En el diseño de armas nucleares , el pozo es el núcleo de un arma nuclear de implosión , que consiste en material fisionable y cualquier reflector de neutrones o manipulador adherido a él. Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron fosas hechas con uranio-235 solo o como un compuesto con plutonio . [1] Los pozos exclusivamente de plutonio son los más pequeños en diámetro y han sido el estándar desde principios de los años 1960. El hueso lleva el nombre del núcleo duro que se encuentra en las frutas de hueso como los melocotones y los albaricoques . [2]
Los pozos de las primeras armas nucleares eran sólidos, con un iniciador de neutrones erizo en el centro. Gadget y Fat Man utilizaron pozos hechos de 6,2 kg de medias esferas de aleación sólida de plutonio y galio prensadas en caliente (a 400 °C y 200 MPa en matrices de acero, 750 °F y 29.000 psi) de 9,2 cm (3,6 pulgadas) de diámetro. con una cavidad interna de 2,5 cm (1 pulgada) para el iniciador. La fosa del Gadget fue galvanizada 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 eliminadas. Estos huecos se taparon con pan de oro antes de la prueba. El foso de Fat Man y los de los modelos posteriores estaban todos revestidos de níquel . [3] Se consideró y se sabía que un pozo hueco era más eficiente, pero finalmente se rechazó debido a mayores requisitos de precisión de implosión. [ cita necesaria ]
Los diseños posteriores utilizaron iniciadores TOM de diseño similar pero con diámetros de sólo 1 cm ( 3 ⁄ 8 pulgadas). Los iniciadores de neutrones internos fueron posteriormente eliminados y reemplazados por fuentes de neutrones pulsados y por armas de fisión potenciadas. [ cita necesaria ]
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 Edward Teller lo propusiera inicialmente . [4] [5] [6] Junto con el pozo, todo el paquete de física también fue apodado informalmente "El artilugio de Christy". [7]
La eficiencia de la implosión se puede aumentar dejando un espacio vacío entre el pisón y el foso, provocando una rápida aceleración de la onda de choque antes de que impacte el foso. Este método se conoce como implosión de pozo levitado . Los pozos levitados se probaron en 1948 con bombas estilo Fat Man ( Mark IV ). Las primeras armas con foso levitado tenían un foso extraíble, llamado foso abierto . Se almacenaba por separado, en una cápsula especial llamada jaula para pájaros . [8]
Durante la implosión de un pozo hueco, la capa de plutonio se acelera hacia adentro, choca en el medio y forma una esfera supercrítica muy densa. Debido al impulso añadido, el propio plutonio desempeña parte del papel de manipulación, lo que requiere una menor cantidad de uranio en la capa de manipulación, lo que reduce 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, se prefirieron los pozos sólidos "Christy" para los primeros diseños de armas. Tras el fin de la guerra en agosto de 1945, el laboratorio volvió a centrarse en el problema del pozo hueco y durante el resto del año estuvo dirigido por Hans Bethe , su jefe de grupo y sucesor de la división teórica, con el núcleo compuesto hueco. siendo de mayor interés, [9] debido al costo del plutonio y los problemas para aumentar los reactores de Hanford.
La eficacia de las fosas huecas se puede aumentar aún más inyectando una mezcla al 50%/50% de deuterio y tritio en la cavidad inmediatamente antes de la implosión, lo que se denomina "impulso por 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 inyección de la mezcla de deuterio-tritio como por el tiempo y la intensidad del pulso de neutrones del generador externo, facilitó el diseño de armas de rendimiento variable . [ cita necesaria ]
En el período inicial del desarrollo de armas nucleares, el suministro de plutonio-239 era escaso. Para reducir la cantidad necesaria para un pozo, se desarrolló un núcleo compuesto , donde una capa hueca de plutonio estaba rodeada por una capa exterior de uranio altamente enriquecido, entonces más abundante . Los núcleos compuestos estaban disponibles para las bombas nucleares Mark 3 a finales de 1947. [10] Por ejemplo, un núcleo compuesto para una bomba estadounidense Mark 4, el núcleo 49-LCC-C, estaba hecho de 2,5 kg de plutonio y 5 kg de uranio. Su explosión libera sólo 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 a la hora de considerar diferentes materiales de mina 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 se fisiona más lentamente, 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 un pozo exclusivamente de uranio. Los nuevos diseños del tajo fueron probados por la Operación Sandstone .
El núcleo compuesto únicamente de plutonio, con su alta tasa de neutrones de fondo, tenía una alta probabilidad de predetonación , con un rendimiento reducido. [13] Minimizar esta probabilidad requirió una masa más pequeña de plutonio, lo que limitó 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 manteniendo bajo el riesgo de predetonación y de utilizar ambos materiales fisibles disponibles. La limitación del rendimiento se volvió irrelevante a mediados de la década de 1950 con la llegada del impulso de fusión y, más tarde, con el uso de armas de fusión. [14]
El rendimiento de un arma también se puede controlar seleccionando entre una variedad de pozos. Por ejemplo, la bomba nuclear Mark 4 podría estar equipada con tres pozos 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 seleccionabilidad en el campo del rendimiento de las armas más modernas con fosas 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 pozos estandarizados Tipo C y Tipo D. La bomba Mark 4 utilizó fosas Tipo C y Tipo D, que se insertaban manualmente en vuelo. La bomba Mark 5 utilizó fosos Tipo D, con inserción automatizada en vuelo; la ojiva W-5 usaba lo mismo. Su sucesora, la bomba Mark 6 , presumiblemente utilizó los mismos pozos o similares. [ cita necesaria ]
El pozo puede estar compuesto de plutonio-239, plutonio-239/uranio-235 compuesto o uranio-235 únicamente. El plutonio es la opción más común, pero, por ejemplo, la bomba Violet Club [16] y la ojiva Orange Herald utilizaron enormes pozos huecos, que consistían en 87 y 117 kg (98 y 125 kg según otras fuentes) de uranio altamente enriquecido . El núcleo de fisión de Green Grass constaba de una esfera de uranio altamente enriquecido, con un diámetro interior de 560 mm, un espesor de pared de 3,6 mm y una masa de 70 a 86 kg; el pozo estaba completamente sostenido por el uranio natural circundante. Estos pozos masivos, que consisten en más de una masa crítica de material fisionable, presentan un riesgo importante para la seguridad, ya que incluso una detonación asimétrica del proyectil de implosión puede provocar una explosión del alcance de kilotones. [17] El arma de fisión pura de mayor rendimiento, la bomba nuclear Mark 18 de 500 kilotones , utilizaba un pozo hueco compuesto por más de 60 kg de uranio altamente enriquecido, aproximadamente cuatro masas críticas; el aseguramiento se realizó con una cadena de aluminio - boro insertada en el foso.
Un pozo compuesto de plutonio y uranio-233 , basado en el núcleo de plutonio-U235 de la bomba nuclear TX-7E Mark 7 , fue probado en 1955 durante la Operación Tetera en la prueba MET . El rendimiento fue de 22 kilotones en lugar de los 33 kilotones esperados. [ cita necesaria ]
Un pozo sellado significa que se forma una barrera metálica 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 su liberación en caso de incendio accidental o 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 función como reflector de neutrones , que reduce la masa crítica necesaria del pozo. Probablemente exista una capa de metal de interfaz entre el plutonio y el berilio, que captura las partículas alfa de la desintegración del plutonio (y del americio y otros contaminantes) que de otro modo reaccionarían con el berilio y producirían neutrones. Los manipuladores/reflectores de berilio empezaron a utilizarse 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 están huecos. Una especificación citada con frecuencia y aplicable a algunas fosas modernas describe una esfera hueca de un metal estructural adecuado, del tamaño y peso aproximados de una bola de boliche , con un canal para inyección de tritio (en el caso de armas de fisión potenciadas ), con el Superficie interna revestida de plutonio. A menudo se clasifican el tamaño, normalmente entre una pelota 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. Los pozos huecos pueden estar hechos de medias carcasas con tres juntas soldadas alrededor del ecuador y un tubo soldado (a una carcasa de berilio o aluminio) o por haz de electrones o soldado con TIG (a una carcasa de acero inoxidable) para la inyección del gas de refuerzo. [19] Las fosas revestidas de berilio son más vulnerables a la fractura, más sensibles a las fluctuaciones de temperatura, es más probable que requieran limpieza, susceptibles a la corrosión con cloruros y humedad, y pueden exponer a los trabajadores al berilio tóxico.
Los pozos más nuevos contienen alrededor de 3 kilogramos de plutonio. Los huesos más antiguos utilizaban entre 4 y 5 kilogramos. [20]
Se logró una mayor miniaturización mediante implosión lineal . Un pozo sólido subcrítico alargado, transformado en una forma esférica supercrítica mediante dos ondas de choque opuestas, y más tarde un pozo hueco con ondas de choque de formas más precisas, permitió la construcción de ojivas nucleares relativamente muy pequeñas. Sin embargo, la configuración se consideraba 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 se pueden compartir entre diseños de armas. Por ejemplo, se dice que la ojiva W89 reutiliza los hoyos de los W68 . Muchos diseños de pozos están estandarizados y compartidos entre diferentes paquetes de física; Los mismos paquetes de física se utilizan a menudo en diferentes ojivas. Las fosas también se pueden reutilizar; Los pozos sellados extraídos de armas desmontadas suelen almacenarse 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 las semillas es de un siglo o más. Los pozos más antiguos del arsenal estadounidense todavía tienen menos de 50 años. [ cita necesaria ]
Las fosas selladas se pueden clasificar en adheridas o no adheridas. Las fosas no adheridas se pueden desmontar mecánicamente; un torno es suficiente para separar el plutonio. El reciclaje de fosas adheridas requiere procesamiento químico. [19]
Se dice que los hoyos de las armas modernas tienen radios de unos 5 cm. [21] [ disputado ]
Las primeras armas tenían fosas desmontables, que se instalaron en la bomba poco antes de su despliegue. El proceso de miniaturización en curso condujo a cambios de diseño, por lo que la fosa podría insertarse en la fábrica durante el montaje del dispositivo. Esto requirió pruebas de seguridad para garantizar que la detonación accidental de los altos explosivos no causara una explosión nuclear a gran escala; El Proyecto 56 fue una de esa serie de pruebas.
La detonación accidental de alto rendimiento siempre fue una preocupación. El diseño del pozo levitado hizo que fuera práctico permitir la inserción de pozos en vuelo en las bombas, separando el núcleo fisionable de los explosivos que lo rodeaban. Por lo tanto, muchos casos de pérdidas y explosiones accidentales de bombas sólo condujeron a la dispersión de uranio del dispositivo de manipulación de la bomba. Sin embargo, los diseños posteriores de pozo hueco, donde no hay espacio entre el pozo y el pisón, lo hicieron imposible. [ cita necesaria ]
Las fosas de las armas anteriores tenían cavidades interiores accesibles. Por seguridad , se insertaban objetos en el foso y se retiraban sólo cuando era necesario. Algunos pozos más grandes, por ejemplo el británico Green Grass , tenían su cavidad interior revestida de goma y llena de bolas de metal; Este diseño fue improvisado y distaba mucho de ser óptimo, por ejemplo porque someter el foso seguro con las bolas en su interior a vibraciones, por ejemplo en un avión, podía provocar daños. En su lugar, se puede utilizar una fina cadena metálica de un material absorbente de neutrones (el mismo que se utiliza para las barras de control de los reactores , por ejemplo el cadmio ). La ojiva W47 tenía su pozo lleno con un alambre de cadmio- boro cuando fue fabricada; Al armar el arma, un pequeño motor sacó el cable hasta convertirlo en un carrete y no se pudo volver a insertar. Sin embargo, el cable tendía a volverse quebradizo y romperse durante la extracción, lo que hacía imposible su extracción completa y convertía la ojiva en un fracaso. [27]
El cambio de pozos sólidos a pozos huecos provocó un problema de seguridad en el trabajo; 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 las instalaciones de producción de Rocky Flats. La mayor cantidad de laminado y mecanizado necesarios provocó un mayor consumo de aceite de mecanizado y tetraclorometano , utilizado para desengrasar posteriormente las piezas y generando una gran cantidad de residuos contaminados. Las virutas de plutonio pirofórico también presentaban un riesgo de autoignición. [28]
Los pozos sellados requieren un método diferente de seguridad. Se utilizan muchas técnicas, incluidos enlaces de acción permisivos [29] y sistemas de enlace fuerte y débil , diseñados para fallar en caso de accidente o secuencia de armado inadecuada; estos incluyen enclavamientos mecánicos, piezas críticas diseñadas para funcionar mal en caso de incendio o impacto, etc.
El revestimiento de berilio, aunque técnicamente ventajoso, plantea un riesgo para los empleados de la planta de armas. El mecanizado de los casquillos produce berilio y polvo de óxido de berilio ; su inhalación puede provocar beriliosis . En 1996, el Departamento de Energía de Estados Unidos identificó más de 50 casos de beriliosis crónica entre empleados de la industria nuclear, incluidas tres docenas en la planta de Rocky Flats; varios murieron. [18]
Después del accidente del Palomares B-52 en 1966 y del accidente del B-52 en la Base Aérea Thule en 1968 , la seguridad de las armas contra la dispersión accidental de plutonio se convirtió en una preocupación para el ejército estadounidense. [ cita necesaria ]
Los pozos resistentes al fuego ( FRP ) son una característica de seguridad de las armas nucleares modernas, que reducen la dispersión de plutonio en caso de incendio. Los pozos actuales están diseñados para contener plutonio fundido a temperaturas de hasta 1.000 °C, la temperatura aproximada del combustible de un avión quemado, durante varias horas. [30] Los pozos resistentes al fuego no serían de ninguna ayuda en los casos en que los pozos quedaran esparcidos por una explosión; Por lo tanto, se utilizan junto con explosivos potentes e insensibles , que deben ser resistentes a la detonación accidental por impacto o fuego, y propulsores no detonables cuando se utilizan en misiles. Se probó el revestimiento de vanadio para el diseño de fosas resistentes al fuego, pero se desconoce si está en uso o es sólo experimental. La ojiva W87 es un ejemplo de conjunto que emplea FRP. [31] Sin embargo, el FRP no proporciona protección si el revestimiento del foso sufre daños mecánicos y puede fallar si se somete al fuego de combustible para misiles, que tiene una temperatura de combustión más alta (alrededor de 2000 °C) que la del combustible para aviones. [32] [33] Las severas restricciones de peso y tamaño pueden impedir el uso tanto de FRP como de explosivos insensibles. [34] Los SLBM , con sus consideraciones de tamaño y su combustible más energético y vulnerable, tienden a ser menos seguros que los ICBM . [35]
Otros materiales energéticos en las proximidades de la fosa también influyen en su seguridad. Los propulsores de misiles estadounidenses se dividen en dos clases generales. La clase 1.3, riesgo de incendio pero muy difícil o imposible de detonar; un ejemplo es 70% de perclorato de amonio , 16% de aluminio y 14% de aglutinante. La clase 1.1, tanto de incendio como de detonación, es un propulsor de doble base a base de polímero reticulado , que contiene 52% de HMX , 18% de nitroglicerina , 18% de aluminio, 4% de perclorato de amonio y 8% de aglutinante. El propulsor 1.1 tiene un impulso específico un 4 % mayor (aproximadamente 270 s frente a 260 s), lo que proporciona un alcance un 8 % mayor para un tiempo de combustión constante. Los insensibles explosivos de alta potencia también son menos potentes, lo que requiere ojivas más grandes y pesadas, lo que reduce el alcance del misil o sacrifica algo de rendimiento. La relación seguridad/rendimiento es especialmente importante, por ejemplo, para los submarinos . [33] A partir de 1990, los SLBM Trident utilizaban combustible detonable y explosivos no insensibles. [36]
Fundir y luego mecanizar plutonio es difícil no sólo 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 provocan distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera aleándolo con 3-3,5% molar (0,9-1,0% en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , lo que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperaturas. [37] Cuando se enfría desde estado fundido, sufre solo un cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios por los que pasaría de otro modo. 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 son corrosivos en sí mismos, por lo que si se recupera el plutonio de armas desmanteladas para convertirlo en dióxido de plutonio para reactores de potencia , existe la dificultad de eliminar el galio.
Debido a que el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir la mina terminada con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el peligro tóxico. [38] El Gadget utilizó un baño de plata galvánico; posteriormente se utilizó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , [38] pero ahora se prefiere el oro . [ cita necesaria ]
Para producir los primeros huesos se utilizó prensado en caliente para aprovechar de forma óptima el escaso plutonio. Los diseños posteriores utilizaron fosas 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 el vaciado directo del pozo. Sin embargo, en ausencia de pruebas nucleares, la naturaleza ligeramente diferente de las superficies fundidas y mecanizadas puede provocar diferencias de rendimiento difíciles de predecir. [39]
Tanto el uranio como el plutonio son muy susceptibles a la corrosión . Varias ojivas W47 UGM-27 Polaris, plagadas de problemas , tuvieron que ser reemplazadas después de que se descubrió corrosión del material fisionable durante el mantenimiento de rutina. Los fosos del W58 también sufrieron problemas de corrosión. [40] La fosa W45 era propensa a sufrir corrosión que podría alterar su geometría. [41] El pozo Green Grass también era propenso a la corrosión. La radiactividad de los materiales utilizados también puede provocar corrosión por radiación en los materiales circundantes. El plutonio es muy susceptible a la humedad; el aire húmedo aumenta la velocidad de corrosión unas 200 veces. El hidrógeno tiene un fuerte efecto catalítico sobre la corrosión; su presencia puede acelerar la velocidad de corrosión en 13 órdenes de magnitud. El hidrógeno se puede generar a partir de la humedad y de materiales orgánicos cercanos (por ejemplo, plásticos) mediante radiólisis . Estos factores causan problemas con el almacenamiento de plutonio. El aumento de volumen durante la oxidación puede provocar la rotura de los contenedores de almacenamiento o la deformación de las fosas. [42]
La contaminación de la fosa con deuterio y tritio, ya sea accidental o si se llena intencionalmente, puede causar corrosión por hidruro, que se manifiesta como corrosión por picaduras y crecimiento de una capa superficial de hidruro de plutonio pirofórico . También acelera enormemente las tasas de corrosión por el oxígeno atmosférico. [19] El deuterio y el tritio también causan fragilización por hidrógeno en muchos materiales.
Un almacenamiento inadecuado puede promover la corrosión de las fosas. Se dice que los contenedores AL-R8 utilizados en las instalaciones de Pantex para el almacenamiento de las fosas promueven la corrosión en lugar de obstaculizarla y tienden a corroerse ellos mismos. El calor de descomposición liberado por las fosas también es motivo de preocupación; algunos pozos almacenados pueden alcanzar temperaturas de hasta 150 °C, y las instalaciones de almacenamiento para un mayor número de pozos pueden requerir enfriamiento activo. El control de la humedad también puede presentar problemas para el almacenamiento en fosas. [43]
El revestimiento de berilio puede corroerse con algunos disolventes utilizados para limpiar las fosas. Las investigaciones han demostrado que el tricloroetileno (TCE) causa corrosión por berilio, mientras que el tricloroetano (TCA) no. [44] 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 la mina provoca una mayor producción de calor y neutrones, perjudica la eficiencia de la fisión y aumenta el riesgo de predetonación y fracaso . Por lo tanto, el plutonio apto para armas tiene un contenido de plutonio-240 limitado a menos del 7%. El plutonio supergrado tiene menos del 4% del isótopo 240 y se utiliza en sistemas donde la radiactividad es preocupante, 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 comprende 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 plutonio metálico, lo que provoca un aumento de la actividad gamma que representa un riesgo laboral 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 de Rocky Flats detuvo esta separación, mezclando hasta el 80% de los huesos viejos que contienen americio directamente en la fundición, para reducir costos y aumentar la productividad; esto provocó una mayor exposición de los trabajadores a la radiación gamma. [28]
El plutonio metálico, especialmente en forma de aleación de plutonio y galio, se degrada principalmente mediante 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 rápido (20 mm/año) a 100 °C. El plutonio quita el oxígeno del agua, absorbe el hidrógeno liberado y forma hidruro de plutonio . La capa de hidruro puede crecer hasta 20 cm/hora, para conchas más delgadas su formación puede considerarse casi instantánea. En presencia de agua, el dióxido de plutonio se vuelve hiperestequiométrico, hasta PuO 2,26 . Los chips de plutonio pueden encenderse espontáneamente; el mecanismo implica la formación de una capa de Pu 2 O 3 , que luego se oxida rápidamente a PuO 2 , 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 en descomposición del plutonio-239 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 aproximadamente 10 micrómetros; luego se detiene, adquiere dos electrones de átomos cercanos y se convierte en un átomo de helio . El contaminante plutonio-241 se desintegra beta a americio-241 , que luego se desintegra alfa a neptunio-237 .
Las partículas alfa pierden la mayor parte de su energía en favor de los electrones, lo que se manifiesta como un calentamiento del material. El núcleo de uranio, más pesado, tiene aproximadamente 85 keV de energía y aproximadamente 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 otros 20.000 átomos, el 90% de los cuales permanecen en su sitio de red y sólo se excitan térmicamente, el resto se desplaza, lo que da como resultado la formación de unos 2.500 pares de Frenkel y un pico térmico local que dura unos pocos picosegundos, durante el cual el Los defectos recién formados se recombinan o migran. En un material a granel típico apto para armas, 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 defectos en la red. Las tres fases, con el tiempo suficiente, convergen a un estado amorfo con una densidad promedio de 18,4 g/cm 3 . Sin embargo, a temperatura normal, la mayor parte del daño desaparece; por encima de 200.000, las vacantes se vuelven móviles y alrededor de 400.000, los grupos de intersticiales y vacantes se recombinan, reparando el daño. El plutonio almacenado a temperaturas no criogénicas no muestra signos de cambios estructurales macroscópicos importantes 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 cm 3 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 las vacantes y puede quedar atrapado en ellas. Las vacas ocupadas por helio pueden fusionarse formando burbujas y provocando hinchazón. Sin embargo, la hinchazón del vacío es más probable que la de la burbuja. [45]
El Sistema de Identificación de Radiación se encuentra entre varios métodos desarrollados para las inspecciones de armas nucleares. Permite tomar huellas dactilares de las armas nucleares para poder 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 proporción entre plutonio-241 y su producto de desintegración, americio-241 . [46] Sin embargo, incluso las mediciones pasivas de espectros gamma pueden ser un tema polémico en las inspecciones internacionales de armas, 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 ; Posteriormente, la planta se cerró debido a numerosos problemas de seguridad. El Departamento de Energía intentó reiniciar la producción en el yacimiento allí, pero fracasó repetidamente. En 1993, el DOE trasladó las operaciones de producción de berilio de la extinta planta Rocky Flats al Laboratorio Nacional de Los Álamos ; en 1996 también se trasladó allí la producción del tajo. [47] Los pozos de reserva y excedentes, junto con los pozos recuperados de armas nucleares desmontadas, por un total de más de 12.000 piezas, se almacenan en la planta de Pantex . [19] 5.000 de ellos, que comprenden unas 15 toneladas de plutonio, están designados como reserva estratégica; el resto es excedente para ser retirado. [48] La producción actual de LANL de nuevos pozos se limita a unos 20 pozos por año, aunque la NNSA está presionando para aumentar la producción, para el programa Reliable Replacement Warhead . Sin embargo, el Congreso de Estados Unidos 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. El Centro de Reemplazo de Investigación en Química y Metalurgia (CMMR) ampliará esta capacidad, pero no se sabe en qué medida. Un informe del Instituto de Análisis de Defensa escrito antes de 2008 estimó una “futura necesidad de producción de pozos de 125 por año en el CMRR, con una capacidad de aumento de 200”. [49]
Rusia almacena el material procedente de pozos fuera de servicio en las instalaciones de Mayak . [50]
La recuperación del plutonio de las fosas fuera de servicio se puede lograr mediante numerosos medios, tanto mecánicos (por ejemplo, retirada del revestimiento mediante un torno ) como químicos. Generalmente se utiliza un método de hidruro; el hoyo se corta por la mitad, la mitad del hoyo se coloca boca abajo sobre un embudo y un crisol en un aparato sellado, y se inyecta una cantidad de hidrógeno en el espacio. El hidrógeno reacciona con el plutonio produciendo hidruro de plutonio , que cae al embudo y al crisol, donde se funde liberando el hidrógeno. El plutonio también se puede convertir en nitruro u óxido. De esta manera se puede extraer prácticamente todo el plutonio de un pozo. El proceso se complica por la amplia variedad de construcciones y composiciones de aleaciones de los pozos, y por la existencia de pozos compuestos de uranio y 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.