El material nuclear apto para armas es cualquier material nuclear fisionable que sea lo suficientemente puro como para fabricar un arma nuclear y que tenga propiedades que lo hagan particularmente adecuado para el uso de armas nucleares. Los ejemplos más comunes son el plutonio y el uranio en grados normalmente utilizados en armas nucleares. (Estos materiales nucleares tienen otras categorizaciones basadas en su pureza).
Sólo los isótopos fisibles de ciertos elementos tienen potencial para ser utilizados en armas nucleares. Para tal uso, la concentración de isótopos fisibles 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 realizado experimentos con uranio-233 (el material fisionable en el corazón del ciclo del combustible del torio ). El neptunio-237 y algunos isótopos de americio podrían ser utilizables, pero no está claro si esto se ha implementado alguna vez. Estas últimas sustancias forman parte de los actínidos menores del combustible nuclear gastado . [6]
Cualquier material nuclear apto para armas debe tener una masa crítica que sea lo suficientemente pequeña como para justificar su uso en un arma. La masa crítica de cualquier material es la cantidad más pequeña necesaria para una reacción nuclear en cadena sostenida. Además, diferentes isótopos tienen diferentes masas críticas, y la masa crítica de muchos isótopos radiactivos es infinita, porque el modo de desintegración de un átomo no puede inducir una 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 del uranio-235 son finitas.
La masa crítica de cualquier isótopo está influenciada por las impurezas y la forma física del material. La forma con masa crítica mínima y dimensiones físicas más pequeñas es una esfera. Las masas críticas de esfera desnuda a densidad normal de algunos actínidos se enumeran en la tabla adjunta. La mayor parte de la información sobre 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, sólo alrededor del 0,7% es U-235 fisionable , y el resto es casi en su totalidad uranio-238 (U-238). Están separados por sus diferentes masas . El uranio altamente enriquecido se considera apto para armas cuando se ha enriquecido hasta aproximadamente un 90% de U-235. [ cita necesaria ]
El U-233 se produce a partir del torio-232 mediante captura de neutrones . El U-233 producido así no requiere enriquecimiento y puede separarse químicamente con relativa facilidad del Th-232 residual. Por lo tanto, está regulado como material nuclear especial únicamente por la cantidad total presente. El U-233 puede mezclarse intencionalmente con el U-238 para eliminar preocupaciones de proliferación. [19]
Si bien el U-233 parecería ideal para el uso de armas, un obstáculo importante para ese objetivo es la coproducción de trazas de uranio-232 debido a reacciones secundarias. Los peligros del U-232, como resultado de sus productos de desintegración altamente radiactivos, como el talio-208 , son significativos incluso con 5 partes por millón . Las armas nucleares de implosión requieren niveles de U-232 inferiores a 50 PPM (por encima de los cuales el U-233 se considera de "baja calidad"; cf. "El plutonio de calidad estándar para armas requiere un contenido de Pu-240 de no más del 6,5%", que es 65.000 PPM). , y el análogo Pu-238 se produjo en niveles del 0,5% (5000 PPM) o menos). Las armas de fisión tipo pistola 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 el U-238 absorbe un neutrón, formando U-239, que luego se desintegra en un rápido proceso de dos pasos en Pu-239. Luego podrá separarse del uranio en una planta de reprocesamiento nuclear .
El plutonio apto para armas se define como predominantemente Pu-239 , normalmente alrededor del 93% de Pu-239. [21] Pu-240 se produce cuando Pu-239 absorbe un neutrón adicional y no logra fisionarse. Pu-240 y Pu-239 no se separan mediante reprocesamiento. Pu-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea , lo que puede provocar la predetonación de un arma nuclear. Esto hace que el plutonio no sea apto para su uso en armas nucleares tipo pistola . Para reducir la concentración de Pu-240 en el plutonio producido, los reactores de producción de plutonio del programa de armas (p. ej. 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 grado de quemado .
Esto representa una diferencia fundamental entre estos dos tipos de reactor. En una central nuclear, es deseable un alto quemado. Centrales eléctricas como los obsoletos reactores británico Magnox y francés UNGG , que fueron diseñados para producir electricidad o material para armas, funcionaban a bajos niveles de potencia con frecuentes cambios de combustible mediante repostaje en línea para producir plutonio apto para armas. Esta operación no es posible con los reactores de agua ligera más comúnmente utilizados para producir energía eléctrica. En estos casos es necesario apagar el reactor y desmontar el recipiente de presión para poder acceder al combustible irradiado.
El plutonio recuperado del combustible gastado de LWR, aunque no es apto para armas, puede usarse para producir armas nucleares en todos los niveles de sofisticación, [22] aunque en diseños simples puede producir sólo un rendimiento escaso . [23] Las armas fabricadas con plutonio apto para reactores requerirían un enfriamiento especial para mantenerlas almacenadas y listas para su uso. [24] Una prueba realizada en 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 en virtud del Acuerdo de Defensa Mutua entre Estados Unidos y el Reino Unido de 1958 . No se ha revelado su composición isotópica, aparte de la descripción del grado del 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. El contenido de Pu-239 en el material utilizado para la prueba de 1962 no fue revelado, pero se ha inferido que fue al menos del 85%, mucho más alto que el combustible gastado típico de los reactores actualmente en funcionamiento. [26]
En ocasiones, un LWR comercial ha producido combustible gastado de bajo quemado cuando un incidente, como una falla en el revestimiento 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.
Pero 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 armamento nuclear de alto rendimiento y alta fiabilidad, como se explica en la publicación de 1994 del Comité de Seguridad Internacional y Control de Armamentos (CISAC).