En el diseño de armas nucleares , el núcleo de un arma nuclear de implosión es el núcleo , que consiste en material fisible y cualquier reflector de neutrones o manipulador unido a él. Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron núcleos hechos con uranio-235 solo, o como un compuesto con plutonio . [1] Los núcleos hechos completamente de plutonio son los más pequeños en diámetro y han sido el estándar desde principios de la década de 1960. El núcleo recibe su nombre del núcleo duro que se encuentra en frutas de hueso como los melocotones y los albaricoques . [2]
Los pozos de las primeras armas nucleares eran sólidos, con un iniciador de neutrones en forma de erizo en su centro. El Gadget y el Fat Man usaban pozos hechos de 6,2 kg de aleación sólida de plutonio y galio prensada en caliente (a 400 °C y 200 MPa en matrices de acero, 750 °F y 29 000 psi) en forma de semiesferas de 9,2 cm (3,6 pulgadas) de diámetro, con una cavidad interna de 2,5 cm (1 pulgada) para el iniciador. El pozo del Gadget estaba recubierto con 0,13 mm de plata debido a la susceptibilidad del plutonio a la corrosión en una atmósfera de oxígeno. Sin embargo, esta capa desarrolló ampollas, que tuvieron que ser pulidas. Estos huecos fueron tapados con pan de oro antes de la prueba. El pozo del Fat Man, y los de los modelos posteriores, estaban todos recubiertos con níquel . [3] Se consideró y se supo que un pozo hueco era más eficiente, pero finalmente se rechazó debido a los mayores requisitos de precisión de implosión. [ cita requerida ]
Los diseños posteriores utilizaron iniciadores TOM de diseño similar pero con diámetros de solo 1 cm ( 3 ⁄ 8 in). Los iniciadores de neutrones internos fueron posteriormente eliminados y reemplazados por fuentes de neutrones pulsados y por armas de fisión potenciadas. [ cita requerida ]
Los núcleos sólidos se conocían como el diseño " Christy ", en honor a Robert Christy , quien hizo realidad el diseño del pozo sólido después de que fuera propuesto inicialmente por Edward Teller . [4] [5] [6] Junto con el pozo, todo el paquete de física también fue apodado informalmente "el gadget de Christy". [7]
La eficiencia de la implosión se puede aumentar dejando un espacio vacío entre el pisón y el pozo, lo que provoca una rápida aceleración de la onda de choque antes de que impacte en el pozo. Este método se conoce como implosión de pozo levitado . Los pozos levitados se probaron en 1948 con bombas de estilo Fat Man ( Mark IV ). Las primeras armas con un pozo levitado tenían un pozo extraíble, llamado pozo abierto . Se almacenaba por separado, en una cápsula especial llamada jaula de pájaros . [8]
Durante la implosión de un pozo hueco, la capa de plutonio se acelera hacia adentro, chocando en el medio y formando una esfera supercrítica altamente densa. Debido al impulso adicional, el propio plutonio juega parte del papel del manipulador, requiriendo una menor cantidad de uranio en la capa de manipulación, reduciendo el peso y el tamaño de la ojiva. Los pozos huecos son más eficientes que los sólidos, pero requieren una implosión más precisa; por lo tanto, los pozos sólidos "Christy" fueron los preferidos para los primeros diseños de armas. Después del final de la guerra en agosto de 1945, el laboratorio se centró nuevamente en el problema del pozo hueco, y durante el resto del año estuvieron dirigidos por Hans Bethe , su líder de grupo y sucesor de la división teórica, siendo el núcleo compuesto hueco el de mayor interés, [9] debido al costo del plutonio y los problemas para aumentar la producción de los reactores Hanford.
La eficiencia de los pozos huecos puede aumentarse aún más inyectando una mezcla de deuterio y tritio al 50%/50% en la cavidad inmediatamente antes de la implosión, lo que se denomina "refuerzo de fusión" ; esto también reduce la cantidad mínima de plutonio para lograr una explosión exitosa. El mayor grado de control de la iniciación, tanto por la cantidad de mezcla de deuterio y tritio inyectada como por el momento y la intensidad del pulso de neutrones del generador externo, facilitó el diseño de armas de rendimiento variable . [ cita requerida ]
En el período inicial del desarrollo de armas nucleares, el suministro de plutonio-239 era escaso. Para reducir la cantidad necesaria para un núcleo, se desarrolló un núcleo compuesto , en el que una capa hueca de plutonio estaba rodeada por una capa exterior de uranio altamente enriquecido , que entonces era más abundante . Los núcleos compuestos estaban disponibles para las bombas nucleares Mark 3 a fines de 1947. [10] Por ejemplo, un núcleo compuesto para una bomba Mark 4 estadounidense, el núcleo 49-LCC-C, estaba hecho de 2,5 kg de plutonio y 5 kg de uranio. Su explosión libera solo el 35% de la energía del plutonio y el 25% del uranio, por lo que no es muy eficiente, pero el ahorro de peso del plutonio es significativo. [11]
Otro factor para considerar diferentes materiales de fosas es el diferente comportamiento del plutonio y el uranio. [12] El plutonio se fisiona más rápido y produce más neutrones, pero entonces era más caro de producir y escaso debido a las limitaciones de los reactores disponibles. El uranio es más lento en fisionarse, por lo que se puede ensamblar en una masa más supercrítica, lo que permite un mayor rendimiento del arma. Un núcleo compuesto se consideró ya en julio de 1945, y los núcleos compuestos estuvieron disponibles en 1946. La prioridad para Los Álamos entonces era el diseño de una fosa de uranio. Los nuevos diseños de fosa fueron probados por la Operación Sandstone .
El núcleo de solo plutonio, con su alta tasa de neutrones de fondo, tenía una alta probabilidad de predetonación , con un rendimiento reducido. [13] Minimizar esta probabilidad requería una masa menor de plutonio, lo que limitaba el rendimiento alcanzable a aproximadamente 10 kt, o usar plutonio-239 altamente puro con un nivel imprácticamente bajo de contaminación por plutonio-240. La ventaja del núcleo compuesto era la posibilidad de mantener rendimientos más altos mientras se mantenía bajo el riesgo de predetonación y de utilizar ambos materiales fisionables disponibles. La limitación del rendimiento se volvió irrelevante a mediados de la década de 1950 con la llegada del refuerzo de la fusión y más tarde con el uso de armas de fusión. [14]
El rendimiento de un arma también se puede controlar seleccionando entre una selección de fosos. Por ejemplo, la bomba nuclear Mark 4 podría estar equipada con tres fosos diferentes: 49-LTC-C (uranio-235 levitado, probado en la prueba Zebra el 14 de mayo de 1948), 49-LCC-C (uranio-plutonio compuesto levitado) y 50-LCC-C (compuesto levitado). [15] Este enfoque no es adecuado para la selección de campo del rendimiento de las armas más modernas con fosos no extraíbles, pero permite la producción de múltiples subtipos de armas con diferentes rendimientos para diferentes usos tácticos. Los primeros diseños estadounidenses se basaron en conjuntos de fosos estandarizados Tipo C y Tipo D. La bomba Mark 4 utilizó los fosos Tipo C y Tipo D, que eran insertables manualmente en vuelo. La bomba Mark 5 utilizó fosos Tipo D, con inserción automatizada en vuelo; la ojiva W-5 utilizó lo mismo. Su sucesora, la bomba Mark 6 , presumiblemente utilizó los mismos pozos o similares. [ cita requerida ]
El pozo puede estar compuesto de plutonio-239, compuesto de plutonio-239/uranio-235, o solo uranio-235. El plutonio es la opción más común, pero, por ejemplo, la bomba Violet Club [16] y la ojiva Orange Herald utilizaron pozos huecos masivos, que consistían en 87 y 117 kg (98 y 125 kg según otras fuentes) de uranio altamente enriquecido . El núcleo de fisión Green Grass consistía en una esfera de uranio altamente enriquecido, con un diámetro interno de 560 mm, un espesor de pared de 3,6 mm y una masa de 70-86 kg; el pozo estaba completamente sostenido por el tamper de uranio natural circundante. Tales pozos masivos, que consisten en más de una masa crítica de material fisionable, presentan un riesgo de seguridad significativo, ya que incluso una detonación asimétrica de la carcasa de implosión puede causar una explosión del rango de un kilotón. [17] La bomba nuclear de fisión pura de mayor rendimiento, la bomba nuclear Mark 18 de 500 kilotones , utilizaba un pozo hueco compuesto de más de 60 kg de uranio altamente enriquecido, aproximadamente cuatro masas críticas; la seguridad se hacía con una cadena de aluminio y boro insertada en el pozo.
En 1955, durante la Operación Teapot , en el ensayo MET , se probó un núcleo compuesto de plutonio y uranio-233 , basado en el núcleo de plutonio-U235 de la bomba nuclear TX-7E Mark 7. El rendimiento fue de 22 kilotones en lugar de los 33 kilotones esperados. [ cita requerida ]
Un pozo sellado significa que se forma una barrera de metal sólida alrededor del pozo dentro de un arma nuclear, sin aberturas. Esto protege los materiales nucleares de la degradación ambiental y ayuda a reducir las posibilidades de que se liberen en caso de un incendio accidental o una explosión menor. La primera arma estadounidense que empleó un pozo sellado fue la ojiva W25 . El metal suele ser acero inoxidable , pero también se utilizan berilio , aluminio y posiblemente vanadio . El berilio es frágil, tóxico y caro, pero es una opción atractiva debido a su papel como reflector de neutrones , lo que reduce la masa crítica necesaria del pozo. Probablemente haya una capa de metal de interfaz entre el plutonio y el berilio, que captura las partículas alfa de la desintegración del plutonio (y el americio y otros contaminantes) que de lo contrario reaccionarían con el berilio y producirían neutrones. Los apisonadores/reflectores de berilio comenzaron a usarse a mediados de la década de 1950; las piezas se mecanizaron a partir de piezas en bruto de berilio en polvo prensado en la planta de Rocky Flats . [18]
Los pozos de plutonio más modernos son huecos. Una especificación citada a menudo aplicable a algunos pozos modernos describe una esfera hueca de un metal estructural adecuado, del tamaño y peso aproximados de una bola de bolos , con un canal para la inyección de tritio (en el caso de armas de fisión potenciadas ), con la superficie interna revestida de plutonio. El tamaño, generalmente entre una bola de bolos y una pelota de tenis , la precisión de la esfericidad y el peso y la composición isotópica del material fisible, los principales factores que influyen en las propiedades del arma, a menudo se clasifican. Los pozos huecos pueden estar hechos de medias carcasas con tres soldaduras de unión alrededor del ecuador y un tubo soldado (a una carcasa de berilio o aluminio) o soldado con haz de electrones o TIG (a una carcasa de acero inoxidable) para la inyección del gas de refuerzo. [19] Los pozos revestidos de berilio son más vulnerables a la fractura, más sensibles a las fluctuaciones de temperatura, más propensos a requerir limpieza, susceptibles a la corrosión con cloruros y humedad, y pueden exponer a los trabajadores al berilio tóxico.
Las minas más nuevas contienen alrededor de 3 kilogramos de plutonio, mientras que las más antiguas utilizaban entre 4 y 5 kilogramos. [20]
Se logró una mayor miniaturización mediante la implosión lineal . Un pozo sólido subcrítico alargado, remodelado en una forma esférica supercrítica por dos ondas de choque opuestas, y más tarde un pozo hueco con ondas de choque de forma más precisa, permitieron la construcción de ojivas nucleares relativamente muy pequeñas. Sin embargo, se consideró que la configuración era propensa a una detonación accidental de alto rendimiento cuando el explosivo se inicia accidentalmente, a diferencia de un conjunto de implosión esférica donde la implosión asimétrica destruye el arma sin desencadenar una detonación nuclear. Esto requirió precauciones de diseño especiales y una serie de pruebas de seguridad, incluida la seguridad de un punto .
Los pozos pueden ser compartidos entre diseños de armas. Por ejemplo, se dice que la ojiva W89 reutiliza pozos de las W68 . Muchos diseños de pozos están estandarizados y son compartidos entre diferentes paquetes de física; los mismos paquetes de física se utilizan a menudo en diferentes ojivas. Los pozos también pueden ser reutilizados; los pozos sellados extraídos de armas desmontadas se almacenan comúnmente para su reutilización directa. Debido a las bajas tasas de envejecimiento de la aleación de plutonio y galio, se estima que la vida útil de los pozos es de un siglo o más. Los pozos más antiguos del arsenal estadounidense todavía tienen menos de 50 años. [ cita requerida ]
Los depósitos sellados pueden clasificarse como adheridos o no adheridos. Los depósitos no adheridos pueden desmontarse mecánicamente; un torno es suficiente para separar el plutonio. El reciclaje de los depósitos adheridos requiere un procesamiento químico. [19]
Se dice que los pozos de las armas modernas tienen radios de unos 5 cm. [21] [ disputado – discutir ]
Las primeras armas tenían fosas extraíbles que se instalaban en la bomba poco antes de su despliegue. El proceso de miniaturización en curso condujo a cambios en el diseño, por lo que la fosa podía insertarse en la fábrica durante el ensamblaje del dispositivo. Esto requirió pruebas de seguridad para asegurarse de que la detonación accidental de los explosivos de alta potencia no provocara una explosión nuclear a gran escala; el Proyecto 56 fue una de esas series de pruebas.
La detonación accidental de alto rendimiento siempre fue un problema. El diseño de pozo levitado hizo que fuera práctico insertar pozos en las bombas durante el vuelo, separando el núcleo fisible de los explosivos que lo rodeaban. Por lo tanto, muchos casos de pérdidas y explosiones accidentales de bombas solo condujeron a la dispersión de uranio del tamper de la bomba. Sin embargo, los diseños posteriores de pozo hueco, donde no hay espacio entre el pozo y el tamper, hicieron que esto fuera imposible. [ cita requerida ]
Los pozos de las armas anteriores tenían cavidades internas accesibles. Por razones de seguridad , se insertaban objetos en el pozo y se retiraban solo cuando era necesario. Algunos pozos más grandes, por ejemplo, el Green Grass británico , tenían su cavidad interna revestida de caucho y llena de bolas de metal; este diseño era improvisado y estaba lejos de ser óptimo, por ejemplo, en el sentido de que someter el pozo seguro con bolas en el interior a vibraciones, por ejemplo, en un avión, podría provocar su daño. Se puede utilizar en su lugar una fina cadena de metal de un material que absorba neutrones (el mismo que se usa para las barras de control del reactor , por ejemplo, cadmio ). La ojiva W47 tenía su pozo lleno de un alambre de cadmio- boro cuando se fabricó; al armar el arma, el alambre se extraía hasta un carrete con un pequeño motor y no se podía volver a insertar. Sin embargo, el alambre tendía a volverse quebradizo y romperse durante la extracción, lo que hacía imposible su extracción completa y convertía la ojiva en un fracaso. [28]
El cambio de fosas sólidas a fosas huecas provocó un problema de seguridad laboral; la mayor relación superficie-masa condujo a una emisión comparativamente mayor de rayos gamma y requirió la instalación de un mejor blindaje contra la radiación en la planta de producción de Rocky Flats. La mayor cantidad de laminado y mecanizado requeridos condujo a un mayor consumo de aceite de mecanizado y tetraclorometano , utilizado para desengrasar las piezas posteriormente y creando una gran cantidad de desechos contaminados. Las virutas de plutonio pirofórico también planteaban un riesgo de autoignición. [29]
Los pozos sellados requieren un método de seguridad diferente. Se utilizan muchas técnicas, incluidos los enlaces de acción permisiva [30] y los sistemas de enlace fuerte-enlace débil , diseñados para fallar en caso de accidente o secuencia de armado incorrecta; estos incluyen enclavamientos mecánicos, piezas críticas diseñadas para funcionar mal en caso de incendio o impacto, etc.
El revestimiento de berilio, si bien es técnicamente ventajoso, plantea riesgos para los empleados de la planta de armas. El mecanizado de las carcasas de manipulación produce berilio y polvo de óxido de berilio ; su inhalación puede causar beriliosis . En 1996, el Departamento de Energía de los EE. UU. identificó más de 50 casos de beriliosis crónica entre los empleados de la industria nuclear, incluidas tres docenas en la planta de Rocky Flats; varios murieron. [18]
Después del accidente del B-52 de Palomares en 1966 y del B-52 de la Base Aérea Thule en 1968 , la seguridad de las armas contra la dispersión accidental de plutonio se convirtió en una preocupación del ejército estadounidense. [ cita requerida ]
Los pozos resistentes al fuego ( FRP ) son una característica de seguridad de las armas nucleares modernas, que reduce la dispersión de plutonio en caso de incendio. Los pozos actuales están diseñados para contener plutonio fundido a temperaturas de hasta 1000 °C, la temperatura aproximada de un combustible de avión en llamas, durante varias horas. [31] Los pozos resistentes al fuego no serían de ninguna ayuda en los casos en que los pozos se dispersaran por una explosión; por lo tanto, se utilizan junto con explosivos altos insensibles , que deben ser resistentes a la detonación accidental por impacto o fuego, y propelentes indetonables cuando se utilizan en misiles. El revestimiento de vanadio se probó para el diseño de pozos resistentes al fuego, pero se desconoce si está en uso o solo es experimental. La ojiva W87 es un ejemplo de un conjunto que emplea FRP. [32] Sin embargo, el FRP no proporciona protección si el revestimiento del pozo está dañado mecánicamente, y puede fallar si se somete al fuego del combustible de misiles, que tiene una temperatura de combustión más alta (alrededor de 2000 °C) que el combustible de aeronaves. [33] [34] Las severas restricciones de peso y tamaño pueden impedir el uso tanto de FRP como de explosivos insensibles. [35] Los SLBM , con sus consideraciones de tamaño y su combustible más energético y vulnerable, tienden a ser menos seguros que los ICBM . [36]
Otros materiales energéticos en las proximidades del pozo también influyen en su seguridad. Los propulsores de misiles estadounidenses se dividen en dos clases generales. La clase 1.3, con riesgo de incendio pero muy difícil o imposible de detonar; un ejemplo es el perclorato de amonio al 70% , el aluminio al 16% y el aglutinante al 14%. La clase 1.1, con riesgo tanto de incendio como de detonación, es un propulsor de doble base basado en polímero reticulado , que contiene un 52% de HMX , un 18% de nitroglicerina , un 18% de aluminio, un 4% de perclorato de amonio y un 8% de aglutinante. El propulsor 1.1 tiene un impulso específico un 4% mayor (unos 270 s frente a 260 s), lo que proporciona un alcance un 8% mayor para un tiempo de combustión constante. Los explosivos de alta potencia insensibles también son menos potentes, lo que requiere ojivas más grandes y pesadas, lo que reduce el alcance del misil o sacrifica algo de rendimiento. El equilibrio entre seguridad y rendimiento es especialmente importante, por ejemplo, en el caso de los submarinos . [34] A partir de 1990, los SLBM Trident utilizaban tanto combustible detonable como explosivos no insensibles. [37]
La fundición y posterior mecanización del plutonio es difícil no solo por su toxicidad, sino porque el plutonio tiene muchas fases metálicas diferentes , también conocidas como alótropos . A medida que el plutonio se enfría, los cambios de fase dan lugar a distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera al alearlo con 3–3,5% molar (0,9–1,0% en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperaturas. [38] Cuando se enfría desde el estado fundido, sufre un solo cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios por los que pasaría de otra manera. Otros metales trivalentes también funcionarían, pero el galio tiene una pequeña sección transversal de absorción de neutrones y ayuda a proteger el plutonio contra la corrosión . Un inconveniente es que los compuestos de galio en sí mismos son corrosivos y, por lo tanto, si el plutonio se recupera de armas desmanteladas para su conversión en dióxido de plutonio para reactores de potencia , existe la dificultad de eliminar el galio.
Como el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir el foso terminado con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el riesgo tóxico. [39] El Gadget utilizó un recubrimiento de plata galvánica; después, se utilizó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , [39] pero ahora se prefiere el oro . [ cita requerida ]
Para producir las primeras picaduras, se utilizó el prensado en caliente para aprovechar al máximo el escaso plutonio. Los diseños posteriores utilizaron picaduras mecanizadas , pero el torneado produce una gran cantidad de desechos, tanto en forma de virutas pirofóricas de plutonio como de aceites y fluidos de corte contaminados con plutonio . El objetivo para el futuro es la fundición directa de la picadura. Sin embargo, en ausencia de pruebas nucleares, la naturaleza ligeramente diferente de las superficies fundidas y mecanizadas puede causar diferencias de rendimiento difíciles de predecir. [40]
Tanto el uranio como el plutonio son muy susceptibles a la corrosión . Varias de las ojivas W47 UGM-27 Polaris plagadas de problemas tuvieron que ser reemplazadas después de que se descubriera corrosión del material fisible durante el mantenimiento de rutina. Los pozos W58 también sufrieron problemas de corrosión. [41] El pozo W45 era propenso a la corrosión que podía alterar su geometría. [42] El pozo Green Grass también era propenso a la corrosión. La radiactividad de los materiales utilizados también puede causar corrosión por radiación en los materiales circundantes. El plutonio es muy susceptible a la humedad; el aire húmedo aumenta la tasa de corrosión unas 200 veces. El hidrógeno tiene un fuerte efecto catalítico sobre la corrosión; su presencia puede acelerar la tasa de corrosión en 13 órdenes de magnitud. El hidrógeno se puede generar a partir de la humedad y materiales orgánicos cercanos (por ejemplo, plásticos) por radiólisis . Estos factores causan problemas con el almacenamiento de plutonio. El aumento de volumen durante la oxidación puede causar la ruptura de los contenedores de almacenamiento o la deformación de los pozos. [43]
La contaminación del pozo con deuterio y tritio, ya sea accidental o si se llena por diseño, puede causar una corrosión por hidruro, que se manifiesta como corrosión por picaduras y un crecimiento de una capa superficial de hidruro de plutonio pirofórico . También acelera en gran medida las tasas de corrosión por oxígeno atmosférico. [19] El deuterio y el tritio también causan fragilización por hidrógeno en muchos materiales.
Un almacenamiento inadecuado puede favorecer la corrosión de los pozos. Se dice que los contenedores AL-R8 utilizados en las instalaciones de Pantex para el almacenamiento de los pozos promueven la corrosión en lugar de obstaculizarla y tienden a corroerse a sí mismos. El calor de descomposición liberado por los pozos también es un problema; algunos pozos almacenados pueden alcanzar temperaturas de hasta 150 °C y las instalaciones de almacenamiento para un mayor número de pozos pueden requerir refrigeración activa. El control de la humedad también puede presentar problemas para el almacenamiento de los pozos. [44]
El revestimiento de berilio puede corroerse con algunos disolventes utilizados para limpiar las picaduras. Las investigaciones han demostrado que el tricloroetileno (TCE) provoca corrosión por berilio, mientras que el tricloroetano (TCA) no lo hace. [45] La corrosión por picaduras del revestimiento de berilio es una preocupación importante durante el almacenamiento prolongado de picaduras en las instalaciones de Pantex .
La presencia de plutonio-240 en el material de fisión provoca un aumento de la producción de calor y neutrones, perjudica la eficiencia de la fisión y aumenta el riesgo de predetonación y fisión . Por lo tanto, el plutonio apto para armas tiene un contenido de plutonio-240 limitado a menos del 7%. El plutonio de grado superalto tiene menos del 4% del isótopo 240 y se utiliza en sistemas donde la radiactividad es un problema, por ejemplo, en las armas de la Marina de los EE. UU. que tienen que compartir espacios confinados en barcos y submarinos con las tripulaciones.
El plutonio-241 , que normalmente representa alrededor del 0,5% del plutonio apto para armas, se desintegra en americio-241 , que es un potente emisor de radiación gamma . Después de varios años, el americio se acumula en el metal plutonio, lo que lleva a una mayor actividad gamma que plantea un riesgo ocupacional para los trabajadores. Por lo tanto, el americio debe separarse, generalmente químicamente, del plutonio recién producido y reprocesado. [20] Sin embargo, alrededor de 1967, la planta Rocky Flats detuvo esta separación, mezclando hasta el 80% de los viejos residuos que contenían americio directamente en la fundición, con el fin de reducir los costos y aumentar la productividad; esto llevó a una mayor exposición de los trabajadores a la radiación gamma. [29]
El plutonio metálico, especialmente en forma de aleación de plutonio y galio, se degrada principalmente por dos mecanismos: corrosión y autoirradiación.
En aire muy seco, el plutonio, a pesar de su alta reactividad química, forma una capa de pasivación de óxido de plutonio (IV) que ralentiza la corrosión a unos 200 nanómetros por año. Sin embargo, en aire húmedo, esta capa de pasivación se rompe y la corrosión avanza a una velocidad 200 veces mayor (0,04 mm/año) a temperatura ambiente, y 100.000 veces más rápida (20 mm/año) a 100 °C. El plutonio extrae el oxígeno del agua, absorbe el hidrógeno liberado y forma hidruro de plutonio . La capa de hidruro puede crecer hasta 20 cm/hora, para capas más delgadas su formación puede considerarse casi instantánea. En presencia de agua, el dióxido de plutonio se vuelve hiperestequiométrico, hasta PuO 2,26 . Los trozos de plutonio pueden encenderse espontáneamente; El mecanismo implica la formación de una capa de Pu2O3 , que luego se oxida rápidamente a PuO2 , y el calor liberado es suficiente para llevar las partículas pequeñas con baja masa térmica a la temperatura de autoignición (aproximadamente 500 °C).
La autoirradiación se produce cuando el plutonio sufre una desintegración alfa . El átomo de plutonio-239 en desintegración libera una partícula alfa y un núcleo de uranio-235 . La partícula alfa tiene una energía de más de 5 MeV y en la red metálica tiene un alcance de unos 10 micrómetros; luego se detiene, adquiere dos electrones de los átomos cercanos y se convierte en un átomo de helio . El contaminante plutonio-241 se desintegra en beta a americio-241 , que luego se desintegra en alfa a neptunio-237 .
Las partículas alfa pierden la mayor parte de su energía en forma de electrones, lo que se manifiesta en el calentamiento del material. El núcleo de uranio, más pesado, tiene una energía de unos 85 keV y unas tres cuartas partes de ella se depositan como una cascada de desplazamientos atómicos; el propio núcleo de uranio tiene un alcance de unos 12 nanómetros en la red. Cada uno de estos eventos de desintegración influye en unos 20.000 átomos más, el 90% de los cuales permanecen en su sitio de la red y solo se excitan térmicamente, mientras que el resto se desplaza, lo que da lugar a la formación de unos 2500 pares de Frenkel y un pico térmico local que dura unos pocos picosegundos, durante el cual los defectos recién formados se recombinan o migran. En un material a granel típico de grado armamentístico, cada átomo se desplaza en promedio una vez cada 10 años.
A temperaturas criogénicas, donde casi no se produce recocido, la fase α del plutonio se expande (se hincha) durante la autoirradiación, la fase δ se contrae notablemente y la fase β se contrae ligeramente. La resistencia eléctrica aumenta, lo que indica el aumento de los defectos en la red. Las tres fases, con el tiempo suficiente, convergen al estado amorfo con una densidad media de 18,4 g/cm 3 . Sin embargo, a temperatura normal, la mayor parte del daño se elimina por recocido; por encima de los 200 K, las vacantes se vuelven móviles y alrededor de los 400 K, los grupos de intersticiales y vacantes se recombinan, reparando el daño. El plutonio almacenado a temperaturas no criogénicas no muestra signos de grandes cambios estructurales macroscópicos después de más de 40 años.
Después de 50 años de almacenamiento, una muestra típica contiene 2000 ppm de helio, 3700 ppm de americio, 1700 ppm de uranio y 300 ppm de neptunio. Un kilogramo de material contiene 200 cm3 de helio, lo que equivale a tres atmósferas de presión en el mismo volumen vacío. El helio migra a través de la red de manera similar a los espacios vacíos, y puede quedar atrapado en ellos. Los espacios vacíos ocupados por helio pueden fusionarse, formando burbujas y causando hinchazón. Sin embargo, la hinchazón por vacío es más probable que la hinchazón por burbujas. [46]
El Sistema de Identificación de Radiación se encuentra entre una serie de métodos desarrollados para las inspecciones de armas nucleares. Permite la identificación de las armas nucleares para que se pueda verificar su identidad y estado. Se utilizan varios métodos físicos, incluida la espectroscopia gamma con detectores de germanio de alta resolución . La línea de 870,7 keV en el espectro, correspondiente al primer estado excitado del oxígeno-17 , indica la presencia de óxido de plutonio (IV) en la muestra. La edad del plutonio se puede establecer midiendo la relación entre el plutonio-241 y su producto de desintegración, el americio-241 . [47] Sin embargo, incluso las mediciones pasivas de los espectros gamma pueden ser un tema polémico en las inspecciones de armas internacionales, ya que permiten la caracterización de los materiales utilizados, por ejemplo, la composición isotópica del plutonio, que puede considerarse un secreto.
Entre 1954 y 1989, se produjeron fosas para armas estadounidenses en la planta de Rocky Flats ; la planta fue cerrada más tarde debido a numerosos problemas de seguridad. El Departamento de Energía intentó reiniciar la producción de fosas allí, pero fracasó repetidamente. En 1993, el DOE trasladó las operaciones de producción de berilio de la extinta planta de Rocky Flats al Laboratorio Nacional de Los Álamos ; en 1996, la producción de fosas también se trasladó allí. [48] Las fosas de reserva y excedentes, junto con las fosas recuperadas de armas nucleares desmontadas, que suman más de 12.000 piezas, se almacenan en la planta de Pantex . [19] 5.000 de ellas, que comprenden alrededor de 15 toneladas de plutonio, están designadas como reserva estratégica; el resto es excedente para ser retirado. [49] La producción actual de nuevas fosas del LANL está limitada a alrededor de 20 fosas por año, aunque la NNSA está presionando para aumentar la producción, para el programa de ojivas de reemplazo confiable . Sin embargo, el Congreso de los EE. UU. ha rechazado repetidamente la financiación.
Hasta aproximadamente 2010, el Laboratorio Nacional de Los Álamos tenía capacidad para producir de 10 a 20 pozos al año. La Instalación de Reemplazo de Investigación Química y Metalúrgica (CMMR, por sus siglas en inglés) ampliará esta capacidad, pero no se sabe en qué medida. Un informe del Instituto de Análisis de Defensa escrito antes de 2008 estimó que “la futura necesidad de producción de pozos sería de 125 por año en el CMRR, con una capacidad de aumento de 200”. [50]
Rusia almacena el material de los yacimientos desmantelados en las instalaciones de Mayak . [51]
La recuperación de plutonio de fosas desmanteladas se puede lograr por numerosos medios, tanto mecánicos (por ejemplo, la eliminación del revestimiento mediante un torno ) como químicos. Un método de hidruro se utiliza comúnmente: la fosa se corta por la mitad, la mitad de la fosa se coloca boca abajo sobre un embudo y un crisol en un aparato sellado, y una cantidad de hidrógeno se inyecta en el espacio. El hidrógeno reacciona con el plutonio produciendo hidruro de plutonio , que cae al embudo y al crisol, donde se funde mientras se libera el hidrógeno. El plutonio también se puede convertir en un nitruro u óxido. Prácticamente todo el plutonio se puede extraer de una fosa de esta manera. El proceso se complica por la amplia variedad de construcciones y composiciones de aleación de las fosas, y la existencia de fosas compuestas de uranio-plutonio. El plutonio apto para armas también debe mezclarse con otros materiales para alterar su composición isotópica lo suficiente como para dificultar su reutilización en armas.