主な相違点 – 水素爆弾とウラン爆弾
特殊相対性理論によって、質量、エネルギー、時間などに関する古典的な考え方が完全に変わりました。
有名なアインシュタインの方程式 E= mc2 は、質量とエネルギーの等価性として知られる質量とエネルギーの間の極秘事項を明らかにしました。
この方程式によれば、エネルギーを質量に変換することも、その逆も可能なはずである。
中性子と陽子が結合したり融合したりして原子核になるとき、信じられないほどのエネルギーが放出される。
そのため、出来上がった原子核の質量は、親粒子の質量の合計よりも小さくなります。
この質量の減少は、アインシュタインの方程式で与えられる。
物理学者は、小さな原子核を融合して重い原子核にしたり、重い原子核を制動して軽い原子核にすることで、膨大なエネルギーが発生することに気づいた。
そして、このエネルギーは発電にも大量破壊爆弾の製造にも利用できることに気がついた。
核分裂爆弾に最適な燃料はウランとプルトニウムであり、核融合爆弾に最適な燃料は水素です。
ウラン爆弾はその名の通り、ウランを核分裂性燃料として使用し、水素爆弾は水素を燃料として使用します。
ウラン爆弾では、ウランの原子核が軽い原子核に変わるときにエネルギーが放出されます。
しかし、水素爆弾では、小さな原子核が融合してヘリウム原子核になるときにエネルギーが放出されます。
水素爆弾とウラン爆弾の大きな違いは、ウラン爆弾が核分裂爆弾であるのに対して、水素爆弾は核融合爆弾であることです。
この記事では、水素爆弾とウラン爆弾の違いに焦点を当てます。
水素爆弾とは
軽い原子核が結合して重い原子核になると、できた原子核の質量は親核の質量の合計より小さくなる。
核融合すると、アインシュタイン方程式に従って、この質量減少がエネルギーに変換される。
このエネルギーを使って発電することができる。
しかし、核融合では膨大なエネルギーが放出されるため、残念ながら同じ考え方で核融合爆弾を作ることができる。
核融合燃料として最適な元素は水素です。
水素には、プロチウム、重水素、トリチウムという3つの同位体があります。
しかし、水素はもともと気体の元素です。
核融合反応を起こすには、非常に高い温度と燃料密度を実現する必要があります。
また、水素を液体水素として使用する場合、冷却機構が必要となり、爆弾の重量と容積が増加します。
そこで、水素を固体であるLiD（重水素化リチウム）の形で使用することで、冷却機構を不要にしたのです。
重水素と三重水素は、核融合反応に最適な同位体です。
重水素をLiDとして使用することで、非常に高い燃料密度を達成することができます。
重水素のもう一つの利点は、安定した同位体であることです。
天然に存在する水素中の重水素の存在量は約0.015%です。
ですから、水は重水素の良い供給源なのです。
核融合爆弾では、核融合反応に非常に高い温度（約108K）が必要です。
そこで、このような温度を実現するために、核融合爆弾には核分裂爆弾が使われるのです。
核分裂爆弾を爆発させれば、必要な温度は達成される。
つまり、核融合爆弾には、核融合爆弾に点火するための核分裂爆弾が使われているのです。
核分裂爆弾を爆発させると、核融合反応が始まる。
まず、Li原子核が中性子を吸収してヘリウム原子核に核分裂し、トリチウム原子核＋エネルギーとなる。
次に、重水素原子核がトリチウム原子核と結合してヘリウム原子核となり、中性子とエネルギーが発生する。
つまり、全体の反応は以下の式に短縮されるのです。
D+ Li→ 2He+ エネルギー
上記の核融合反応では、放射性核種は生成されない。
上記の核融合反応で放出される核子あたりのエネルギーは、ウランの核分裂反応よりはるかに大きい。
ウラン爆弾とは
ウランには、ウラン238、ウラン235、ウラン239などいくつかの同位体があります。
しかし、ウラン238は自然界に存在するウランの99.7%を占めています。
ウラン239は非常に不安定なため、半減期が非常に短いのです。
そのため、すぐにプルトニウムに崩壊してしまいます。
ウラン238は最も安定したウランの同位体です。
ウラン235は不安定で、その自然存在量は約0.72%です。
ウラン原子が中性子を吸収すると、2つの核分裂片（2つの小さな原子）と数個の中性子に分解されます。
この核分裂反応では、核分裂片の運動エネルギーや電磁波として、膨大なエネルギーが放出されます。
この中性子が他のウラン原子に吸収されると、連鎖的にウラン235の原子核をどんどん制動していきます。
しかし、その過程で発生した中性子の一部は、ウラン試料から逃げてしまいます。
そのため、それらの逃げていく中性子は核分裂に参加しません。
試料から逃げる中性子の割合は、試料の質量に依存します。
連鎖反応を起こすには、臨界量と呼ばれるウランの閾値があります。
臨界量とは、一度連鎖反応が始まると、それを維持するために必要な核分裂性燃料の最小質量です。
また、ウランが濃縮されていない天然のものであれば、中性子のほとんどはウラン238原子に吸収され（その存在比は約99.7％）、そこからウラン239が生成されます。
つまり、無駄になってしまうのです。
ウラン238に吸収される中性子の数を少なくするためには、ウラン235の割合を増やす必要があります。
この工程をウラン濃縮といいます。
核爆弾は、一瞬にして膨大な核エネルギーを放出することができるはずです。
そのため、ウラン238の中性子脱出量と中性子吸収量をできる限り少なくする必要があります。
そのためには、臨界量よりも大きな質量の高濃縮ウラン（HEU）試料を使用する必要があります。
ウラン爆弾では、ウランを90％近くまで濃縮してウラン-235としています。
現代の核兵器では、連鎖反応を起こす中性子発生装置として、高電圧真空管と小型粒子加速器を組み合わせたものが使用されています。
下図はウラン爆弾の基本構造です。
起爆前のウラン試料は、臨界量以下の質量を持つ2つの部品に分けて保管されます。
この2つの試料の質量の合計が臨界質量を超えます。
この分離により、爆弾は爆発するまで未臨界状態に保たれるのです。
つまり、それぞれの試料の質量が臨界量以下なので、2つの部品が結合するまで爆弾は連鎖反応を維持することができないのです。
まず、通常爆薬（TNT）を爆発させ、それによってウラン弾が突進し、ウランのターゲットと結合します。
結合したウランの質量が臨界量を超えると、連鎖反応により核爆発が起こります。
この爆発は、核分裂片の運動エネルギーと被爆者を焼く放射線という形で、膨大なエネルギーを放出する。
また、生成された核分裂片はほとんど放射性物質です。
ですから、核爆発による放射性降下物には、多くの医学的問題があります。
水素爆弾とウラン爆弾の違い
燃料
ウラン爆弾。
ウラン爆弾は、ウラン235を燃料とする。
水爆。
水素爆弾の燃料は、LiD（重水素リチウム）です。
イニシエーション
ウラン爆弾。
中性子線源を起爆源とする。
水素爆弾。
水素爆弾は、核分裂弾で点火される。
核反応
Uranium bomb: There are several fission paths for. For an example,
Hydrogen Bomb:
第1段階と第2段階を組み合わせると、全体の核融合反応となる。
核子1個あたりに放出されるエネルギー
ウラン爆弾。
エネルギーはウラン235の核分裂の経路に依存する。
上記の核分裂経路の場合、核子あたり放出されるエネルギーは0.70MeVです。
水素爆弾。
重要な要件
ウラン爆弾。
臨界量と中性子源が最も重要な要件です。
水素爆弾。
108K前後の超高温と高い燃料密度が必要。
放射性降下物
ウラン爆弾。
放射性降下物が多い。
Hydrogen bomb: The radioactive fallout is less.
“アイビー・マイク” by The Official CTBTO Photostream – “アイビー・マイク” 大気圏内核実験 – 1952年11月 (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia
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