Кіріспе
Ядролық қару жасауға қолданылатын, жеткілікті таза ядролық материал. Ядролық қару сапасындағы ядролық материал – ядролық қару жасау үшін жеткілікті таза және оны ядролық қаруды пайдалануға ерекше қолайлы ететін қасиеттері бар кез келген бөлінетін ядролық материал. Ядролық қаруларда әдетте қолданылатын плутоний мен уран түрлері ең көп таралған мысалдар. (Бұл ядролық материалдар тазалығына қарай басқа да жіктеледі.) Ядролық қаруда қолдануға әлеуеті бар тек белгілі бір элементтердің бөлінетін изотоптары ғана. Мұндай қолдану үшін қолданылатын элементте уран-235 және плутоний-239 изотоптарының концентрациясы жеткілікті деңгейде болуы керек. Табиғи көздерден алынған уран изотоптарды бөлу арқылы байытылады, ал плутоний тиісті ядролық реакторда өндіріледі. 233 уранмен (торий отын циклының негізгі бөлігіндегі бөлінетін материал) тәжірибелер жүргізілген. Нептуний-237 және америцийдің кейбір изотоптары қолданылуы мүмкін, бірақ оның іске асырылғаны белгісіз. Бұл заттар – пайдаланылған ядролық отын құрамындағы шағын актинидтердің бір бөлігі.
Weapons grade nuclear material is any fissionable nuclear material that is pure enough to make a nuclear weapon and has properties that make it particularly suitable for nuclear weapons use. Plutonium and uranium in grades normally used in nuclear weapons are the most common examples. (These nuclear materials have other categorizations based on their purity.) Only fissile isotopes of certain elements have the potential for use in nuclear weapons. For such use, the concentration of fissile isotopes uranium 235 and plutonium 239 in the element used must be sufficiently high. Uranium from natural sources is enriched by isotope separation, and plutonium is produced in a suitable nuclear reactor. Experiments have been conducted with uranium 233 (the fissile material at the heart of the thorium fuel cycle). Neptunium 237 and some isotopes of americium might be usable, but it is not clear that this has ever been implemented. The latter substances are part of the minor actinides in spent nuclear fuel.
Критикалық масса
Кез келген қару сапасындағы ядролық материал қаруда қолдануға болатындай, жеткілікті кішкентай сыни массаға ие болуы керек. Кез келген материалдың сыни массасы – тұрақты ядролық тізбекті реакцияны қамтамасыз етуге қажетті ең аз мөлшер. Сонымен қатар, әртүрлі изотоптардың сыни массасы әртүрлі болады, ал көптеген радиоактивті изотоптардың сыни массасы шексіз, себебі бір атомның ыдырауы көршілес бірнеше атомның ұқсас ыдырауын тудыра алмайды. Мысалы, уран-238-дің сыни массасы шексіз, ал уран-233 және уран-235-тің сыни массалары шекті. Кез келген изотоптың сыни массасына қоспалар мен материалдың физикалық пішіні әсер етеді. Ең төменгі сыни массаға және ең кішкентай физикалық өлшемдерге ие пішін – шар. Кейбір актинидтердің қалыпты тығыздықтағы бос шар тәрізді сыни массалары тіркелген кестеде келтірілген. Шардың массасы туралы көптеген мәліметтер құпия сақталады, бірақ кейбір құжаттар бұрынғысынша жарияланды.
Қару құралына арналған уран
Табиғи уран изотоптық байыту арқылы қару-жараққа жарамды болады. Бастапқыда оның шамамен 0,7% ғана бөлінетін U 235 болып табылады, ал қалғаны дерлік толығымен U 238 (238 ураннан) тұрады. Олар әртүрлі массалары арқылы бөлінеді. Жоғары байытылған уран, егер 90% U 235 дейін байытылса, қару-жараққа жарамды деп есептеледі. U 233 торий 232-ден нейтрон ұстау арқылы өндіріледі. Осылай өндірілген U 233 байытуды қажет етпейді және қалдық Th 232-ден салыстырмалы түрде оңай химиялық жолмен бөліне алады. Сондықтан ол арнайы ядролық материал ретінде тек жалпы мөлшері бойынша ғана реттеледі. U 233 таралу қаупін жою үшін U 238-бен қасақана араластырылуы мүмкін. Осылайша, U 233 қаруландыру үшін өте қолайлы көрінсе де, осы мақсатқа жетуге кедергі келтіретін маңызды фактор – жанама реакциялар нәтижесінде U 232 іздік мөлшерлерінің өндірілуі. U 232 қауіптілігі, оның таллий 208 сияқты жоғары радиоактивті ыдырау өнімдерінің салдарынан, тіпті 5 миллионнан бір бөлік мөлшерінде де маңызды. Имплозиялық ядролық қарулар үшін U 232 деңгейі 50 PPM-нен төмен болуы керек (одан жоғары U 233 "төмен сапалы" деп есептеледі; мысалы, "Стандартты қару-жараққа арналған плутонийдің құрамында Pu 240 6,5%-дан аспауы керек", бұл 65 000 PPM, ал соған ұқсас Pu 238 0,5% (5000 PPM) немесе одан да аз мөлшерде өндірілген). Оқ түрдегі бөліну қаруларына U 232 деңгейінің төмен болуы және 1 PPM шамасындағы жеңіл қоспалардың төмен деңгейі қажет.
Қару-жараққа арналған плутоний
Pu 239 ядролық реакторларда жасанды түрде өндіріледі, ол нейтронды U 238 сіңіріп, U 239 құрайды, содан кейін екі қадамдық процесте Pu 239 болып ыдырайды. Оны ядролық қайта өңдеу зауытында ураннан бөліп алуға болады. Қарулық сападағы плутоний негізінен Pu 239, әдетте шамамен 93% Pu 239 болып анықталады. Pu 240 Pu 239 қосымша нейтронды сіңіріп, бөлінуге ұшырамағанда пайда болады. Pu 240 және Pu 239 қайта өңдеу кезінде бөлінбейді. Pu 240 жоғары деңгейде спонтанды ыдырауға бейім, бұл ядролық қарудың ерте жарылуына себеп болуы мүмкін. Бұл плутонийді тапанша типтес ядролық қаруларда қолдануға жарамсыз етеді. Өндірілген плутонийдегі Pu 240 концентрациясын азайту үшін, қарулық бағдарламаның плутоний өндіру реакторлары (мысалы, B реакторы) уранды ядролық электр станциялары үшін қалыптыдан әлдеқайда қысқа уақытқа сәулелендіреді. Нақтырақ айтқанда, қарулық сападағы плутоний төмен дәрежеде күйдірілген ураннан алынады. Бұл осы екі типтегі реакторлар арасындағы маңызды айырмашылықты көрсетеді. Ядролық электр станциясында жоғары дәрежеде күйдіру қажет. Электр энергиясын немесе қару-жарақ материалдарын өндіруге арналған ескірген британдық Magnox және француздық UNGG реакторлары сияқты станциялар, қарулық сападағы плутоний өндіру үшін отынды жиі ауыстырып, онлайн отын құюды қолдана отырып, төмен қуат деңгейінде жұмыс істеді. Мұндай операция электр энергиясын өндіру үшін ең көп қолданылатын жеңіл су реакторларымен мүмкін емес. Оларда реакторды тоқтату және сәулеленген отынға қол жеткізу үшін қысымды ыдысты ажырату қажет. LWR пайдаланылған отынынан алынған плутоний, қарулық сапаға жетпесе де, кез келген деңгейдегі ядролық қаруды өндіруге қолданылуы мүмкін, бірақ қарапайым конструкцияларда тек аз ғана жарылыс күшін бере алады. Реакторлық сападағы плутонийден жасалған қаруды сақтау үшін арнайы салқындату қажет. 1962 жылы АҚШ-тың Невада Ұлттық қауіпсіздік полигонында (бұрынғы Невада сынақ полигоны) Ұлыбританиядағы Magnox реакторында өндірілген қарулық емес плутоний қолданылды. Бұл плутоний 1958 жылғы АҚШ-Ұлыбритания өзара қорғаныс келісімі бойынша АҚШ-қа жеткізілді. Оның изотоптық құрамы, реакторлық сапалы деп сипатталғанынан басқа, жарияланбады және материалды осылай сипаттауда қандай анықтама қолданылғаны да белгілі емес. Плутоний, әдетте, Кальдер Холл немесе Чапелкросс әскери Magnox реакторларынан алынған. 1962 жылғы сынақта пайдаланылған материалдағы Pu 239 мазмұны жарияланбады, бірақ кем дегенде 85% болған деген болжам бар, бұл қазіргі жұмыс істеп тұрған реакторлардан алынған отыннан әлдеқайда жоғары. Кейде, отын қаптамасының зақымдануы сияқты жағдайларда, коммерциялық LWR аз дәрежеде күйдірілген пайдаланылған отынды өндіреді. Егер сәулелену мерзімі жеткілікті қысқа болса, бұл отын қарулық сападағы плутоний өндіру үшін қайта өңделуі мүмкін.