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Material nuclear apto para armas

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]

Masa crítica

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]

Países que han producido material nuclear apto para armas

Al menos diez países han producido material nuclear apto para armas: [18]

Uranio apto para armas

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 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]

Plutonio apto para uso militar

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.

Referencias

  1. ^ Más radio (elemento 88). Aunque en realidad es un subactínido, precede inmediatamente al actinio (89) y sigue un intervalo de inestabilidad de tres elementos después del polonio (84), donde ningún nucleido tiene una vida media de al menos cuatro años (el nucleido de vida más larga en el intervalo es el radón-222 con una vida media de menos de cuatro días ). El isótopo de vida más larga del radio, con 1.600 años, por lo tanto merece la inclusión del elemento aquí.
  2. ^ En concreto, a partir de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
  3. ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "La vida media alfa del berkelio-247; un nuevo isómero de larga vida del berkelio-248". Física nuclear . 71 (2): 299. Bibcode :1965NucPh..71..299M. doi :10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    "Los análisis isotópicos revelaron una especie de masa 248 en abundancia constante en tres muestras analizadas durante un período de aproximadamente 10 meses. Esto se atribuyó a un isómero de Bk 248 con una vida media mayor de 9 [años]. No se detectó crecimiento de Cf 248 , y un límite inferior para la vida media β se puede establecer en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa es probablemente mayor de 300 [años]".
  4. ^ Se trata del nucleido más pesado, con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  5. ^ Excluyendo aquellos nucleidos " clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a 232 Th; por ejemplo, mientras que el 113m Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la del 113 Cd es de ocho cuatrillones de años.
  6. ^ David Albright y Kimberly Kramer (22 de agosto de 2005). «Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns» (PDF) . Instituto para la Ciencia y la Seguridad Internacional . Consultado el 13 de octubre de 2011 .
  7. ^ Especificaciones críticas reevaluadas de algunos sistemas de neutrones rápidos de Los Álamos
  8. ^ abcd Diseño y materiales de armas nucleares, sitio web de la Iniciativa sobre Amenaza Nuclear. [ enlace roto ] [ ¿ fuente poco confiable? ]
  9. ^ abc Informe final, Evaluación de datos de seguridad de criticidad nuclear y límites para actínidos en el transporte, República de Francia, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
  10. ^ Capítulo 5, ¿Problemas para el mañana? Neptunio 237 y americio separados, Desafíos del control de material fisible (1999), isis-online.org
  11. ^ P. Weiss (26 de octubre de 2002). «Neutrales de neptunio? Un metal poco estudiado alcanza su punto crítico». Science News . 162 (17): 259. doi :10.2307/4014034. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2012 . Consultado el 7 de noviembre de 2013 .
  12. ^ ab Estimaciones de masa crítica actualizadas para el plutonio-238, Departamento de Energía de EE. UU.: Oficina de Información Científica y Técnica
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  14. ^ abc Dias, Hemanth; Tancock, Nigel; Clayton, Angela (2003). "Cálculos de masa crítica para 241Am, 242mAm y 243Am" (PDF) . Desafíos en la búsqueda de la seguridad de la criticidad nuclear global . Actas de la Séptima Conferencia Internacional sobre Seguridad de la Criticidad Nuclear. Vol. II. Tokai, Ibaraki, Japón: Instituto Japonés de Investigación de Energía Atómica. págs. 618–623.
  15. ^ abcde Okuno, Hiroshi; Kawasaki, Hiromitsu (2002). "Cálculos de masa crítica y subcrítica de curio-243 a -247 basados ​​en JENDL-3.2 para la revisión de ANSI/ANS-8.15". Revista de ciencia y tecnología nuclear . 39 (10): 1072–1085. doi : 10.1080/18811248.2002.9715296 .
  16. ^ abc Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Evaluación de la seguridad de la criticidad nuclear. Datos y límites para actínidos en el transporte", p. 16
  17. ^ Carey Sublette, Preguntas frecuentes sobre armas nucleares: Sección 6.0 Materiales nucleares 20 de febrero de 1999
  18. ^ [ dudosodiscutir ] Makhijani, Arjun; Chalmers, Lois; Smith, Brice (15 de octubre de 2004). "Enriquecimiento de uranio: hechos sencillos para impulsar un debate informado sobre la proliferación nuclear y la energía nuclear" (PDF) . Instituto de Investigación Energética y Ambiental . Consultado el 17 de mayo de 2017 .
  19. ^ Definición de uranio-233 utilizable en armas ORNL /TM-13517
  20. ^ Preguntas frecuentes sobre materiales nucleares
  21. ^ "Plutonio apto para reactores y apto para armas en explosivos nucleares". Evaluación de la no proliferación y el control de armamentos sobre el almacenamiento de material fisible utilizable para armas y las alternativas para la disposición del exceso de plutonio (extracto) . Departamento de Energía de los Estados Unidos. Enero de 1997. Consultado el 5 de septiembre de 2011 .
  22. ^ Matthew Bunn y John P. Holdren (noviembre de 1997). "MANEJO DEL URANIO Y EL PLUTONIO MILITARES EN LOS ESTADOS UNIDOS Y LA ANTIGUA UNIÓN SOVIÉTICA". Revista Anual de Energía y Medio Ambiente . 22 (1): 403–486. doi :10.1146/ANNUREV.ENERGY.22.1.403. ISSN  1056-3466. Wikidata  Q56853752..
  23. ^ J. Carson Mark (agosto de 1990). «Propiedades explosivas del plutonio apto para reactores nucleares» (PDF) . Instituto de Control Nuclear. Archivado desde el original (PDF) el 8 de mayo de 2010. Consultado el 10 de mayo de 2010 .
  24. ^ Rossin, David. "Política estadounidense sobre reprocesamiento de combustible gastado: los problemas". PBS . Consultado el 29 de marzo de 2014 .
  25. ^ "Información adicional sobre pruebas de armas nucleares subterráneas con plutonio apto para reactores nucleares". Departamento de Energía de Estados Unidos . Junio ​​de 1994. Consultado el 15 de marzo de 2007 .
  26. ^ "Plutonio". Asociación Nuclear Mundial. Marzo de 2009. Archivado desde el original el 30 de marzo de 2010. Consultado el 28 de febrero de 2010 .

Enlaces externos