Ядерные материалы для создания оружия

Введение

Ядерный материал, достаточно чистый для использования в ядерном оружии

Ядерный материал оружейного качества – это любой делящийся ядерный материал, достаточно чистый для создания ядерного оружия и обладающий свойствами, делающими его особенно подходящим для применения в ядерном оружии. Плутоний и уран марок, обычно используемых в ядерном оружии, являются наиболее распространенными примерами. (Эти ядерные материалы имеют и другие классификации, основанные на степени их чистоты.) Для использования в ядерном оружии потенциал имеют только делящиеся изотопы определенных элементов. Для такого использования концентрация делящихся изотопов урана-235 и плутония-239 в используемом элементе должна быть достаточно высокой. Уран, полученный из природных источников, обогащается путем разделения изотопов, а плутоний производится в подходящем ядерном реакторе. Проводились эксперименты с ураном-233 (делящийся материал, лежащий в основе ториевого топливного цикла). Нептуний-237 и некоторые изотопы америция могут быть пригодны для использования, но неясно, были ли они когда-либо реализованы. Последние вещества являются частью минорных актинидов в отработавшем ядерном топливе.

Критическая масса

Любой ядерный материал, пригодный для создания оружия, должен обладать критической массой, достаточно малой, чтобы оправдать его применение в оружии. Критическая масса любого материала – это минимальное количество вещества, необходимое для поддержания устойчивой ядерной цепной реакции. Более того, различные 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, тогда как критические массы урана-233 и урана-235 конечны. На критическую массу любого изотопа влияют примеси и физическая форма материала. Форма с минимальной критической массой и наименьшими физическими размерами – это сфера. В прилагаемой таблице приведены значения критических масс некоторых актинидов для голых сфер при нормальной плотности. Большая часть информации о массах голых сфер является конфиденциальной, но некоторые документы были рассекречены.

Уран оружейного назначения

Природный уран превращают в оружейный путем изотопного обогащения. Изначально лишь около 0,7% его составляет делящийся уран-235, а остальное почти полностью состоит из урана-238 (U 238). Их разделяют по разной массе. Высокообогащенный уран считается оружейным, когда он обогащен до примерно 90% U 235. U-233 получают 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. U-233 может быть намеренно разбавлен U-238 для снижения рисков распространения. Хотя U-233 кажется идеальным для создания оружия, существенным препятствием на этом пути является сопутствующее производство следовых количеств урана-232 в результате побочных реакций. Опасность, связанная с U-232, обусловлена его высокорадиоактивными продуктами распада, такими как таллий-208, и является значительной даже при концентрации 5 частей на миллион. Для имплозионного ядерного оружия требуется содержание U-232 ниже 50 PPM (выше которого U-233 считается "низким сортом"; ср. "Стандартный оружейный плутоний требует содержания Pu-240 не более 6,5%", что составляет 65 000 PPM, а аналогичный Pu-238 производился в концентрациях 0,5% (5000 PPM) или меньше). Для оружия типа "пушка" требуются низкие уровни U-232 и низкие уровни легких примесей порядка 1 PPM.

Плутоний для оружия

Пу-239 образуется искусственно в ядерных реакторах, когда нейтрон поглощается U-238, формируя U-239, который затем распадается в быстром двухступенчатом процессе в Pu-239. После этого его можно отделять от урана на ядерном перерабатывающем предприятии. Плутоний оружейного качества определяется как состоящий преимущественно из Pu-239, обычно около 93% Pu-239. Pu-240 образуется, когда Pu-239 поглощает дополнительный нейтрон и не расщепляется. Pu-240 и Pu-239 не разделяются в процессе переработки. Pu-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что может привести к преждевременному взрыву ядерного оружия. Это делает плутоний непригодным для использования в пушечных ядерных устройствах. Для снижения концентрации Pu-240 в производимом плутонии реакторы, предназначенные для производства плутония в рамках оружейной программы (например, реактор B), облучают уран значительно меньшее время, чем это обычно требуется для ядерного энергетического реактора. Более точно, плутоний оружейного качества получают из урана, облученного до низкой степени выгорания. Это представляет собой принципиальное различие между этими двумя типами реакторов. На атомных электростанциях желательно высокое выгорание топлива. Электростанции, такие как устаревшие британские реакторы Magnox и французские реакторы UNGG, которые были спроектированы для производства либо электроэнергии, либо оружейных материалов, работали на низких уровнях мощности с частой заменой топлива и использованием онлайн-дозаправки для производства плутония оружейного качества. Такая эксплуатация невозможна с легководными реакторами, которые наиболее часто используются для производства электроэнергии. В этих реакторах необходимо остановить реактор и разобрать корпус высокого давления, чтобы получить доступ к облученному топливу. Плутоний, извлеченный из отработавшего топлива ЛВР, хотя и не является оружейным, может быть использован для создания ядерного оружия любой степени сложности, хотя в простых конструкциях он может давать лишь незначительный выход энергии. Оружие, изготовленное из плутония реакторного качества, потребует специального охлаждения для хранения и поддержания его в готовности к применению. В 1962 году на территории Национального комплекса безопасности США в Неваде (ранее известной как Невадский полигон) было использовано плутоний не оружейного качества, произведенный на реакторе Magnox в Великобритании. 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 указания на то, что это плутоний реакторного качества, и не было сообщено, какое определение использовалось для описания материала таким образом. Предположительно, плутоний был получен с военных реакторов Magnox на Кальдер-Холле или Чапелкроссе. Содержание Pu-239 в материале, использованном в испытании 1962 года, не было раскрыто, но было установлено, что оно составляло не менее 85%, что значительно выше, чем типичное отработавшее топливо с действующих реакторов. В отдельных случаях коммерческие ЛВР производили отработавшее топливо с низкой степенью выгорания, когда инцидент, такой как повреждение топливной оболочки, потребовал досрочной дозаправки. Если период облучения был достаточно коротким, это отработавшее топливо можно было бы переработать для производства плутония оружейного качества.

Pu 239 is produced artificially in nuclear reactors when a neutron is absorbed by U 238, forming U 239, which then decays in a rapid two step process into Pu 239. It can then be separated from the uranium in a nuclear reprocessing plant. Weapons grade plutonium is defined as being predominantly Pu 239, typically about 93% Pu 239. Pu 240 is produced when Pu 239 absorbs an additional neutron and fails to fission. Pu 240 and Pu 239 are not separated by reprocessing. Pu 240 has a high rate of spontaneous fission, which can cause a nuclear weapon to pre detonate. This makes plutonium unsuitable for use in gun type nuclear weapons. To reduce the concentration of Pu 240 in the plutonium produced, weapons program plutonium production reactors (e. g. B Reactor) irradiate the uranium for a far shorter time than is normal for a nuclear power reactor. More precisely, weapons grade plutonium is obtained from uranium irradiated to a low burnup. This represents a fundamental difference between these two types of reactor. In a nuclear power station, high burnup is desirable. Power stations such as the obsolete British Magnox and French UNGG reactors, which were designed to produce either electricity or weapons material, were operated at low power levels with frequent fuel changes using online refuelling to produce weapons grade plutonium. Such operation is not possible with the light water reactors most commonly used to produce electric power. In these the reactor must be shut down and the pressure vessel disassembled to gain access to the irradiated fuel. Plutonium recovered from LWR spent fuel, while not weapons grade, can be used to produce nuclear weapons at all levels of sophistication, though in simple designs it may produce only a fizzle yield. Weapons made with reactor grade plutonium would require special cooling to keep them in storage and ready for use. A 1962 test at the U. S. Nevada National Security Site (then known as the Nevada Proving Grounds) used non weapons grade plutonium produced in a Magnox reactor in the United Kingdom. The plutonium used was provided to the United States under the 1958 US–UK Mutual Defence Agreement. Its isotopic composition has not been disclosed, other than the description reactor grade, and it has not been disclosed which definition was used in describing the material this way. The plutonium was apparently sourced from the military Magnox reactors at Calder Hall or Chapelcross. The content of Pu 239 in material used for the 1962 test was not disclosed, but has been inferred to have been at least 85%, much higher than typical spent fuel from currently operating reactors. Occasionally, low burnup spent fuel has been produced by a commercial LWR when an incident such as a fuel cladding failure has required early refuelling. If the period of irradiation has been sufficiently short, this spent fuel could be reprocessed to produce weapons grade plutonium.