自発的核分裂の苦悩
プルトニウム２３９を生産する原子炉の運転をはじめると、大量の中性子が原子炉内に充満します。前回話したように、ウラン２３８の原子核が、中性子１個を吸収すればプルトニウム２３９がつくられます。さらに、中性子を２個吸収して予期しなかったプルトニウム２４０もつくられます。このプルトニウム２４０の原子核は、中性子を衝突させないでも、自分で核分裂して中性子を放出する確率が異常に大きいことがわかりました。このように、自分で核分裂することを「自発的核分裂」と言います。ウラン２３５やプルトニウム２３９の原子核も自発的核分裂をしますが、プルトニウム２４０の数百万分の１という小さな確率でしか起こらないので、問題になりませんでした。盛んに自発的核分裂をするプルトニウム２４０が含まれていると、「砲身式」と呼ばれる広島原爆の方式では、原爆がうまく作れないことがわかりました。
未熟核爆発
砲身式原爆では、臨界量よりも少ない２つの未臨界の部分を爆薬で急接近させ、合体して臨界量を十分超えた段階でイニシエーターから中性子を入射させて核分裂の連鎖反応を始めさせるやり方でした。プルトニウム２４０が含まれていると、自発的核分裂の中性子によって、２つの未臨界部分が合体する直前に、連鎖反応が始まってしまいます。その場合、核分裂による中性子の増殖率は小さく、十分な連鎖反応になりません。そのため「未熟核爆発」と呼ばれる小さな爆発で終わってしまいます。
中性子の増殖率
プルトニウム２３９の原子核の核分裂が起こって、中性子が２個〜３個放出されるので、平均して２・５個放出されるとします。核分裂するプルトニウムの塊が臨界量を十分大きく超えておれば、最初の核分裂で放出されたほとんどの中性子はこの塊から逃げ出さないでプルトニウムに吸収されて次の核分裂を引き起こします。その場合、たとえば平均０・５個がプルトニウムの塊から逃げていき、残りの２個の中性子が２個のプルトニウム２３９の原子核に吸収されるとします。この場合に増殖率は２といいます。増殖率が２で核分裂の連鎖反応が始まった場合を考えると、最初の核分裂が起き、放出された中性子が高速で走って、次の２代目の核分裂を起こすまでの時間は、平均１億分の１秒程度という短い時間です。２代目の２つの原子核の核分裂でつくられた中性子が、再び平均１億分の１秒で次の、すなわち３代目の核分裂を起こし、２×２＝４個の中性子がつくられます。こうしてこのステップを８１回繰り返すと２×２×２×‥‥×２と増殖率の２を８１回かけ合わせることになり、その数は約２兆×１兆個になります。この数は、長崎原爆で約１?`?cのプルトニウム２３９が核分裂した個数に相当します。１?`?cのプルトニウムが核分裂を起こすと高性能爆薬トリニトロ・トルエン（ＴＮＴ）２万?dが爆発したときに生じるエネルギーと同じになります。この時の連鎖反応が続いた時間は核分裂が何世代続いたかですから、１億分の１秒の８１倍、すなわち約１００万分の１秒です。
ところで、プルトニウム２４０が含まれていて、自発的核分裂を起こして中性子が放出されると、プルトニウムの２つの未臨界の部分は、まだ十分合体する前ですから、中性子の増殖率は１をわずかに超えた程度です。そうなると、核分裂の連鎖反応が大きく立ち上がる前に、核分裂で生じたエネルギーによって温度と圧力が急上昇して、小さな爆発が起こり、合体しかけたプルトニウムをバラバラにして、臨界量以下にしてしまうので、連鎖反応はストップします。これが「未熟核爆発」です。
爆縮式のアイディア
「未熟核爆発」の困難が問題になると、すでに１９４３年４月に実験物理学者ネッダーマイヤーが提案していた「爆縮式」というアイディアが浮上しました。
爆縮式は図のように臨界量よりわずかに下回るプルトニウム２３９をコアピットと呼ばれる球状の中空の塊にして真ん中におきます。中空の部分には中性子源のイニシエーターをはめ込みます。コアピットのまわりを天然ウランのタンパーで囲み、さらにその外側を火薬で囲みます。周囲の点火栓でいっせいに点火して火薬を爆発させたとき、爆発波が天然ウランのタンパーを同時に、しかも均一に圧縮するように、図の「爆縮レンズ」と呼ばれる構造が工夫されました。図ではタンパーを８個の爆縮レンズが取り囲んでいます。タンパーの中を衝撃波は球面をつくって中心に向かうので、プルトニウム球を押しつぶし、中空も潰され、中性子源を包んだアルミ箔が破れて中性子が飛び出します。このときは、コアピットの中空がなくなり、圧縮されて原子核の間隔が縮まるので、プルトニウムは一気に臨界量を大きく超え、瞬間的に核分裂の連鎖反応が始まります。タンパーは連鎖反応が少しでも世代数を重ねるように、核分裂を始めたプルトニウムを押しとどめておく役割も持ちます。
史上初の核実験
爆縮レンズがうまく働くかどうかの最終テストは１９４５年の５月に行われました。複雑な爆縮式の原爆は実際のプルトニウムで試験する必要がありました。１９４５年７月１６日、史上初めての「トリニティ」と名付けられた原爆実験がニューメキシコ州の砂漠で行われ、爆縮式が予想以上に効果的であることを確認しました。
