この章では、核分裂反応が核兵器（爆弾）の中にいかに組み込まれるかということと、
現在、北朝鮮の核弾頭の開発・保有で問題になっているプルトニウム（Plutonium）の生
成と核爆弾への利用について示します。また、前章で説明した、鉄より軽い元素による核
融合がいかに核兵器の効率改善に使われるかについても触れます。
２．１ 核兵器の基本
2.1.1 核分裂物質の製造
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。
当然、この状態では、連鎖反応（臨界）は起きません。原子力発電で核燃料として使わ
れるウランは「濃縮ウラン」（Enriched Uranium) と呼ばれているもので、０.７％から
３％に濃縮した235Ｕが使われます。
実用的なウラン濃縮法としては、「ガス拡散法」、「遠心分離法」及び「レーザ法」など
がありますが、235Ｕ と 238Ｕ は同位元素なので、化学的性質は同じです。違うのは、
分子量だけです。２３５と２３８の差は大きくありません。このことが、基本的に濃縮の方
法を困難にしています。ここでは、日本、ヨーロッパ及びロシア等で実用化されている「ガ
ス拡散法」について、濃縮の原理を示して、以下に大変な作業化をご理解いただきたい
と思います。
① ガス拡散法は235Ｕ と 238Ｕの分子量の違いを利用する。
② 容器中に、分子量の違う２種類の気体（低分子量気体と高分子量気体）混合物
が存在すると、低分子量気体方が高速で運動する。
③ 容器内に小さい孔を有する隔壁を設定し、容器を左右のブロックに分ける分ける
と、この小孔を通過する低分子量気体の通過率は、その濃度比以上の値を示
す。
④ 左側のブロックから右側のブロックに向かって上の混合気体を流すとすると、右
側のブロックに集められた混合気体のほうが、235Ｕ の濃度が高くなる。
⑤ ガス拡散法で濃縮するためには、ウラン化合物は気体でなくてはなららい。
現在、安定で常温で蒸気圧を有する気体化合物は UF6 （六フッカウラン）のみで
ある。
⑥ UF6の１段あたりの理想的隔壁分離係数はわずか 1.0043 であるので、所要の
濃度を得るために何段もの拡散を縦続しなければならない。
⑦ UF6気体を拡散隔壁に流すためには、昇圧機によって圧力をかけなければなら
ない。
⑧ 気体の圧力が上がると温度も上がるので、冷却器によって冷却する必要がる。
⑨ ３％の濃縮ウラン １，０００ トン 生成するには UF6 の全流出量 ２０億トン、昇
圧 機の 動力 １５０万ｋＷ を消費する。
３％の濃縮ウラン １，０００ トン は、１００万ｋＷ級の原子炉３０基を１年間運転
できるエネルギー量です。
２００３年１月末のわが国の原子力発電は、総発電電力の約 １／３ を占め、原子
炉 ５３基、電気出力総計 ４，５９０万ｋＷ です。
原子力発電に使われる３％濃縮ウランについて説明しましたが、核弾頭に使われるウ
ランは 少なくとも９０％程度の濃縮度を要求されます。（広島に投下された原爆に使わ
れたはウランは ４２ｋｇ、235Ｕ は ８０％ といわれている）
現在、、ウランに代わってプルトニウムが核兵器に使われています。それは、原子力発
電の原子炉で次の反応によってプルトニウムが生成されるからです。
235Ｕ（3%） + 238Ｕ（97%） → 235Ｕ（1%） + 238Ｕ（95%） + 239Ｐｕ (1%)
プルトニウムについては、後述します。
2.1.２ 核弾頭設計上の基本的な要件
通常弾頭では、電気的又は機械的に信管が作動させることによって、炸薬を起爆させる
ので、要求された時刻に安全に正確に作動させることができます。また、必要とする破壊力
に応じて炸薬量や弾殻を決めることができるでしょう。これに反して、核弾頭では、通常弾頭
の起爆に相当する動作を、濃縮ウラン（又はプルとニーム）の核分裂の連鎖反応によって
達成しなけなりません。また、強大な破壊力を実用的な大きさの弾頭内に収めなくて名なり
ません。以下、これらの用件について考えてみましょう。
要件１ 起爆時刻以前：未臨界保持
起爆時刻になるまでは、核分裂は臨界値未満に保持されていていること。そうでないと、
１個の中性子が迷い込んだだけで連鎖反応が進んでしまいます。
要件２ 起爆時刻時：超臨界達成
起爆させたい時刻に正確かつ確実に、連鎖反応を起こさせる中性子を生成させるシステ
ムを核弾頭内に組み込んでおく必要があります。
要件３ 超臨界の保持
超臨界状態の連鎖反応を繰り返している間、核燃料を一箇所に閉じ込め手おく必要があ
ります。連鎖反応の途中で閉じ込めに失敗すると、取り出されるエネルギーが少なくなった
り、最悪の場合「立ち消え」になります。逆に、長すぎると放出エネルギーが過大になり危険
です。
2.1.２ 基本的な要件の解
要件１の解：
増倍係数（multiplication factor） ｋ の値を ｋ ＜ １ にしておけばよいので、２つの方法が
考えられます。第１の方法は、核分裂物質の形状を変えることによって ｋ の値をコントロ
ールする方法です。第２の方法は、核分裂物質の密度を変えることによって ｋ の値をコン
トロールする方法です。
第１の方法の一例は次のとおりです。容器としては、体積を一定にした場合、球が最小の
表面積を有しているいるため、与えられた質量に対して、ｋ の値は最大になります。
そこで、起爆させるまでは、未臨界核分裂物質を同一形状の２つの半球状容器に分離し
て格納しておき、高性能爆薬（HE : High Explosive ） を使ってこの２つの半球を１つの球に
合体させて、ｋ ＞ １ の状態にさせる方法です。
第２の方法の一例は次のとおりです。核分裂物質の臨界質量 ｍｃ と密度 ｄ の間には
ｍｃ ∝ １／ｄ２
の関係がありますので、未臨界核分裂物質の周囲を HE でとりかこんで球状の容器に封
入しておき、HE の起爆によって、臨界密度以上に核分裂物質を圧縮する方法です。
要件２の解：
次のようなシーケンスで、超臨界状態の環境をつくります。
起爆電子装置 → 信管（fuse） → 起爆剤 （detonator）→ 高性能爆薬（ＨＥ）
また、確実に連鎖反応をスタートさせるために、中性子を生成させるための中性子起爆装
置（Neutron Initiator）を核分裂物質の中に組み込んでおきます。
要件３の解：
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終わっていまわない
ように、中性子を反射する「中性子反射体」（Neutorn Reflector）を組み込みます。
また、K = 2 とすると、１０ナノ秒（１０－８sec） の間に中性子を放射・分裂開始が起こり、
1μ秒の間に８０回の連鎖反応を繰り返しますが、この短い期間中、反応物質を一箇所にとど
めておく必要があります。このために使われるのが「タンパー」（Tamper）です。タンパーとし
ては U-238 が使われます。タンパーで核分裂物質の周囲をとりか囲んで閉じ込めるために
はタンパーの慣性質量が大きくなくてななりません。U-238 はこれに適した物質なんです。ま
た、タンパーは中性子反射体としての役目も果たしています。
１例として、タンパーなしの U-235 の球で、臨界状態（K=1）になるためには,
直径＝１７０ mm、 重量＝４９ kg
を要しますが、タンパー（U-235）を使うと、
直径＝１１８ mm、 重量＝１７ kg
で済むと報告されています。
２．２ 核爆弾の例
２．２．１ ガン・バレル形（Gun-barrel Type）
ガン・バレル（砲身）型の核爆弾の模型の例を下図に示します。
このタイプの動作原理については、上述していますので省略いたしますが、次のような欠点
を有しています。
１ 半球状弾頭の大きさに制限がある。
未臨界状態にある核分裂物質を格納した半球をだんだん大きくしていくと、合体前に臨
界状態に達します。したがって、大きな爆弾は作れないことになります。
２ 作動タイミングが極めてクリティカルである。
上図において、左側の固定半球に向かって右側半球の接近速度はおよそ 1km/sec
(=1mm/μsec) です。８０回の連鎖反応の所要時間は、K = 2 として、１μsec ほどですか
ら、移動半球 が 1mm も移動しないうちに、連鎖反応は完了してしまいます。
いま、K = 1.3（連鎖反応回数１６０回） とすると、もし、移動半球が 未だ 1cm ほど離れ
ている間に中性子が注入されたとすると、多分、２μsec 後に、爆弾はばらばらに吹き飛
んでしまい期待した効果は得られません。
３ エネルギー効率がわるい
前に、厚いタンパー層を使った場合、臨界状態を引き起こすためには、最小限 １７ｋｇ の
U-235 が必要なことを示しましたが、増倍係数 K = 2 を達成するために、およそ ３０ｋｇ ほ
ど必要になるでしょう。この弾頭で、２０ kT の威力（yield）が期待できるとすると、計算上か
ら ２０ kT のエネルギーを発生するに必要な U-235 の質量は １ ㎏ ですから、効率は約
３％強 です。
１９４５年８月６日、広島に投下された原爆はこの型のもので、俗に ”Little Boy” と呼
ばれています。核爆弾に関するデータは次のとおりです。
（Charles S Grace 「Nuclear Weapons Principles, Effects and Survivability」,1994 による）
Ｕ－２３５（８０％）：４２㎏ 威力（yield）：１２．５ kT 効率：２％以下
長さ：３．２ｍ 直径：０．７５ｍ 重量：４．４ｔ
２．２．２ 爆縮型
爆縮型（Implosion Type) の核爆弾の模型の例を下図に示します。
動作原理については上述しましたので、要点のみを説明いたします。
未臨界状態の核分裂物質（プルトニウム２３９）が小球に格納され、その中心部に中性子起
爆装置（Neutron Initiator）が組み込まれています。
この小球をタンパー（U-238）が取り囲み、所要の連鎖反応回数を続けている間、外側に中
性子が出て行かないようにを保持しています。
この外側に、２層からなる高性能爆薬（ＨＥ）が球状に対称的に配置されていて、これらは
ＨＥ起爆装置によって同時に起爆します。ＨＥは図に示すように内側に向かってレンズ面を構
成しており、起爆と同時に、中心に向かって、ショックウェーブ（爆縮波）が伝播します。
爆縮により、核分裂物質は通常の２～３倍の密度になり、その結果、体積は １/４ ～
１/８ に圧縮され、増倍係数は K < 1 の状態から、K = 2 になります。
ガン・タイプに比較して、爆縮型の利点は次のとおりです。
１ 核分裂物質として プルトニウム２３９ を使うことができる。プルトニウム２３９ は原子力発
電の燃料再処理過程で容易にかつ安価に得られます。
２ 同じエネルギーを得るのにガン・タイプより少量の核分裂物質で済みます。
３ 爆縮によると超臨界状態がより短時間で達成されるので、途中で立ち消えになることは
ほとんどありません（信頼性が高い）。
爆縮型にも次のような欠点を持っています。
１ 多数のＨＥ起爆装置が同時に起爆するとともに、全球面で一様にば爆縮を進行させなく
てはなんらない。このなため、高度の製作技術と純度が多角、均一な高性能爆薬が要
求されます。
２ 多数の熱膨張の異なる物質から構成されていること、また、高性能爆薬が２層のレンズ
構造をとっていることから機械的振動にも弱い。したがって、保管や取り扱いには特別の
注意が必要になります。
３ プルトニウム２３９ は放射能が強く有毒ですので作業に困難を伴います。
１９４５年８月９日、長崎に投下された原爆はこの型のもので、俗に ”Ｆａｔ Ｍａｎ” と呼
ばれています。核爆弾に関するデータは次のとおりです。
（Charles S Grace 「Nuclear Weapons Principles, Effects and Survivability」,1994 、その他
による）
Ｐｕ－２３９ ：５．４ ㎏ 威力（yield）：２０ kT 効率：１７ ％
長さ：３．２ｍ 直径：１．５ｍ 重量：４．７ ｔ（内HE: 約２ t）
２．３ プルトニウム（Plutonium）
２．３．１ 全 般
プルトニウムは、自然界にはごく微量存在するだけで、現在目にするものは原子力発電の
核燃料サイクルの過程で生成されたものです。歴史的には、１９４０年アメリカの化学者シー
ボーグによって発見された元素で、原子番号９４、元素記号 Ｐｕ です。名前は、太陽系を回
る衛星からとったもので、ウラン（原子番号９２番：天王星Uranus）→ネプツニウム（９３番：海
王星Neptune）→プルトニウム（９４番：冥王星Pluto）によるものです。
前の説で説明したように、核兵器としては、ウランより優れていて、現在の核兵器に使われ
ているのはプルトニウムです。臨界質量はウランより小さく兵器への利用が容易なこと、核
燃料サイクルの副産物として生成されることなどから、国際原子力機関（ＩＡＥＡ）が査察・管
理を行っています。最近のニュースで、ＫＥＤＯ（朝鮮半島エネルギー開発機構）が北朝鮮の
軽水炉建設中断（非公式理事会の決定）を発表したことについて、北朝鮮は、対米非難と補
償要求を主張して攻勢に出ています。これも、平和利用の原子力発電が即、軍事利用に転
用できることによるもです。
２．３．２ プルトニウムの生成過程
軽水炉（LWR : Light Water Reactor）で U-235 を燃焼させると核分裂を起こして高速の中
性子を放出します。軽水炉では、この高速中性子（２万km/s）を水によって低速中性子
（2,000m/s）（「熱中性子」ともいう）に減速して、中性子の吸収率を上げて核分裂を起こしや
すくしています。
＜参考＞
軽水炉とは、減速材、冷却材に軽水を用いうる原子炉。軽水とは普通の水。水の分子で
ある水素がその同位元素である重水素で置き換わってできた水を重水と呼び、これと区別
するために普通の水を軽水という。
プルとニームは、原子炉において核分裂によって発生した中性子のうち、減速されずに残
った、高速中性子が核分裂をしない U-238 に衝突することによって生成されます。生成過
程は次のとおりです。ここで、1ｎ は高速中性子を示します。
1ｎ ＋ ９２Ｕ-238 → ９２Ｕ-239 →（β崩壊）→ ９３Ｎｔ-239 →（β崩壊）→ ９４Ｐu-239
なお、生成したプルトニウムに高速中性子が衝突すると、核分裂して、3個の高速中性子が
放出されます。
原子炉内で、生成されるプルトニウムの量をマクロにみると次のとおりです。
まず、発電前のウラン燃料を １，０００ ｋｇ として、内訳は次のように想定します。
発電前のウラン燃料 Ｕ－２３５（３％濃縮ウラン） ３０ ｋｇ
Ｕ－２３８ ９７０ ｋｇ
このウラン燃料は、炉内装荷後、３年間、燃焼度＝３０，０００ MWD/t（メガワット日／㌧）で
燃え続け、Ｕ－２３５のの濃縮度が１％になり、引き上げられます。
この結果、発電後のウラン燃料の構成は次のように変わります。
発電後のウラン燃料 Ｕ－２３５（１％濃縮ウラン） １０ ｋｇ
核分裂生成物等 ３０ ｋｇ（注）
プルトニウム（Pu-239） １０ ｋｇ
Ｕ－２３８ ９５０ ｋｇ
（注）核分裂生成物等の内訳
Ｕ－２３５ ２０ ｋｇ
Ｐu－２３９（生成分裂） ８ ｋｇ
Ｕ－２３８ ２ ｋｇ
ＫＥＤＯによる北朝鮮の軽水炉発電の計画では、１，０００メガワットの炉を２基建設する予
定（第一基目：２００８年、第二基目：２００９年完成）ですが、上の計算では、それほど大量の
プルトニウムが得られるわけではありません。ただし、ＫＥＤＯが設立（１９９５年３月）される
以前に、北朝鮮はソ連の技術援助を受けて黒鉛減速炉を建設しており、この原子炉は、軽
水炉より、プルトニウムの生産が容易です。なお、事故を起こしたチェノブイリ原発も黒鉛
減速炉です。なお、プルトニウムの半減期は２４，０００年です。
兵器として使われるプルトニウムは原子力発電の副産物として生成されるプルトニウムを
使うとは限りません。アメリカは使用済み燃料を再利用しないでそのまま廃棄処分する「ワ
ン・スルー方式」をっています。そのかわり、軍事用のプルトニウム工場、例えば、長崎原爆
用のプルトニウムを製造したハンフォード・プルトニウム工場（Hanford,Richland,Washington）
や、広島原爆のウラニウムを製造したオークリッジ国立研究所（Oak Ridge,Tennessee）など数
箇所で生産が続けら、廃棄物が貯蔵されています。
２．３．３ 兵器おける利用
プルトニウムを兵器として利用した場合の利点、問題点のいくつかについては ２．３節で説
明しましたが、改めてここに要約します。
① 平均増倍係数は,Ｕ－２３５ が ２．５ であるのに対して、Ｐｕ－２３９ は ３ である。
② 臨界質量（標準密度状態、タンパーあり）は、Ｕ－２３５ が １７ｋｇ に対して,Pu－２３９ は
６ kg（約1/３）である。したがって、爆縮によって密度を倍にすると、臨界質量は１.５ｋｇにな
る。
③ プルトニウム（Ｐｕ－２３９）生成過程で、分裂物質で、中性子を多量に放射するプルトニウ
ム Ｐｕ－２４０ も生成される。 Ｐｕ－２４０ が自発分裂して連鎖反応が加速されると、適切な
時期に起爆が起こらず、最大のエネルギーを引き出せない。
④ 原理的には、プルトニウムは、ガン・タイプにも使えるが、③の理由によって適さない。
２．４ 熱核融合（Thermonuclear Fusion）
２．４．１ 核融合の原理
前の章で、「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」ことを説明しました。核融合・核分裂のいずれの場合も、反
応前後に生じた原子核の総質量は、反応前の原子核の総質量よりも軽くなります。この軽くな
った質量の差（⊿m）が、エネルギー（⊿ｍ・ｃ２，ｃ：光速）として放出されます。
自然界で核融合起こっている例は、太陽です。太陽は、主として水素から構成された巨大な
ガスの塊で、その中心付近では、高圧（１．４×１０１１atm）、高温（１．５×１０７K）、高密度
(120g/ｃｍ３）で、次の反応が起きています。
４・１Ｈ → ４Ｈｅ ＋ ３．９×１０２６ Ｊ/ｓ （２．１）
地球上で、この反応を起こすのは極めて困難です。反応が最も起こりやすい核融合反応は
水素の同位体 ２Ｈ（重水素 deuterium） と ３Ｈ（三重水素 tritium） 間の次に示す反応です。
２Ｈ ＋ ３Ｈ → ４Ｈｅ ＋ １ｎ ＋ １７．６ MeＶ （２．２）
この反応を起こすには、１０ｋｅＶ のエネルギー、絶対温度換算で １０９ K（１億度）が必要で
す。このため、この反応は「熱核融合（thermonuclear fusion）」 と呼ばれています。このような
高温が原爆の出現によって初めて人工的に得られるようになり、核分裂に基づく核爆弾が核
融合を引き起こす起爆剤（trigger）として利用可能になって核融合、すなわち「水爆」（Hydrogen
bombs）が出現することになったのです。
熱核融合を兵器に利用する場合２つの問題があります。第１は、重水素と３重水素の２つの
反応物質がともに気体であるため、兵器に詰め込むことは容易でないことです。第２は、重水
素は天然に存在するので比較的簡単に得られますが、３重水素は天然には存在しませんし、
１２年の半減期を持つ放射性物資です。これらの２つの問題は、融合反応段階の燃料としてリ
チウム重水素化合物を使用することで次のように解決されます。
① 通常使われている水素の代わりに重水素を使ったリチウム重水素化合物を用いることに
よって、ワックス上の固体にする。
② トリガーとして使われる核分裂によって、連打反応を維持するに必要な量以上の中性子が
生成されるの で、余った中性子をリチウムに捕捉させることによって、次の反応式に示すよ
うに、３重水素を得ることができる。
６Ｌｉ ＋ １ｎ → ４Ｈｅ ＋ ３Ｈ ＋ ４．８ ＭｅＶ （２．３）
すなわち、爆弾の中で、トリガーである原爆から中性子が放出される場所にリチウム重水素化
合物を配置しておいて（２．３）式の反応をおこさせ重水素をを作るようにします。
核融合反応における最終的な生成物は、（２．２）式に示すように、化学的に安定したヘリウ
ム（Ｈｅ）ですので、比較的放射性降下物の少ない、「クリーン」な核兵器（Clean Weapon）を作
ることができます。
２．４．２ 核融合を利用した兵器
核融合を使った兵器としては、３つの使われ方があいります。
（１） 核分裂強化兵器（Boosted Fission Weaponｓ）
少量の核融合物質を作用させることによって、核分裂兵器の効率を著しく高めることができ
ます。このために、核融合ステージをエネルギーの生成に寄与させるのではなく、高エネルギ
ー（１４ＭｅＶ）を持った中性子を、核分裂の連鎖反応の立ち上がりを早めるためのステージと
して使います。これによって、核分裂の連鎖反応が終わる前に大量の核分裂が生じるようにな
ります。このプロセスは ”Ｂｏｏｓｔｉｎｇ” と呼ばれています。
（２） 高出力兵器（Ｈｉｇｈ-Ｙｉｅｌｄ Ｗｅａｐｏｎｓ）
図に高出力兵器の原理図を示します。高出力兵器の核融合ステージは核分裂によるトリガ
ーによって開始します。核融合物質の周囲をタンパーである Ｕ－２３８ がとりかこんでいます
が、もともとタンパーは核分裂の機能を果たすものでなく、１ＭｅＶ 程度の中性子があったって
も核分裂するものではありませんが、核融合がおっこて大量の中性子が生成されると、これに
よって Ｕ－２３８ が核分裂を起こします。図に示すような型の高出力兵器では、その出力のお
よそ半分がタンパーの核分裂によるもの、残りの半分が核融合によるものです。核分裂によっ
て大量の放射性物質が生じますので、「汚い兵器」（dirty weapons）と呼ばれます。
この型では、反応のステージはは、「核分裂」→「核融合」→「核融合」と進みます。各ステージ
のエネルギー比率の一例を次に示しします。
ステージ 反応物質（質量） エネルギー放出量
核分裂 Ｐｕ２３９（５ｋｇ） ５０ｋＴ
核融合 ＬｉＤ （５ｋｇ） ２５０ｋＴ
核分裂 Ｕ２３８（２０ｋｇ） ５０ｋＴ
図に示すトリガーと核融合物質の配置を換えることによって、熱核反応の速度と効率を向上
させることができますが、核融合物質が多くなると、それを取り囲む核分裂物質（トリガー）も大
量に必要になり、コストも急増することになります。
核分裂（トリガー）ステージでは、大量の中性子のみならず、Ｘ線も放出されます。核融合物
質を効率的に加圧・過熱するためには、このＸ線を直接、核融合物質に指向するればいいわ
けですが、そのためには構造としての幾何学配置を変えるる必要があります。
（３） 中性子爆弾（Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｂｏｍｂｓ）
少量の核分裂トリガーを使って核融合ステージを開始させれば、比較的低出力の兵器を作
ることができます。核反応をできる限り早く進めたい場合は、タンパーをそれほど厚くする必要
はありません。これによって、核融合によって生じた中性子の大半はタンパーを通過して逃げ
ていきます。すなわち、中性子は増加しますが、それに引き換え、熱線と爆風が抑えられま
す。 この型の兵器は、「放射線強化（enhanced radiation）」兵器又は「中性子爆弾（neutron
bombs）」と呼ばれています。
中性子爆弾は、航空機から投弾されるより、むしろ砲弾やミサイルの弾頭として使われま
す。砲兵用の１５５mm 用弾頭にも組み込むことが可能で、出力は １ ｋＴ 程度です。
本年（２００３年）１１月２４日、ブッシュ米大統領は、小型核兵器（５ｋＴ以下）の研究開発を
１０年ぶりに解禁する内容を盛り込んだＦＹ’０４国防権限法案（国防予算案約４３兆７千億円）
に署名し、同法案は成立した。同案には、地中貫徹型の核兵器（開発費約１６億３５００万円）
も含まれている。
（以下続く）