El material nuclear apto para armas nucleares es cualquier material nuclear fisionable que sea lo suficientemente puro como para fabricar un arma nuclear y que tenga propiedades que lo hagan especialmente adecuado para su uso en armas nucleares. El plutonio y el uranio en los grados que normalmente se utilizan en armas nucleares son los ejemplos más comunes. (Estos materiales nucleares tienen otras categorizaciones en función de su pureza).
Sólo los isótopos fisionables de ciertos elementos tienen potencial para ser utilizados en armas nucleares. Para tal uso, la concentración de isótopos fisionables uranio-235 y plutonio-239 en el elemento utilizado debe ser suficientemente alta. El uranio de fuentes naturales se enriquece mediante separación de isótopos y el plutonio se produce en un reactor nuclear adecuado .
Se han llevado a cabo experimentos con uranio-233 (el material fisionable que constituye el núcleo del ciclo del combustible nuclear torio ). El neptunio-237 y algunos isótopos del americio podrían ser utilizables, pero no está claro que esto se haya implementado alguna vez. Estas últimas sustancias forman parte de los actínidos menores en el combustible nuclear gastado . [6]
Todo material nuclear apto para la fabricación de armas debe tener una masa crítica lo suficientemente pequeña como para justificar su uso en un arma. La masa crítica de cualquier material es la cantidad mínima necesaria para que se produzca una reacción nuclear en cadena sostenida. Además, los distintos isótopos tienen masas críticas diferentes, y la masa crítica de muchos isótopos radiactivos es infinita, porque el modo de desintegración de un átomo no puede inducir la desintegración similar de más de un átomo vecino. Por ejemplo, la masa crítica del uranio-238 es infinita, mientras que las masas críticas del uranio-233 y el uranio-235 son finitas.
La masa crítica de cualquier isótopo está influenciada por las impurezas y la forma física del material. La forma con la masa crítica mínima y las dimensiones físicas más pequeñas es una esfera. Las masas críticas de esferas desnudas a densidad normal de algunos actínidos se enumeran en la tabla adjunta. La mayor parte de la información sobre las masas de esferas desnudas está clasificada, pero algunos documentos han sido desclasificados. [7]
Al menos diez países han producido material nuclear apto para armas: [18]
El uranio natural se convierte en apto para armas mediante enriquecimiento isotópico . Inicialmente, solo alrededor del 0,7 % es U-235 fisible , y el resto es casi en su totalidad uranio-238 (U-238). Se separan por sus diferentes masas . El uranio altamente enriquecido se considera apto para armas cuando se ha enriquecido hasta aproximadamente el 90 % de U-235. [ cita requerida ]
El U-233 se produce a partir del torio-232 mediante captura de neutrones . El U-233 producido no requiere enriquecimiento y se puede separar químicamente con relativa facilidad del Th-232 residual. Por lo tanto, se regula como material nuclear especial solo por la cantidad total presente. El U-233 se puede mezclar intencionalmente con el U-238 para eliminar los problemas de proliferación. [19]
Si bien el U-233 parecería ideal para la fabricación de armas, un obstáculo importante para ese objetivo es la coproducción de cantidades traza de uranio-232 debido a reacciones secundarias. Los peligros del U-232, resultado de sus productos de desintegración altamente radiactivos, como el talio-208 , son significativos incluso a 5 partes por millón . Las armas nucleares de implosión requieren niveles de U-232 por debajo de 50 ppm (por encima de los cuales el U-233 se considera de "bajo grado"; cf. "El plutonio de grado armamentístico estándar requiere un contenido de Pu-240 de no más del 6,5%", que es de 65.000 ppm, y el análogo Pu-238 se produjo en niveles de 0,5% (5000 ppm) o menos). Las armas de fisión de tipo cañón requerirían niveles bajos de U-232 y niveles bajos de impurezas ligeras del orden de 1 ppm. [20]
El Pu-239 se produce artificialmente en reactores nucleares cuando un neutrón es absorbido por el U-238, formando U-239, que luego se desintegra en un rápido proceso de dos pasos en Pu-239. Luego puede separarse del uranio en una planta de reprocesamiento nuclear .
El plutonio apto para armas se define como predominantemente Pu-239 , típicamente alrededor del 93% Pu-239. [21] Pu-240 se produce cuando Pu-239 absorbe un neutrón adicional y no se fisiona. Pu-240 y Pu-239 no se separan mediante reprocesamiento. Pu-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea , que puede causar que un arma nuclear detone previamente. Esto hace que el plutonio no sea adecuado para su uso en armas nucleares de tipo cañón . Para reducir la concentración de Pu-240 en el plutonio producido, los reactores de producción de plutonio del programa de armas (por ejemplo, el reactor B ) irradian el uranio durante un tiempo mucho más corto de lo normal para un reactor de energía nuclear . Más precisamente, el plutonio apto para armas se obtiene a partir de uranio irradiado a un bajo quemado .
Esto representa una diferencia fundamental entre estos dos tipos de reactores. En una central nuclear, es deseable un alto grado de quemado. Las centrales eléctricas como los obsoletos reactores británicos Magnox y franceses UNGG , que fueron diseñados para producir electricidad o material para armas, funcionaban a niveles de potencia bajos con cambios frecuentes de combustible utilizando reabastecimiento en línea para producir plutonio apto para armas. Tal funcionamiento no es posible con los reactores de agua ligera que se utilizan más comúnmente para producir energía eléctrica. En estos casos, el reactor debe apagarse y el recipiente de presión debe desmontarse para tener acceso al combustible irradiado.
El plutonio recuperado del combustible gastado de LWR, aunque no es apto para armas, se puede utilizar para producir armas nucleares en todos los niveles de sofisticación, [22] aunque en diseños simples puede producir solo un rendimiento de chisporroteo . [23] Las armas fabricadas con plutonio de grado reactor requerirían un enfriamiento especial para mantenerlas almacenadas y listas para su uso. [24] Una prueba de 1962 en el Sitio de Seguridad Nacional de Nevada de EE. UU. (entonces conocido como Nevada Proving Grounds) utilizó plutonio no apto para armas producido en un reactor Magnox en el Reino Unido. El plutonio utilizado fue proporcionado a los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Defensa Mutua entre EE. UU. y el Reino Unido de 1958. Su composición isotópica no ha sido revelada, aparte de la descripción de grado reactor , y no se ha revelado qué definición se utilizó para describir el material de esta manera. [25] El plutonio aparentemente se obtuvo de los reactores militares Magnox en Calder Hall o Chapelcross. No se reveló el contenido de Pu-239 en el material utilizado para la prueba de 1962, pero se ha deducido que fue al menos del 85%, mucho más alto que el combustible gastado típico de los reactores actualmente en funcionamiento. [26]
En ocasiones, un reactor de agua ligera comercial ha producido combustible gastado de bajo grado de combustión cuando un incidente, como una falla en la vaina del combustible, ha requerido un reabastecimiento temprano. Si el período de irradiación ha sido lo suficientemente corto, este combustible gastado podría reprocesarse para producir plutonio apto para armas.
no hay duda de que el plutonio apto para reactores obtenido a partir del reprocesamiento del combustible gastado de LWR puede utilizarse fácilmente para fabricar armas nucleares de alto rendimiento y alta confiabilidad, como se explica en la publicación de 1994 del Comité de Seguridad Internacional y Control de Armamentos (CISAC).