「デーモン コア」は、核兵器に使用するために 1940 年代に製造された 6.2 kg の亜臨界質量のプルトニウム コアでした。コアは 2 人の科学者を死に至らしめたため、奇妙で不吉なニックネームが付けられました。
1940 年代、第二次世界大戦中、アメリカ合衆国は核爆弾に使用する 3 つの放射性プルトニウム コアを開発しました。これらの中で最初のものは、世界初の核爆発であるトリニティ核実験で使用されました。 2 番目のコアは、日本の長崎市に投下された核爆弾「ファットマン」の心臓部でした。
3発目は東京上空に投下される別の爆弾に使用される予定だった。しかし、日本は広島と長崎での爆発に続いて降伏し、戦争は終結しました。
したがって、3 番目の爆弾はすぐには使用できず、その核は 「ルーファス」 と名付けられました。 研究のためにニューメキシコ州のロスアラモス研究所に送られました。ここでは、「デーモン コア」というニックネームが付けられました。 .では、「ルーファス」はどのようにして「ザ・デーモン・コア」になったのでしょうか？調べてみましょう!
原爆で使用されたプルトニウムコア (写真提供:Ausis/Wikimedia commons)
デーモン コアとは
デーモンコアは一見、普通の金属球に見える (写真提供:twenty20)
デーモン コアは、直径 8.9 cm の 6.2 kg のプルトニウム ガリウム球です。 （バスケットボールより小さい）。 プルトニウム 239 コアで使用される同位体は、原子炉で生成される人工元素です。それは非常に不安定で、放射性があり、アルファ粒子を放出して崩壊し、組織に損傷を与えます.
そのため、コアにはニッケルコーティングが施されており、短距離アルファ粒子をブロックし、コアが錆びるのを防ぎます。さらに、放射能の影響で芯が温かくなっています。
アルファ粒子は短距離です。ただし、吸入や血流との接触は致命的となる可能性があります (写真提供:コンセプト w/Shutterstock)
コアは核分裂の原理に基づいて動作します。 Pu-239 は核分裂性元素です。つまり、中性子を吸収すると、Pu-239 原子核は大量のエネルギーを放出することによって 2 つの小さな原子核に分裂し、さらに 2 ～ 3 個の中性子が放出されます。その後、これらの中性子は他の Pu 原子核に吸収され、核分裂が続きます。これにより、核連鎖反応が発生します .
Pu-239 は核分裂を起こします。 (写真提供:OSweetNature/Shutterstock)
コアは、それ自体がすぐに連鎖反応を起こすのではなく、必要なときにのみ連鎖反応を起こすように構築されています。
「超臨界」状態とは?
核分裂性物質は 3 つの状態で存在します。亜臨界、臨界、超臨界。
Pu 原子が、平均して、各核分裂イベントが必ずしも別の核分裂イベントをトリガーしないように配置されている場合、システムは 準臨界です。 この状態では連鎖反応は起こらず、核分裂は単に消滅します。
平均して、各核分裂反応が新しい核分裂反応をちょうど 1 回トリガーした場合、システムは クリティカル になります。 そして着実な連鎖反応を開始します。原子炉はこの原則に基づいて動作します。
最後に、平均して、各核分裂反応が複数の核分裂反応を引き起こす場合、システムは超クリティカルになります。 .これにより、連鎖反応が指数関数的に増大します。
ただし、核分裂率は無限大にはなりません。システムが最終的に限界に達するまで、核分裂の速度は増加し続けます。しばらくすると、過剰なエネルギーにより、システムが崩壊し、反応が停止します。核爆弾の核はこの原理に基づいています。
重要度の状態
したがって、コアでは、プルトニウムは 臨界質量 と呼ばれる特定の質量未満に維持する必要があります。 これは、連鎖反応を維持するために必要な核分裂性物質の最小量です。プルトニウムが臨界質量に達すると、核分裂連鎖反応が始まります。ただし、落とし穴があります。名前が示すように、クリティカル マスは「質量」だけに依存するものではありません。
プルトニウムの特定の質量について、臨界質量は、材料の濃度、密度、純度などの他の要因を操作することによって達成できます。つまり、プルトニウムと中性子の相互作用を大きくすることで臨界に達することができます。これについてもう少し詳しく説明しましょう。
クリティカルを達成する方法
一定量のプルトニウムの臨界を達成するには、さまざまな方法があります。
1.プルトニウムの濃度を上げる
プルトニウム原子が近づくほど、中性子と衝突する可能性が高くなります。したがって、より高い濃度は臨界につながります。
多くの要因が、Pu 原子の最密配置を実現するのに役立ちます。これらには以下が含まれます:
- シェイプ :原子を近づけるには球形が理想的です。たとえば、ガリウムはプルトニウムを球状に保持するのに役立ちます。
- 密度 :密度が高いと、小さな体積に多数の原子が詰め込まれます。
- 純粋さ :材料が純粋であるほど、Pu 原子の濃度が高くなります。
2.中性子の損失を減らす
核分裂反応では、放出された中性子のすべてが他の原子核に捕獲されるわけではありません。動きの速い中性子の一部は、それ以上反応せずに漏れたり逃げたりします。 中性子反射体の使用 この問題を解決します。それらは中性子を反射してシステムに戻し、プルトニウムの質量を変えることなく臨界を達成するのに役立ちます.
臨界実験
ロスアラモス研究所では、科学者が臨界実験を開始し、臨界に達する前にコアがどれだけ進むことができるかを確認しました。彼らは、コアの効率を評価するために中性子反射器を使用しました。 デーモン コアは臨界を 5% 下回っていました つまり、小さな引き金でも核連鎖反応を開始できるということです。
超臨界は指数関数的な連鎖反応を開始します
臨界実験は非常に危険です。コアが臨界に達すると、核分裂反応が開始され、致命的な量のエネルギーと中性子線が放出されます。これは、近くにいる人を殺すのに十分な量です。
関連する危険性を考慮して、有名な物理学者のリチャード ファインマンは、この実験を「眠れるドラゴンの尻尾をくすぐる」と説明したと伝えられています。 .彼の言葉は後に真実となった。 2 年以内に、2 人の著名な科学者がドラゴンの炎に屈しました。
最初の犠牲者:ハリー・ダリアン
1945 年、アメリカの物理学者ハリー K. ダリアンが臨界実験を開始しました。 タングステン カーバイド ブロックを配置しました コアの周りに中性子を反射させます。彼は、さまざまな数のレンガとさまざまな方向を試して、コアを臨界に近づける方法を確認しました.
Daghlian の実験装置。中性子反射体として使用されるタングステンカーバイドレンガ (写真提供:ロスアラモス国立研究所/ウィキメディアコモンズ)
しかし、好奇心は彼を最大限に活用しました。彼はコアを限界までテストしてみました。 1945 年 8 月 21 日、彼が最後のブロックを 1 つ配置しようとしたとき、カウンターは、もう 1 つのブロックを配置するとコアが「超臨界」になることを示しました。その時点で、彼は慎重にレンガを取り除こうとしましたが、誤って落としてしまいました!
ドラゴンが目覚めた!
青い光の明るい閃光と熱のうねりがありました レンガがコアの上に落ちたとき。 Daghlian は約 500 ラドの放射線を受けましたが、これは 200rem の上限をはるかに超えています。彼はすぐにレンガを取り戻しましたが、その数秒の露出はすでに彼の墓を掘っていました。すぐに、彼は昏睡状態に陥り、25 日後に放射線被ばくで死亡しました。これは、臨界実験による最初の死亡者でした。
Daghlian の記念 (写真提供:Pi.1415926535/Wikimedia commons)
2 番目の犠牲者:Louis Slotin
1946 年 5 月 21 日、デーモン コアは 2 人目の犠牲者、ルイ スローティン を獲得しました。 —マンハッタン計画でダグリアンの同僚だった物理学者。偶然にも、彼は同僚と同じ病院で別の 21 日に亡くなりました。
ダリアンの死後、スローティンは臨界実験を続けたが、レンガの代わりに 2 つのベリリウム半球を使用した。 中性子反射体として。
スローティンのセットアップ。中性子反射体としてのベリリウムの半分
彼はコアを下半球の内側に置き、その上に上の球をゆっくりと下ろします。球を下げると中性子反射が増え、臨界につながります。しかし、外球がコアを完全に取り囲んでいる場合、完全な中性子反射によりコアは「超臨界」になります。したがって、実験では、半球が完全に閉じないように、半球の間に 2 つのくさびを配置する必要がありました。
スローティンは優秀でしたが、無謀で、くさびの代わりにマイナス ドライバーの先端を使っただけでした。 半球がコアを取り囲むのを防ぎます。彼はドライバーを傾けて球体を調整し、臨界度の変化に注目しました。 5 月 21 日、彼は他の 7 人の同僚と同様の実験を行っていたとき、スクリュードライバーが滑った! シェルはコアを囲み、「超臨界」になりました.
同様の熱波と青い光がありました。スローティンはすぐに球体を傾けましたが、彼はすでに致命的な量の放射線 (1000 ラド) にさらされていました。 9日後、彼は放射線病で亡くなりました。医師によると、彼の体は「3次元日焼け」に似た症状を経験していました.
スローティンの事故は単なる怠慢の結果だった
結論
臨界実験は間接的に、事件中に存在した科学者や警備員を含む他の人々の死をもたらしました. 2 人の著名な科学者の死は、科学実験中に従うべき予防措置と安全対策についての議論を引き起こしました。その結果、政府はリスクを考慮して臨界実験を中止しました。また、プルトニウム コアには「デーモン コア」というあだ名が付けられました。
小さな金属球がこれほどまでに危険であると考えると、気が遠くなるような気がします。それは、宇宙がいかに奇妙で驚くべきものであるかを証明しています。 1989 年の映画「ファットマン アンド リトル ボーイ」では、炉心と臨界事故が視覚的に表現されています。事件の後、当局はデーモンコアを溶かし、それを再キャストして新しいコアを構築しました.こうしてコアは終わりを迎え、兵器と実験の新時代の一部となった.
