子毒と突き止めた。フェルミ、ウッズ、ヒューズ、ホイーラーの4人は、キセノン135の核断面積を計算し、その値はウランの3万倍であることを突き止めた。デュポン社の技術者ジョージ・グレーヴス氏は、冶金研究所が最初に設計した1500本の管を円形に並べた原子炉から逸脱し、さらに504本の管を追加して角を埋めていた。しかし、フェルミは、2004本のチューブを全部積めば、必要な出力に達し、効率よくプルトニウムを生産できることに気がついた。D号炉は1944年12月17日に、F号炉は1945年2月25日に運転を開始した。

分離の過程

一方、化学者たちは、化学的性質が分からないプルトニウムを、どうやってウランから分離するかという問題を考えていた。1942年、冶金研究所にあった微量のプルトニウムを使って、チャールズ・M・クーパー氏率いるチームは、ウランとプルトニウムを分離するフッ化ランタン法を開発し、パイロット分離プラントにはこれが選ばれた。その後、シーボーグとスタンリー・G・トムソンによって、第2の分離法であるリン酸ビスマス法が開発された。このプロセスは、リン酸ビスマスの溶液中でプルトニウムの酸化状態を+4と+6の間で切り替えるというものであった。前者ではプルトニウムは沈殿し、後者では溶液中に留まり、他の生成物が沈殿した。

グリーンウォルト氏は、フッ化ランタンが腐食しやすいという理由でリン酸ビスマス法を支持し、ハンフォードの分離工場に採用された。X-10がプルトニウムの生産を開始すると、パイロット分離プラントがテストに投入された。最初のバッチは40%の効率で処理されたが、次の数ヶ月でこれは90%まで引き上げられた。

ハンフォードでは、当初、300地区の設備が最優先された。ここには、材料の試験、ウランの準備、計測器の組み立てと校正を行う建物があった。そのうちの1棟には、ウラン・スラグの缶詰装置があり、もう1棟には小型の試験炉があった。しかし、300地区の施設は特殊で複雑な上、戦時下で人手や資材が不足していたため、工事は予定より遅れた。

初期の計画では、西200地区と東200地区と呼ばれる地域にそれぞれ2つの分離プラントを建設することになっていた。その後、西200地区にTプラントとUプラントの2基、東200地区にBプラントの1基が建設されることになった。各分離工場は、プロセスセル棟または「カンヨン」（通称221）、濃縮棟（224）、精製棟（231）、マガジンストア（213）の4棟から構成されていた。渓谷はそれぞれ長さ800フィート（240メートル）、幅65フィート（20メートル）であった。それぞれは17.7×13×20フィート（5.4×4.0×6.1メートル）の40個のセルで構成されていた。

1944年1月に221-Tと221-Uの建設が始まり、9月に前者が、12月に後者が完成した。221-Bは1945年3月に続いて完成した。放射能が高いため、分離工場での作業はすべて閉回路テレビを使った遠隔操作で行わなければならなかったが、これは1943年当時としては前代未聞のことであった。メンテナンスは、天井クレーンと専用工具を使って行われた。224号棟は、処理する物質が少なく、放射性物質も少なかったので、規模が小さかった。224-Tと224-Uは1944年10月8日に完成し、224-Bは1945年2月10日に続いて完成した。231-Wで最終的に使用される精製方法は、1944年4月8日の着工時点ではまだ不明だったが、年末にはプラントが完成し、方法が決定された。1945年2月5日、マティアスは最初の出荷品である純度95％の硝酸プルトニウム80gをロサンゼルスのロスアラモス社の宅配便に手渡した。

武器デザイン（プロジェクトY）

1943年、シンマンと呼ばれるプルトニウムを使用したガンバレル型核分裂兵器の開発が進められた。プルトニウムの特性に関する初期の研究は、サイクロトロンで生成されたプルトニウム239を使って行われたが、これは非常に純度が高いものの、ごく少量しか作れなかった。ロスアラモス研究所は1944年4月にクリントンX-10炉から最初のプルトニウムのサンプルを受け取り、数日のうちにエミリオ・セグレは問題を発見した。原子炉で作られたプルトニウムはプルトニウム240の濃度が高く、サイクロトロンプルトニウムの最大5倍の自発核分裂率になってしまった。シーボーグは1943年3月、プルトニウム239の一部が中性子を吸収してプルトニウム240になることを正しく予言していた。

このため、原子炉のプルトニウムはガンバレル型兵器に使うには適さない。プルトニウム240は連鎖反応を早く開始しすぎて前爆発を起こし、最小限のプルトニウムを反応させて臨界量を分散させるのに十分なエネルギーを放出することになる。より高速の銃が提案されたが、現実的でないことがわかった。同位体を分離する可能性も検討されたが、プルトニウム240とプルトニウム239を分離するのは、ウラン238からウラン235を分離するよりもさらに難しいので、却下された。

インプロージョン（爆縮）と呼ばれる別の爆弾設計法の研究は、物理学者セス・ネダーマイヤーの指導の下、早くから始まっていた。爆縮は、核分裂性物質の臨界前の球体をより小さく、より高密度にするために爆薬を使うものである。核分裂性原子がより近くに詰められると、中性子の捕獲率が上がり、質量は臨界量になる。金属は非常に短い距離しか移動する必要がないので、銃の方法よりもはるかに短時間で臨界量を組み立てることができる。ネダーマイヤーの1943年と1944年初期の爆縮に関する調査は有望であったが、同時にこの問題が理論的にも工学的にもガンバレルの設計よりはるかに困難であることを明らかにした。1943年9月、徹甲弾に使用される成形弾の経験を持つジョン・フォン・ノイマンは、インプロージョンは前爆発や発泡の危険を減らすだけでなく、核分裂性物質をより効率的に使用することができると主張した。彼は、ネダーマイヤーが研究していた円筒形ではなく、球形にすることを提案した。

1944年7月までに、オッペンハイマーはプルトニウムを銃の設計に使うことはできないと結論付け、インプロージョンを選択することにした。1944年8月、オッペンハイマーがロスアラモス研究所を大規模に改組し、爆縮に焦点を当てることにしたとき、コードネーム「ファットマン」と呼ばれるインプロージョン設計の加速的な取り組みが始まった。インプロージョン兵器を開発するためにロスアラモス研究所に2つの新しいグループ、インプロージョン専門家ジョージ・キスティアコウスキーの率いるX（インプロージョン）部門とロバート・バッチャーの率いるG（ガジェット）部門が作られた。フォン・ノイマンとT（理論）部門、特にルドルフ・パイエルスが考案した新しい設計は、低速と高速の両方の高火力を組み合わせて、爆発を球状に集中させる爆発レンズであった。

しかし、適切な形状と速度で爆発するレンズの設計は、時間がかかり、難しく、挫折しそうになる。様々な爆薬を試し、速爆薬はコンポジションB、遅爆薬はバラトールに決定した。最終的には、六角形が20個、五角形が12個、それぞれ36kgの重さのサッカーボールのような形状になった。起爆を正確に行うには、高速で信頼性が高く安全な電気起爆装置が必要で、信頼性を高めるために各レンズに2個ずつ用意した。そこで、ロスアラモス研究所でルイス・アルバレスが中心となって開発した新発明、インプロージョン型ブリッジワイヤー雷管を使用することになった。その製造はレイセオン社が請け負うことになった。

収束する衝撃波の挙動を研究するために、ロバート・サーバーは短寿命の放射性同位元素であるランタン140を使用したRaLa（訳注：放射性ランタンの略）実験を考案し、強力なガンマ線源とした。このガンマ線源は、金属球の中心に置かれ、その周りをインプロージョンレンズが取り囲み、さらにそのレンズは電離箱の中に入っていた。これにより、爆縮の様子をX線動画で撮影することができた。レンズの設計は、主にこの一連の実験によって行われた。ホーキンス氏は、ロスアラモス計画の歴史の中で、「RaLaは、最終的な爆弾の設計に影響を与える最も重要な実験となった」と書いている。

爆薬の中には厚さ4.5インチ（110mm）のアルミニウム製プッシャーがあり、比較的低密度の爆薬から次の層である厚さ3インチ（76mm）の天然ウランのタンパーへとスムーズに移行できるようになっている。このプッシャーは、臨界量をできるだけ長く保持するのが主な仕事だが、中性子を炉心に反射させる役割もある。その一部が核分裂することもある。外部からの中性子による前爆発を防ぐため、タンパーはボロンの薄い層で覆われていた。そして、この連鎖反応をタイミングよく起こすために開発されたのが、ポロニウム・ベリリウム変調型中性子発生装置（形状がウニに似ていることから「ウニ」と呼ばれる）である。この放射性ポロニウムの化学と冶金に関する研究は、モンサント社のチャールズ・アレン・トーマスによって指揮され、「デイトン計画」と呼ばれるようになった。実験には1ヵ月に500キュリーのポロニウムが必要で、モンサント社はこれを供給することができた。このポロニウム爆弾は、銃弾や対空砲火から守るため、ジュラルミン製の爆弾ケーシングに入れられた。

冶金学者たちの究極の課題は、プルトニウムをいかにして球体に鋳造するかということであった。その難しさは、プルトニウムの密度を測定しようとしたときに、一貫性のない結果が出たときに明らかになった。当初は汚染が原因と考えられたが、やがてプルトニウムには複数の同位体があることが判明した。室温では脆いα相が、高温になると塑性変形するβ相に変化する。その後、300℃から450℃の領域に通常存在する、さらに可鍛性の高いδ相に注意が移っていった。これはアルミニウムと合金にすると室温で安定することがわかったが、アルミニウムはα粒子を受けると中性子を放出するため、着火前の問題を悪化させることになる。そこで冶金学者たちは、プルトニウムとガリウムの合金を開発した。この合金は、δ相を安定させ、ホットプレスで目的の球状に仕上げることができる。プルトニウムは腐食しやすいので、球体はニッケルでコーティングされた。

この作業は危険であることがわかった。戦争末期には、経験豊富な化学者と冶金学者の半数が、尿中に許容できないほど高いレベルのプルトニウムが検出されたため、プルトニウムを扱う仕事から外さざるを得なくなった。1945年1月、ロスアラモスで小さな火災が発生し、プルトニウム研究所の火災が町全体を汚染するのではないかという懸念が生まれ、グローヴスはプルトニウム化学と冶金のための新しい施設の建設を許可し、それがDPサイトと呼ばれるようになった。最初のプルトニウム・ピット（またはコア）用の半球が製造され、1945年7月2日に引き渡された。さらに3つの半球が7月23日に続き、3日後に引き渡された。

トリニティ

インプロージョン型兵器は複雑なため、核分裂性物質を浪費するにもかかわらず、最初のテストが必要であると判断された。グローヴスは、活性物質を回収することを条件に、この実験を承認した。そのため、制御された爆発が検討されたが、オッペンハイマーは代わりにコードネーム「トリニティ」と呼ばれる本格的な核実験を選択した。

1944年3月、実験の計画は、キスティアコウスキーの部下であるハーバード大学の物理学教授、ケネス・ベインブリッジに任された。ベインブリッジは、アラモゴード陸軍飛行場近くの爆撃場を実験場として選択した。ベインブリッジは、サミュエル・P・ダバロス大尉と共に、トリニティ・ベース・キャンプとその施設（兵舎、倉庫、作業場、火薬庫、配給所など）の建設に携わった。

グローヴスは、上院の委員会で10億ドル相当のプルトニウムが失われたことを説明するのを嫌った。そこで、失敗した場合に活性物質を回収するために、コードネーム「ジャンボ」と呼ばれる円筒形の格納容器が建設された。長さ25フィート（7.6メートル）、幅12フィート（3.7メートル）のこの容器は、オハイオ州バーバートンのバブコック＆ウィルコックス社が、214トンもの鉄と鋼鉄を使い、大金をかけて製造したものである。特殊な鉄道車両でニューメキシコ州ポープにあるサイディングに運ばれた後、トラクター2台が牽引するトレーラーで試験場まで40kmの道のりを運ばれてきた。しかし、到着した時には、インプロージョン方式に対する信頼は十分に高まっており、プルトニウムも十分に入手できたので、オッペンハイマーはこれを使用しないことに決めた。その代わりに、爆発がどの程度の威力になるかを大まかに測るために、兵器から800ヤード（730メートル）離れた鉄塔の上に置かれたのである。結局、ジャンボは生き残ったものの、鉄塔は生き残らなかった。ジャンボは爆発をうまく封じ込めただろうという説に信憑性を持たせた。

1945年5月7日、測定器の校正のため事前テストの爆発が行われた。グラウンドゼロから800ヤード（730メートル）離れた場所に木製の実験台が建てられ、ハンフォード産の照射済みウラン片に核分裂生成物を混ぜたTNT100短トン（91トン）が積まれ、溶解して爆発装置内のチューブに流し込まれた。この爆発は、オッペンハイマーとグローヴスの新副司令官トーマス・ファレル准将によって目撃された。この事前テストは、トリニティ実験に不可欠なデータをもたらした。

実際の実験では、「ガジェット」と呼ばれる兵器は、100フィート（30メートル）の鉄塔の頂上に吊るされた。その高さで爆発させれば、爆撃機から落としたときに兵器がどうなるかをよりよく示すことができるからである。空中で爆発させることで、目標に直接エネルギーを与えることができ、放射性降下物の発生も少なくなる。この装置は、7月13日に近くのマクドナルド・ランチ・ハウスでノリス・ブラッドベリ氏の監督の下に組み立てられ、翌日には不安定な状態でウィンチでタワーに吊り上げられた。観測者には、ブッシュ、チャドウィック、コナント、ファレル、フェルミ、グローブス、ローレンス、オッペンハイマー、トルマンが含まれていた。1945年7月16日5時30分、この装置はTNT20キロトンに相当するエネルギーで爆発し、幅250フィート（76m）のトリニタイト（放射性ガラス）のクレーターを砂漠に残した。衝撃波は100マイル（160km）以上離れたところでも感じられ、キノコ雲は高さ7.5マイル（12.1km）にまで達した。テキサス州エルパソまで聞こえたので、グローヴスはアラモゴード飛行場の弾薬庫の爆発というカバーストーリーを発表した。

オッペンハイマーは後に、爆発を目撃しながら、ヒンズー教の聖典『バガヴァッド・ギーター』（XI,12）の一節を思い浮かべたと回想している。

कालोऽस्मि लोकक्षयकृत्प्रवृद्धो लोकान्समाहर्तुमिह प्रवृत्तः। ऋतेऽपि त्वां न भविष्यन्ति सर्वे येऽवस्थिताः प्रत्यनीकेषु योधाः॥११- もし、千の太陽の輝きが一度に空にはじけ飛んだとしたら。それは、強大な者の輝きのようなものだろう。

後年、彼は、このとき別の一節も頭に浮かんだと説明する。

私たちは、世界が同じでないことを知っていた。何人かの人は笑い、何人かの人は泣いた。ほとんどの人は黙っていた。ヒンズー教の経典『バガヴァッド・ギーター』の一節を思い出した。ヴィシュヌが王子に自分の義務を果たすよう説得し、彼を感化するために多腕の姿になって、「今私は死、世界の破壊者となる」と言うのだ。皆、一応はそう思っていたのだろう。

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