トップページへ　弾道ミサイル迎撃　ミサイルの弾道　弾道ミサイルの発射　ご意見ください

1 はじめに

　朝鮮民主主義人民共和国（北朝鮮）の朝鮮中央通信が２００３年１月１０日、同国が核

不拡散条約（NPT;   Treaty on the Non-proliferation of Nuclear Weapons）を脱退し、

国際原子力機関（IAEA; International Atomic Energy Agency）との保障措置（核査察）

協定の拘束から完全に脱することを宣言する声明を発表して以来、連日、北朝鮮の核

の脅威が現実味を帯びて論じられている。１月２４日には、石破防衛庁長官は、衆院予

算委員会で、「例えば、『東京を火の海にしてやる』と表明して、その実現のためにミサ

イルに燃料を注入し始めたとすれば、日本への攻撃意図も明白であり、攻撃の着手と

みなして、相手国のミサイル基地を攻撃することも法的には可能」との見解を示した。こ

のような状況下にあって、「核兵器」をキーワードにホームページを検索すると、１０万件

近いものが検索されますが、核兵器を冷静に技術的な視点から解説したサイトはほと

んどありません。そこで、このページでは、核物理学の基礎、核兵器の構造、核兵器の

効果」（威力）及び防護（サバイバル）等について、技術的な側面から解説を試みること

にします。

第１章　 核兵器のための基礎原子物理学

（１）原子の構造

 　図１.１ に元素の中で一番軽い水素原子の模型も示します。

水素原子は、１個の原子核と１個の電子からできています。

天然に存在する原子の中で最も重い原子は、ウラン原子です。

ウラン（uranium 原子番号９２、原子量238.14）。名称は天王星

（uranus）に由来しています。核エネルギーとして重要なもうひと

原子であるプルトニウム（plutonium 原子番号94）は、人工的に

生成されるものです。

　 図1.２ ヘリウム（helium 原子番号 2、原子量4.003）を示します。

図に示すように原子核は、陽子と電気的に中性な中性子からできています。

＜原子番号、質量数、原子量＞

　原子番号（atomic number）は原子核内の陽子の数を示しています。次に示すように

元素記号の左下につけた数字で表します。

        水素：　₁Ｈ        ヘリウム：　₂Ｈｅ        ウラン：　₉₂Ｕ  

質量数（mass number） は原子核内にある陽子の数と中性子の数の和です 。次に示

すように元素記号の左上につけた数字で表します。

        水素：　¹Ｈ        ヘリウム：　⁴Ｈｅ        ウラン：　²³⁸Ｕ  

原子量（atomic weight）は、その原子の平均の質量を原子質量単位で表した数値で

す。

　ただし、酸素 ¹⁶Ｏ に関係づけられた原子質量単位（amu） や酸素の同位体の自然に

存在  する混合物に関係付けられた原子単位（awu）にとって代わって、炭素 ¹²Ｃ の質

量の１/１２ で定義された統一原子質量単位（unified atomic mass weight）が使われて

いる。

＜同位体＞

　同位体（isotope）：　同一の原子番号もつ元素で、質量数が異なる元素を同位体ある

いは同位元素といいます。ひとつの原子では、電気的な釣り合いを保つため、陽子の

数と電子 の数は等しくなっていますが、中性子の数は、何通りかのとり方が可能です。

　天然に存在する元素のうち約７０の元素に同位体があります。同位体は人工的にも作

られますが、それらは”不安定”で”放射性を持つ”同位体です。

　     自然界：　 ウラニウム　　²³⁸Ｕ（99.23%）    ²³⁵Ｕ（0.71%）    ²³⁴Ｕ（0.006%）

    　人工的：　　プルトニウム　²³²Ｐｕ               ²³⁹Ｐｕ               ²⁴¹Ｐｕ

＜エネルギー準位＞

　ある原子の持つ電子は、いくつかの軌道に分かれて収容されていて、その軌道の大

きさに特有のエネルギー状態を持っています。これらの軌道にはＫ殻、Ｌ殻などの名称

が付けられていて、それぞれの軌道に収納可能な電子の数には制約があります。原子

内の電子は、全体のエネルギーが小さい状態になって安定しますから、常にエネルギー

が最も低い状態から詰まってゆきます。そして同一の量子状態 (量子論にしたがって、

原子系の状態を８個の量子数（quantum number）で特徴づけている) に二つの電子が

入ることありえません。これをパウリの排他律（Pauli exclusion principle）といいます。    

各電子の殻の電子の最大収容数を下表に示します。

　表に示したように、各電子は、いくつかの軌道に分かれて回っていて、その軌道の大

きさに対応するエネルギー状態にあります。これをエネルギー準位（energy level）と呼

んでいます。

　また、熱平行状態にある固体から１個の電子を外へ取り出すのに必要なエネルギー

は、フェルミ・エネルギー（Fermi energy） に等しいことが計算されています。ただし、こ

のエネルギーは、核分裂などによって生ずるエネルギーに比べればきわめて小さい値

です。たとえば、水素原子の場合その値は（１３．６ eV）です。ここで、　エネルギー

単位 eV (electron volt;電子ボルト) は、電子に１ボルトの電圧をかけたとき電子が

得るエネルギーです。

（２）結合エネルギー（Binding Energy)

  原子核、例えば 図1.2 に示したヘリウムの原子核は２個の陽子と２個の中性子が強大

な力で結合しています。この力（核力）は、前に述べた電子と陽子に働く電気的な結合

力ではなく、核子同士がきわめて接近したときに生ずる結合エネルギーから説明され

ます。陽子や中性子は単独で存在しているときよりも、結合して安定した原子核を構成

しているときの方が集合として少ないエネルギー状態で済みます。すなわち、この状態で

は、結合エネルギーは負のエネルギー状態にあります。

　結合エネルギーの値は上の考えから次にの手順で計算されます。

　　�@　原子を構成している陽子、中性子、電子の質量を単独に合計する。

　　�A　実際の原子の質量を実験で測定する。

　　�B　Δｍ＝（ 質量�@） −（ 質量�A ）　：　質量欠損（mass defect) という。

　　�C　エネルギーと質量は等価であるというアインシュタイン（Einstein）の

　　　　特殊相対性理論（special theory of relativity）；

　　　　　　　　　E = Δm×Ｃ² ；　Ｃ：光速　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     (1.1)

　　　　から、質量欠損に等価なエネルギーに変換する。

    実際の計算に当たっては、陽子、中性子、電子の質量がきわめて小さいので、

原子質量単位（atomic mass unit; 約して amu または単に u ）を使います。

　１ｕ = １．６６０５６５６ × １０^−２４（ｇ） = １．６６０５６５６ × １０^−２7（�s）　  (1.2)

です。この値は、炭素原子　^１２Ｃ　の１/１２　として定義された値です。すなわち、

　　　｛12/(6.022×10²³)｝ ×（1/12) = 1.6605656 × 10^-24 (g); 

　　　　　6.022 × 10^{23 ：}Ａｖｏｇａｄｒｏ'ｓ　Ｎｕｍｂｅｒ

です。

　原子質量単位を用いて、陽子、中性子、電子の質量を表すと下表のようになります。

　また、計算に当たっては、核子１個あたりの質量数を Ａ，原子番号を Ｚ、陽子及び

中性子の質量をそれぞれ、ｍ_p 及び ｍ_n、実際の原子核の質量を Ｍ（Ｚ，Ａ） として、

質量欠損 Δｍ を次式で与えておくと便利です。

　 　　Δｍ = Ｚ × (ｍ_p ＋ｍ_e) + （ Ａ − Ｚ ） × ｍ_n - Ｍ（Ｚ，Ａ）　 （ｕ） 　　   (1.3)

　次に、この質量欠損をエネルギーに変換するわけですが、質量 Δｍ を �s、真空中

の光速を ２． ９９７９２５０×１０^８（m/s）　とした場合、（１．１）式で計算されるエネル

ギーの単位はジュール(J)になります。 ｊｏｕｌｅ （Ｊ） を電子ボルト（ｅＶ） に変換すに

は、次式を使います。

　　　１Ｊ　＝　6.24146×　１０¹⁸　ｅＶ　＝　6.24146　×１０¹²　ＭｅＶ 　　　　(1.4)

　以上のことを考慮すると、原子質量単位（ｕ） で求められた質量欠損 Δｍ  を電子

ボルト単位（MeV）の等価なエネルギーに変換する式＜結合エネルギーの式＞は

次式で与えられます。

　　　　　Ｂ（MeV）　＝　Δｍ（ｕ）　×　９．３１５０１９ × １０²　 (1.5）

　さらに、結合エネルギー Ｂ の値を、質量数 Ａ で割ると、核子１個あたりの 単位

結合エネルギー（ｆ） が求められます。

　　　　　ｆ　＝　Ｂ ／ Ａ 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　       (1.6)

<計算例>

　以下に、具体的な計算例を、重水素（deuteriun D、水素の同位元素)、ヘリウム及び

ウラン238、ウラン235について示します。

　前に例に出した、水素原子のフェルミ･エネルギー（電気力）と重水素の結合エネル

ギー（核力）を比較すると、

　　　　１３．６　eV ：２．２３ MeV( =２．２３×１０^６ ）　＝　１　：　１６３，９７０ 

ですから、結合エネルギーがいかに大きいかわかるでしょう。

　上の表からは、原子の質量数が大きくなるにつれて、平均結合エネルギーが大きくな

るように読み取れますが、実際には、図１.３に示すように平均結合エネルギーが最も大

きいのは鉄（Ｆｅ、原子番号２６、質量数５６）です。

  原子核内で働く力が核力だけであるならば、平均結合エネルギーは質量数が大きくな

るにつれて大きくなるはずですが、陽子自身が正の電荷を持っているため相互に反

発し合い、鉄を境にその増加分が核力の増加分を上回ってくるのです。なお、核力その

ものも核子が多く集まり、原子核が大きくなると、端と端にある粒子間の距離が大きくな

り核力はそれほど大きなくリません。

　図に示すように、結合エネルギー上、鉄が最も安定した原子ですから、窮極的には、

鉄より軽い原子では核融合（nuclear fusion）を繰り返し、鉄より重い原子では核分裂

(nuclear fission)を繰り返して鉄に至ることになります。

（３）核分裂と連鎖反応(Nuclear Fission and Chain Reaction)

　自然界の放射性元素（radioelement)ウランの同位体には、²³⁸Ｕ（99.23%）、

 ²³⁵Ｕ、（0.71%）、²³⁴Ｕ（0.006%） があることは、前に説明しましたが、このうち、中性子を

あてることによって容易に核分裂を引き起こすのは質量数２３５の²³⁵Ｕ です。その化

学式は次のとおりです。

上の式で、Ｂａ：バリウム、Ｋｒ：クリプトンです。つぎに、エネルギー収支をみてみます。

上表で、�@ は ²³⁵Ｕ が核子に分解するのに必要なエネルギー、�A、�B は

 ^142Ｂａ ,⁹¹Kr の原始核が形成されるときに放出されるエネルギーですから、差し引き

   （ �A　＋　�B ）　− �@ ＝１９８５−１７８４　≒　２００ ＭｅＶ　　　　　　 (1.7)

が放出されることになります。

 MeV は100万電子ボルトです。たいそう大きいように思われますが、

　１Mev = １.６０２１８９２×１０^−1６  kJ （キロジュール）　　　                        (1.8)

　４.１８６８kＪ＝１kcal （キロカロリ−）                                                             (1.9)

なお、１kcal は、１リットル の水を温度１°C 上昇させるエネルギーですから、

１MeV 非常に小さい値です。考えてみれば、これは原子1個あたりのエネルギーで

すから、当たり前です。そこで、²³⁵Ｕ 1ｇ(グラム）の放出エネルギーを求めてみま

す。   ²³⁵Ｕの1原子量（２３５ｇ）はアボガドロ数（Ａｖｏｇａｄｒｏ'ｓ　Ｎｕｍｂｅｒ）

　　６．０２２　×　１０²³　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (1.10)

の原子をもっていますから、１ｇ の ²³⁵Ｕ には

　　６．０２２　×　１０²³／ ２３５ ＝ ２．５６２５ × １０²¹ 個              (1.11)

の原子が含まれています。

　つぎに、式 (1.7)、(1.8)、(1.11) から、１ｇ の ²³⁵Ｕ の放出エネルギーを求め

ると、

  200 × 1.6021892 ×10^-16 ×2.5625 × 10²¹ = ８．２１１４×１０⁷ kJ

                                                              = ８．２１１４×１０⁴ MJ      (1.12)

になります。この値を、私たちが日常使っている燃料である石炭と灯油の含有エネ

ルギーと比較してみます。

　石炭（１ton：トン）・・・・・・・・・・２．７７ × １０⁴  MJ（メガジュール)

　灯油（１kl ：キロリットル）・・・ ３．７７ × １０⁴  MJ（メガジュール)

式(1.12) で求められた１ｇ の ²³⁵Ｕ の放出エネルギーと、これらの値を比較す

ると、

　１ｇの ²³⁵Ｕ の放出エネルギー　＝　３.０ ton の石炭の含有エネルギー

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝　２.２　kl   の灯油の含有エネルギー

になり、およそ重量比で、２〜３百万倍のエネルギーを持っています。 灯油の比重

は　０．８　前後ですから ２.２　kl は、約１．８ トン、ポリタンク（１８リットル入り）で

１２３ 缶ほどになります。なお、１グラムはほぼ １円玉 の重さです。

　このように核エネルギーが非常に大きいので、核兵器の威力を、通常爆弾

（General Purpose Bomb、炸薬ＴＮＴ）に換算して表現するのが一般的です。

　炸薬（explosive charge）は、砲爆弾に使用され、弾着点において弾殻（shell）を

炸裂させるために使われる爆薬です。ＴＮＴ（trinitrotoluen）は、名前が示すように

１個のトルエン（C₇H₅）に硝酸を作用させて３個のニトロ（C-NO₂)を結合させた粒状の

爆薬です。化学的特性としては、感度が低く、比較的安全で金属との反応性も低く、

発射時に強大な加速度を受ける砲弾の炸薬に適しているわけです。炸薬としての

特性である爆速（detonation velocity、爆轟の速度）は、密度 1.58 において、約

秒速６，９００ m です。また、爆発熱は925cal/g（= 3,873 kJ/kg = 3.873 MJ/kg） 、

トン当たりでは, ３．８７３×１０³ MJ/ton　です。

　一方、１kg の ²³⁵Ｕ の放出エネルギー は、式（1.12）の値を1,000 倍して、

              ８．２１１４×１０⁷ MJ / kg

 この値を、先に求めた TNT １トン の爆発エネルギー  ３．８７３×１０³ で割ると

　８．２１１４×１０⁷/３．８７３×１０³= ２．１２０×１０⁴ ≒　２０×１０³

となり、２０×１０³は ２０キロ ですから、TNT 換算で ２０ KT（ｷﾛﾄﾝ）になります。

　では、 ２０ KT のＴＮＴ 爆弾の威力は実感として、どの程度のものなのでしょうか。

爆弾ですから、殺傷、破壊に使われるものです。そこで、簡単のために１トン爆弾の

兵員に対する殺傷効果を、兵員が暴露状態で立っている場合（暴露立姿）、暴露状

態で伏せている場合（暴露伏姿）及び露天掩体（タコツボ）に入っている場合につい

て、致命半径（Lethal Radii）という術語を用いてい示します。

 上の図は、致命半径を説明するためのモデル図形です。青い山形の曲線が破壊確

率 を示しています。高さ１の赤い長方形は、この長方形と曲線に囲まれた領域 Ａ と

長方形外の曲線と横軸に囲まれた領域 Ｂ が等しくなるように、曲線を区切った長方

形です。このときの、赤い直線で示した長さが致命半径です。いま、この曲線を関数 

F(x) で表すと、致命半径 R_L は次式で与えられます。

　R_L =(1/2) ・∫F(x) d(x) 　　積分範囲は（−∞ 〜 ＋∞）     　　　　　　(1.13)

　この致命半径という考え方は、多数の砲弾を統計的に取り扱うために取り入れられ

たものです。すなわち、この長方形で囲まれた領域では、破壊確率が１００％で、領域

外では、０％　とすることによって、爆撃見積もりあるいは被害見積もりなどの計算処

理が容易になります。

　説明が少しくどくなりましたが、１�d爆弾の兵員に対する致命半径は、およそ、丸め

た数字で示すと次のとおりです。

　暴露立姿の兵員を基準に爆撃を見積もってみましょう．２０ＫＴ（ｷﾛﾄﾝ） の爆弾を

１トン爆弾×２０，０００発として、ペイロード２０トンの爆撃機×１，０００機（延べ機数）

をもって防御地域を攻撃するものとします．１トン爆弾の暴露立姿の兵員に対する

致命半径は５０ｍ ですから、致命面積（Lethal Area）は,

　π×（５０）²  =  ７，８５４ ｍ^２

になります。各爆弾を、致命面積が重複しないように投弾したとすると、２０，０００

発の合計面積は

　　　７，８５４ ｍ^２ × ２０，０００ ＝ １５７．０８×１０⁶ ｍ^２  ≒ １５７．１ ｋｍ²

になります。さらに、この面積を、正方形と円に変換すると次のようになります．

　　１５７．１ｋｍ²＝　（１２．５ｋｍ）² ・・・・・・・・・・ 正方形

    　　　　　　　　  ＝   π×（７．１ｋｍ）²・・・・・・・・ 円

　以下、同様に、暴露伏姿、露天掩体について計算して、表にまとめると次のように

なります。（１トン爆弾２０，０００発の威力）

　暴露立姿の致命面積 １２．５ｋｍ × １２．５ ｋｍ は、およそ歩兵１個師団の防御

地域の大きさです．兵員数は概略１５，０００人（陸上自衛隊平時編制で約１万人）

です。

　上の表では、致命半径がかなり大きく計算されています。これは、延べ１０００機の

航空機を投入して、投弾密度が均一になるように調整して攻撃した結果によるもの

です。仮に、２０ＫＴのＴＮＴ爆弾が１発あったとして、この致命半径を計算すると、致命

半径は概略、重量の（１／３）に比例しますから，１トン爆弾の暴露立姿に対する致命

半径を基準として２０ＫＴ爆弾１発の致命半径は次のように計算されます．

　５０ ｍ × （２０，０００）^（1／3） ＝ ５０ ｍ × ２７．１４ ＝１，３５７ ｍ ≒ １．４ ｋｍ

この値を、表の値（７．１ｋｍ）と比較すると約　１/５　に減少しています．これは、

２０，０００発の爆弾がすべて一箇所に集中したことにより、致命面積が互いに重なり

合ったためと解釈されます．

　致命半径は、前に説明しましたように、多数弾の統計処理上、致命確率を半径内で

１００％、半径外で０％と設定した値ですから、不発弾処理のように１発の爆弾を処理

する場合は、最小限致命半径の５倍、通常は１０倍程度の避難半径を見積もって周辺

の住民などを避難させます。

＜連鎖反応（chain reaction）＞

　前に、²³⁵Ｕ の核分裂の化学式を再度示すと次のとおりです。

_{すなわち、核分裂により、３個の中性子が生じますから、それらの３個の中性子が}

_{さらに他の３個の} ²³⁵Ｕ に捕捉されると_{９個の中性子が生じます。この様子を下図に}

_{示します。}

　図に示すように、一旦、反応が起きると、他の力を借りずに次々と反応が進んでいく

過程を連鎖反応と呼びます。図では、１回の核分裂で増える中性子の数は３倍になっ

ていますが、この値はシステムの増倍係数（multiplication factor, K）と呼ばれて

います。そして、増倍係数 Ｋ の値が１未満であれば、連鎖反応は立ち消えとなり、１

を超えると連鎖は継続し、しかも連鎖の回数（世代数 Generations）をかさねるにし

たがって中性子は鼠算的に増大していきます。ちょうど１に等しいとき、中性子の数は

一定で連鎖が継続します。これから、ｋ の値に応じて、連鎖反応を次のように呼んで

いなす。

　　Ｋ　＜　１　・・・・・・・・　臨界未満（未臨界）、Ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ

　　Ｋ　＝　１　・・・・・・・・　臨界,Ｃｒｉｔｉｃａｌ

　　Ｋ　＞　１　・・・・・・・・　臨界超過（超臨界）、Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ

　つぎに、臨界超過状態として、１個の中性子から始まって、１ｋｇ　の ²³⁵Ｕ が核分裂

するための所要連鎖回数を求めてみましょう。

式(1.11）に示しましたように１ｇ　の ²³⁵Ｕ は、２．５６２５ × １０²¹ 個の原子を持って

いますから、１ｋｇ　では、その１０００倍、すなわち、２．５６２５ × １０^2４ 個の原子を

持つことになります。いま、この個数に達するに必要な連鎖回数を N としますと、

　　　　Ｋ^N = ２．５６２５ × １０^2４                                                       (1.14)

両辺の対数をとると

　　　　N×log (K) = log(2.5625) + 24 = 24.408664                       (1.15)

これより、

　　　　N = 24.408664 / log (K)                                               (1.16)

が得られます。この所要連鎖回数 Ｎ と増倍係数 Ｋ の関係を描くと下に示したグラフ

になります。

　ただし、 ²³⁵Ｕ の質量は １ｋｇ です。なお、反応時間は １μｓ（１００万分の１秒）ほど

です。

　増倍係数は、理論的には ３ ですが、生成した中性子が全部 ²³⁵Ｕ に捕捉されるわ

けでありませんので、最大でも ２．５、平均して ２ 位です．そこで、Ｋ＝２ としますと、

Ｌｏｇ（２）≒０．３ （常用対数）ですから、連鎖回数は８０回ほどになります．

＜この章の先頭へ＞

＜次の章（第２章）へ＞