ファットマン

この項目では、原子爆弾について説明しています。そのほかのファットマンについては「ファットマン (曖昧さ回避)」をご覧ください。

ファットマン（Fat Man、「太っている男性」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。

アメリカ民主党の政治家ルーズベルト大統領にちなんだ 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、起伏が無い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。

戦争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ていた。

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（Mk.1。のちのリトルボーイ）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。のちのシンマン）とインプロージョン方式（implosion、爆縮）（Mark.3。のちのファットマン）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・ノイマン等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-Reactorで製造された。

プルトニウム型原爆の実証のため、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ル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的な形状の空中挙動を確かめるため、同形の模擬原子爆弾「パンプキン」（通常爆薬装填）が作られ、投下練習が行われた。

ファットマン型の原爆はまず3発が製造され長崎への投下のほか、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。プルトニウムを生産していたハンフオードの反応炉も中性子照射損傷により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 (核爆弾)の生産は1949年からのことである。

構造

ファットマンの内部構造（全体）

AN 219 接地式の起爆装置
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2500キロもの爆薬が使用されている。その内部にアルミニウム合金プッシャー120kgと天然ウラン120kgの球体があり、中心には6.2kgのデルタ相プルトニウム合金が収まっている。ファットマンの重量の半分以上は爆縮レンズの爆薬である、直径は137.8センチにもなりファットマン（ふとっちょ）という名前の原因になっていた。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センチに収まるほど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
アルミニウム合金プッシャー
天然ウラン(U-238)で出来た中性子反射体(Neutorn Reflector) 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反射波が大きくなり、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ないようにするために必要な装置である。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(Neutorn Reflector) 兼タンパー(Tamper): 核分裂物質から発生した中性子が外側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天然ウランの中性子反射体が必要である。中性子反射体としては厚さ3センチで足りるが、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、1ナノ秒の間押さえるためにある程度の慣性質量が必要であり、そのために7センチの厚さになった。; 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種火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本を掘り込んだものに厚さ0.1ミリの金メッキを施し、さらにポロニウム210、11mg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輻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