stringtranslate.com

Ядерный материал оружейного качества

Оружейный ядерный материал — это любой расщепляемый ядерный материал , который достаточно чист для создания ядерного оружия и имеет свойства, которые делают его особенно подходящим для использования в ядерном оружии. Плутоний и уран в сортах, обычно используемых в ядерном оружии, являются наиболее распространенными примерами. (Эти ядерные материалы имеют другие категории, основанные на их чистоте.)

Только делящиеся изотопы определенных 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 (делящийся материал в основе ториевого топливного цикла ). Нептуний-237 и некоторые изотопы америция могли бы быть пригодны для использования, но не ясно, было ли это когда-либо реализовано. Последние вещества являются частью младших актинидов в отработанном ядерном топливе . [6]

Критическая масса

Любой ядерный материал оружейного качества должен иметь критическую массу , которая достаточно мала, чтобы оправдать его использование в оружии. Критическая масса для любого материала — это наименьшее количество, необходимое для устойчивой ядерной цепной реакции. Более того, разные изотопы имеют разные критические массы, а критическая масса для многих радиоактивных изотопов бесконечна, поскольку режим распада одного атома не может вызвать аналогичный распад более чем одного соседнего атома. Например, критическая масса урана-238 бесконечна, в то время как 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 голых сфер при нормальной плотности некоторых актинидов приведены в прилагаемой таблице. Большая часть информации о массах голых сфер засекречена, но некоторые документы были рассекречены. [7]

Страны, которые производили ядерные материалы оружейного качества

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

Оружейный уран

Природный уран делается оружейным путем изотопного обогащения . Первоначально только около 0,7% из него является делящимся U-235, а остальное почти полностью состоит из урана-238 (U-238). Они разделены по разным массам . Высокообогащенный уран считается оружейным, когда он обогащен примерно до 90% U-235. [ требуется цитата ]

U-233 производится из тория-232 путем захвата нейтронов . [19] 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. U-233 может быть намеренно смешан с U-238, чтобы устранить проблемы распространения. [20]

В то время как U-233, таким образом, кажется идеальным для вооружения, существенным препятствием для этой цели является совместное производство следовых количеств урана-232 из-за побочных реакций. Опасности U-232, в результате его высокорадиоактивных продуктов распада, таких как таллий-208 , значительны даже при 5 частях на миллион . Для имплозивного ядерного оружия требуются уровни U-232 ниже 50 PPM (выше которых U-233 считается «низкокачественным»; ср. «Стандартный оружейный плутоний требует содержания Pu-240 не более 6,5%», что составляет 65 000 PPM, а аналогичный Pu-238 производился на уровнях 0,5% (5000 PPM) или меньше). Для оружия деления пушечного типа потребуются низкие уровни U-232 и низкие уровни легких примесей порядка 1 PPM. [21]

Оружейный плутоний

Pu-239 производится искусственно в ядерных реакторах , когда нейтрон поглощается U-238, образуя U-239, который затем распадается в быстром двухстадийном процессе на Pu-239. [22] Затем его можно отделить от урана на заводе по переработке ядерного топлива . [23]

Оружейный плутоний определяется как преимущественно состоящий из Pu-239 , обычно около 93% Pu-239. [24] Pu-240 производится, когда Pu-239 поглощает дополнительный нейтрон и не делится. Pu-240 и Pu-239 не разделяются при переработке. Pu-240 имеет высокую скорость спонтанного деления , что может привести к преждевременной детонации ядерного оружия. Это делает плутоний непригодным для использования в ядерном оружии пушечного типа . Чтобы снизить концентрацию Pu-240 в произведенном плутонии, реакторы по производству плутония в оружейной программе (например, реактор B ) облучают уран в течение гораздо более короткого времени, чем обычно для ядерного энергетического реактора . Точнее, оружейный плутоний получают из урана, облученного до низкого выгорания .

Это представляет собой 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 разработаны для производства либо электроэнергии, либо оружейного материала, работали на низких уровнях мощности с частой заменой топлива с использованием онлайн-дозаправки для производства оружейного плутония. Такая работа невозможна с легководными реакторами, которые чаще всего используются для производства электроэнергии. В них реактор должен быть остановлен, а корпус давления разобран, чтобы получить доступ к облученному топливу.

Плутоний, извлеченный из отработанного топлива LWR, хотя и не является оружейным, может использоваться для производства ядерного оружия на всех уровнях сложности, [25] хотя в простых конструкциях он может давать только шипящий выход. [26] Оружие, изготовленное из реакторного плутония, потребует специального охлаждения, чтобы хранить его и быть готовым к использованию. [27] Испытание 1962 года на американском полигоне национальной безопасности в Неваде (тогда известном как испытательный полигон Невады) использовало не оружейный плутоний, произведенный в реакторе Магнокс в Соединенном Королевстве. Использованный плутоний был предоставлен Соединенным Штатам в соответствии с Соглашением о взаимной обороне между США и Великобританией 1958 года . Его изотопный состав не был раскрыт, за исключением описания реакторного класса , и не было раскрыто, какое определение использовалось при описании материала таким образом. [28] Плутоний, по-видимому, был получен из реакторов Магнокс в Колдер-Холле или Чапелкросс. Содержание Pu-239 в материале, использованном для испытаний 1962 года, не разглашалось, но предполагалось, что оно составляло не менее 85%, что намного выше, чем в типичном отработанном топливе ныне действующих реакторов. [29]

Иногда низковыгоревшее отработанное топливо производилось коммерческим LWR, когда инцидент, такой как отказ оболочки топлива, требовал ранней перегрузки. Если период облучения был достаточно коротким, это отработанное топливо можно было бы переработать для получения оружейного плутония.

Ссылки

  1. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
  2. ^ В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  3. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf 248 обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β − можно установить на уровне около 10 4 [лет]. 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. ^ Исключая « классически стабильные » нуклиды с периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада 232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада 113Cd составляет восемь квадриллионов лет.
  6. ^ Дэвид Олбрайт и Кимберли Крамер (22 августа 2005 г.). «Нептуний 237 и америций: мировые запасы и проблемы распространения» (PDF) . Институт науки и международной безопасности . Получено 13 октября 2011 г. .
  7. ^ Переоценка критических характеристик некоторых систем на быстрых нейтронах в Лос-Аламосе
  8. ^ abcd Nuclear Weapons Design & Materials, веб-сайт Инициативы по предотвращению ядерной угрозы. [ неработающая ссылка ] [ ненадежный источник? ]
  9. ^ Заключительный отчет abc , 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. ^ P. Weiss (26 октября 2002 г.). «Neptunium Nukes? Малоизученный металл становится критическим». Science News . 162 (17): 259. doi :10.2307/4014034. Архивировано из оригинала 15 декабря 2012 г. Получено 7 ноября 2013 г.
  12. ^ ab Обновленные оценки критической массы плутония-238, Министерство энергетики США: Управление научной и технической информации
  13. ^ ab Эмори Б. Ловинс, Ядерное оружие и плутоний в энергетических реакторах, Nature , т. 283, № 5750, стр. 817–823, 28 февраля 1980 г.
  14. ^ abc Dias, Hemanth; Tancock, Nigel; Clayton, Angela (2003). "Critical Mass Calculations for 241Am, 242mAm and 243Am" (PDF) . Challenges in the Pursuit of Global Nuclear Criticality Safety . Proceedings of the Seventh International Conference on Nuclear Criticality Safety. Vol. II. Tokai, Ibaraki, Japan: Japan Atomic Energy Research Institute. pp. 618–623.
  15. ^ abcde 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. ^ abc Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: «Оценка безопасности по ядерной критичности. Данные и пределы для актинидов при транспортировке», стр. 16
  17. ↑ Кэри Саблетт, Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии: Раздел 6.0 Ядерные материалы, 20 февраля 1999 г.
  18. ^ [ сомнительно – обсудить ] Макхиджани, Арджун; Чалмерс, Лоис; Смит, Брайс (15 октября 2004 г.). «Обогащение урана: простые факты для стимулирования информированных дебатов по ядерному распространению и ядерной энергетике» (PDF) . Институт исследований энергетики и окружающей среды . Получено 17 мая 2017 г.
  19. ^ "Thorium - World Nuclear Association". world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 18 октября 2024 г. . Получено 18 октября 2024 г. .
  20. ^ Определение оружейного урана-233 ORNL /TM-13517
  21. ^ Часто задаваемые вопросы о ядерных материалах
  22. ^ "Все о плутонии | Orano". orano.group . Архивировано из оригинала 18 октября 2024 г. Получено 18 октября 2024 г.
  23. ^ "Разработка передовых технологий переработки" (PDF) . Международное агентство по атомной энергии . 24 октября 2024 г.
  24. ^ "Реакторный и оружейный плутоний в ядерных взрывчатых веществах". Оценка нераспространения и контроля над вооружениями альтернатив хранения оружейных расщепляющихся материалов и утилизации избыточного плутония (выдержка) . Министерство энергетики США. Январь 1997 г. Получено 5 сентября 2011 г.
  25. ↑ Мэтью Банн и Джон П. Холдрен (ноябрь 1997 г.). «УПРАВЛЕНИЕ ВОЕННЫМ УРАНОМ И ПЛУТОНИЕМ В СОЕДИНЕННЫХ ШТАТАХ 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. Wikidata  Q56853752..
  26. ^ J. Carson Mark (август 1990 г.). "Reactor Grade Plutonium's Explosive Properties" (PDF) . Nuclear Control Institute. Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2010 г. . Получено 10 мая 2010 г. .
  27. ^ Россин, Дэвид. «Политика США по переработке отработанного топлива: проблемы». PBS . Получено 29 марта 2014 г.
  28. ^ "Дополнительная информация о подземном испытании ядерного оружия с использованием реакторного плутония". Министерство энергетики США . Июнь 1994 г. Получено 15 марта 2007 г.
  29. ^ "Плутоний". Всемирная ядерная ассоциация. Март 2009. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года . Получено 28 февраля 2010 года .

Внешние ссылки