Ядерный материал оружейного качества

Ядерный материал достаточно чистый, чтобы его можно было использовать для ядерного оружия.

Ядерный материал оружейного качества — это любой расщепляющийся ядерный материал , который достаточно чист для изготовления ядерного оружия и обладает свойствами, которые делают его особенно пригодным для использования в ядерном оружии. Наиболее распространенными примерами являются плутоний и уран тех сортов, которые обычно используются в ядерном оружии. (Эти ядерные материалы подразделяются на другие категории в зависимости от их чистоты.)

Только делящиеся изотопы некоторых элементов имеют потенциал для использования в ядерном оружии. Для такого использования концентрация делящихся изотопов урана-235 и плутония-239 в используемом элементе должна быть достаточно высокой. Уран из природных источников обогащается путем разделения изотопов , а плутоний производится в подходящем ядерном реакторе .

Эксперименты проводились с ураном-233 (делящимся материалом, лежащим в основе ториевого топливного цикла ). Нептуний-237 и некоторые изотопы америция могут быть использованы, но неясно, было ли это когда-либо реализовано. Последние вещества входят в состав минорных актинидов в отработавшем ядерном топливе . ^[6]

Критическая масса

Любой ядерный материал оружейного качества должен иметь критическую массу , достаточно малую, чтобы оправдать его использование в оружии. Критическая масса любого материала — это наименьшее количество, необходимое для устойчивой цепной ядерной реакции. Более того, разные изотопы имеют разные критические массы, а критическая масса для многих радиоактивных изотопов бесконечна, поскольку способ распада одного атома не может вызвать аналогичный распад более чем одного соседнего атома. Например, критическая масса урана-238 бесконечна, а критические массы урана-233 и урана-235 конечны.

На критическую массу любого изотопа влияют любые примеси и физическая форма материала. Форма с минимальной критической массой и наименьшими физическими размерами — сфера. Критические массы голой сферы при нормальной плотности некоторых актинидов указаны в прилагаемой таблице. Большая часть информации о массах голых сфер засекречена, но некоторые документы рассекречены. ^[7]

Страны, производившие ядерный материал оружейного качества

По крайней мере десять стран произвели ядерный материал оружейного качества: ^[18]

• Пять признанных « государств, обладающих ядерным оружием » в соответствии с условиями Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО): США ( первые испытания ядерного оружия и две бомбы, использованные в качестве оружия в 1945 году ), Россия ( первое оружие было испытано в 1949 году ), Великобритания ( 1952 г. ), Франция ( 1960 г. ) и Китай ( 1964 г. )
• Три других заявленных ядерных государства, не подписавших ДНЯО: Индия (не подписавшая, оружие испытано в 1974 году ), Пакистан (не подписавшая, оружие испытано в 1998 году ) и Северная Корея (вышла из ДНЯО в 2003 году, оружие испытано). в 2006 году )
• Израиль , который, как широко известно, разработал ядерное оружие (вероятно, впервые испытанное в 1960-х или 1970-х годах), но не заявлял открыто о своих возможностях.
• Южная Африка , которая также имела возможности по обогащению и разработала ядерное оружие (возможно, испытанное в 1979 году ), но разобрала свой арсенал и присоединилась к ДНЯО в 1991 году.

Оружейный уран

Природный уран изготавливается оружейным путем изотопного обогащения . Первоначально лишь около 0,7% его составляет делящийся уран-235, а остальная часть почти полностью состоит из урана-238 (U-238). Они разделены разной массой . Высокообогащенный уран считается оружейным, если он обогащен примерно до 90% U-235. ^{[ нужна цитата ]}

U-233 производится из тория-232 путем захвата нейтронов . Полученный таким образом U-233 не требует обогащения и может быть относительно легко химически отделен от остаточного Th-232. Поэтому он регулируется как специальный ядерный материал только по общему количеству присутствующего материала. U-233 может быть намеренно смешан с U-238, чтобы устранить опасения по поводу его распространения. ^[19]

Хотя U-233, таким образом, кажется идеальным для использования в качестве оружия, существенным препятствием на пути к этой цели является совместное производство следовых количеств урана-232 из-за побочных реакций. Опасность урана-232, связанная с его высокорадиоактивными продуктами распада, такими как таллий-208 , значительна даже при концентрации 5 частей на миллион . Имплозивное ядерное оружие требует содержания U-232 ниже 50 частей на миллион (выше которого U-233 считается «низкосортным»; ср. «Для стандартного оружейного плутония требуется содержание Pu-240 не более 6,5%», что составляет 65 000 частей на миллион). , а аналогичный Pu-238 производился в концентрации 0,5% (5000 ppm) или меньше). Для оружия деления пушечного типа потребуются низкие уровни U-232 и низкие уровни легких примесей, порядка 1 ppm. ^[20]

Плутоний оружейного качества

Pu-239 производится искусственно в ядерных реакторах , когда нейтрон поглощается U-238, образуя U-239, который затем в быстром двухэтапном процессе распадается на Pu-239. Затем его можно отделить от урана на заводе по переработке ядерного топлива .

Плутоний оружейного качества определяется как состоящий преимущественно из Pu-239 , обычно около 93% Pu-239. ^[21] Pu-240 образуется, когда Pu-239 поглощает дополнительный нейтрон и не делится. Pu-240 и Pu-239 не разделяются переработкой. Pu-240 имеет высокую скорость самопроизвольного деления , что может привести к предварительному взрыву ядерного оружия. Это делает плутоний непригодным для использования в ядерном оружии пушечного типа . Чтобы снизить концентрацию Pu-240 в производимом плутонии, реакторы по производству плутония в рамках оружейной программы (например, реактор B ) облучают уран в течение гораздо более короткого времени, чем обычно для атомного энергетического реактора . Точнее, оружейный плутоний получают из урана, облученного до низкого выгорания .

В этом заключается фундаментальное различие между этими двумя типами реакторов. На атомной электростанции желательно высокое выгорание. Электростанции, такие как устаревшие британские реакторы Magnox и французские реакторы UNGG , которые были предназначены для производства электроэнергии или материалов для оружия, работали на низких уровнях мощности с частой заменой топлива с использованием онлайн-дозаправок для производства оружейного плутония. Такая работа невозможна с легководными реакторами, наиболее часто используемыми для производства электроэнергии. В таких случаях реактор необходимо остановить и разобрать корпус высокого давления, чтобы получить доступ к облученному топливу.

Плутоний, извлеченный из отработавшего топлива LWR, хотя и не является оружейным, может быть использован для производства ядерного оружия всех уровней сложности, ^[22] хотя в простых конструкциях он может давать только взрывную мощность. ^[23] Оружие, изготовленное из плутония реакторного качества, потребует специального охлаждения для хранения и готовности к использованию. ^[24] В ходе испытания 1962 года на полигоне национальной безопасности США в Неваде (тогда известном как Невадский испытательный полигон) использовался плутоний неоружейного качества, произведенный в реакторе Магнокс в Соединенном Королевстве. Используемый плутоний был предоставлен Соединенным Штатам в соответствии с Соглашением о взаимной обороне между США и Великобританией 1958 года . Его изотопный состав не раскрыт, за исключением описания реакторного класса , и не раскрыто, какое определение использовалось при описании материала таким образом. ^[25] Плутоний, очевидно, был получен из военных реакторов Магнокс в Колдер-Холле или Чапелкроссе. Содержание Pu-239 в материале, использованном для испытания 1962 года, не разглашается, но предполагается, что оно составляло не менее 85%, что намного выше, чем обычное отработанное топливо действующих в настоящее время реакторов. ^[26]

Иногда на коммерческих LWR производилось отработанное топливо с низким выгоранием, когда такой инцидент, как разрушение оболочки топливного бака, требовал ранней дозаправки топлива. Если период облучения был достаточно коротким, это отработанное топливо можно было бы переработать для получения оружейного плутония.

Рекомендации

1. Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле это субактинид, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным пробелом нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет период полураспада, по крайней мере, четыре года (самый долгоживущий нуклид в пробеле радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия, имеющий возраст 1600 лет, заслуживает включения этого элемента в этот список.
2. В частности, в результате деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
3. Милстед, Дж.; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Бибкод : 1965NucPh..71..299M. дои : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
   «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, анализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Никакого роста Cf ²⁴⁸ , а нижний предел периода полураспада β ^можно установить на уровне около 10 ⁴ [лет]. Никакой альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено. Период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]. ]."
4. Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
5. За исключением « классически стабильных » нуклидов с периодом полураспада, значительно превышающим ²³² Th; например, период полураспада ^{113m Cd составляет всего четырнадцать лет, а период полураспада 113} Cd составляет восемь квадриллионов лет.
6. Дэвид Олбрайт и Кимберли Крамер (22 августа 2005 г.). «Нептуний-237 и америций: мировые инвентаризации и проблемы распространения» (PDF) . Институт науки и международной безопасности . Проверено 13 октября 2011 г.
7. Переоценка критических характеристик некоторых систем быстрых нейтронов Лос-Аламоса
8. Проектирование и материалы ядерного оружия, веб-сайт Инициативы по устранению ядерной угрозы. ^{[ неработающая ссылка ] [ ненадежный источник? ]}
9. , Оценка данных о безопасности ядерной критичности и предельных значений актинидов при транспортировке, Французская Республика, Институт радиационной защиты и ядерной безопасности, Департамент предотвращения и изучения аварий.
10. Глава 5, Проблемы завтра? Разделенные нептуний-237 и америций, Проблемы контроля делящихся материалов (1999), isis-online.org
11. П. Вайс (26 октября 2002 г.). «Нептуниевое ядерное оружие? Малоизученный металл становится критическим». Новости науки . 162 (17): 259. дои : 10.2307/4014034. Архивировано из оригинала 15 декабря 2012 года . Проверено 7 ноября 2013 г.
12. Обновленные оценки критической массы плутония-238, Министерство энергетики США: Управление научной и технической информации.
13. Эмори Б. Ловинс, Ядерное оружие и плутоний энергетических реакторов, Nature , Vol. 283, № 5750, стр. 817–823, 28 февраля 1980 г.
14. Диас, Хемант; Танкок, Найджел; Клейтон, Анджела (2003). «Расчеты критической массы для 241Am, 242mAm и 243Am» (PDF) . Проблемы в обеспечении глобальной безопасности ядерной критичности . Материалы Седьмой Международной конференции по ядерной безопасности. Том. II. Токай, Ибараки, Япония: Японский научно-исследовательский институт атомной энергии. стр. 618–623.
15. Окуно, Хироши; Кавасаки, Хиромицу (2002). «Расчеты критической и докритической массы кюрия от-243 до -247 на основе JENDL-3.2 для пересмотра ANSI/ANS-8.15». Журнал ядерной науки и технологий . 39 (10): 1072–1085. дои : 10.1080/18811248.2002.9715296 .
16. Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: «Оценка безопасности ядерной критичности. Данные и пределы для актинидов при транспортировке», стр. 16
17. Кэри Сублетт, Часто задаваемые вопросы по ядерному оружию: Раздел 6.0 Ядерные материалы, 20 февраля 1999 г.
18. ^{[ сомнительно – обсудить ]} Махиджани, Арджун; Чалмерс, Лоис; Смит, Брайс (15 октября 2004 г.). «Обогащение урана: простые факты, способствующие информированным дебатам о распространении ядерного оружия и ядерной энергетике» (PDF) . Институт энергетических и экологических исследований . Проверено 17 мая 2017 г.
19. Определение пригодного для использования в оружии урана-233 ORNL / TM-13517
20. Часто задаваемые вопросы по ядерным материалам
21. «Реакторный и оружейный плутоний в ядерных взрывчатых веществах». Оценка нераспространения и контроля над вооружениями альтернатив хранения делящихся материалов, пригодных для использования в оружии, и утилизации избыточного плутония (отрывок) . Министерство энергетики США. Январь 1997 года . Проверено 5 сентября 2011 г.
22. Мэтью Банн и; Джон П. Холдрен (ноябрь 1997 г.). «УПРАВЛЕНИЕ ВОЕННЫМ УРАНОМ И ПЛУТОНИЕМ В США И БЫВШЕМ СОВЕТСКОМ СОЮЗЕ». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды . 22 (1): 403–486. doi :10.1146/ANNUREV.ENERGY.22.1.403. ISSN  1056-3466. Викиданные  Q56853752..
23. Дж. Карсон Марк (август 1990 г.). «Взрывные свойства реакторного плутония» (PDF) . Институт ядерного контроля. Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2010 года . Проверено 10 мая 2010 г.
24. Россин, Дэвид. «Политика США в области переработки отработавшего топлива: проблемы». ПБС . Проверено 29 марта 2014 г.
25. «Дополнительная информация относительно подземных испытаний ядерного оружия реакторного плутония». Министерство энергетики США . Июнь 1994 года . Проверено 15 марта 2007 г.
26. «Плутоний». Всемирная ядерная ассоциация. Март 2009. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года . Проверено 28 февраля 2010 г.

Внешние ссылки

• Реакторный и оружейный плутоний в ядерных взрывчатых веществах, Канадская коалиция за ядерную ответственность
• Ядерное оружие и плутоний энергетических реакторов. Архивировано 16 марта 2007 г., в Wayback Machine , Эмори Б. Ловинс , 28 февраля 1980 г., Nature , Vol. 283, № 5750, стр. 817–823.
• Гарвин, Ричард Л. (1999). «Ядерный топливный цикл: имеет ли смысл переработка?». В Б. ван дер Цваан (ред.). Ядерная энергия . Всемирная научная. п. 144. ИСБН 978-981-02-4011-0. Но нет никаких сомнений в том, что реакторный плутоний , полученный в результате переработки отработавшего топлива LWR, может быть легко использован для изготовления высокоэффективного и высоконадежного ядерного оружия, как поясняется в публикации Комитета по международной безопасности и контролю над вооружениями (CISAC) 1994 года.