Material nuclear apto para armas nucleares

El material nuclear apto para armas nucleares es cualquier material nuclear fisionable con la pureza suficiente para fabricar un arma nuclear y cuyas propiedades lo hacen especialmente adecuado para su uso en armas nucleares. El plutonio y el uranio en las calidades que se utilizan habitualmente en armas nucleares son los ejemplos más comunes. (Estos materiales nucleares se clasifican de otras maneras según su pureza).

Solo los isótopos fisionables de ciertos elementos tienen potencial para ser utilizados en armas nucleares. Para ello, la concentración de los isótopos fisionables uranio-235 y plutonio-239 en el elemento utilizado debe ser suficientemente alta. El uranio procedente de fuentes naturales se enriquece mediante separación isotópica , y el plutonio se produce en un reactor nuclear adecuado .

Se han realizado experimentos con uranio-233 (el material fisionable que constituye el núcleo del ciclo del combustible de torio ). El neptunio-237 y algunos isótopos de 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 armas nucleares 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 una reacción nuclear en cadena sostenida. Además, los distintos isótopos tienen masas críticas diferentes, y la masa crítica de muchos isótopos radiactivos es infinita, ya que el modo de desintegración de un átomo no puede inducir una desintegración similar en 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 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 es clasificada, pero algunos documentos han sido desclasificados. ^{[ 7 ]}

Al menos diez países han producido material nuclear apto para armas: ^{[ 19 ]}

• Cinco " estados con armas nucleares " reconocidos en virtud del Tratado de No Proliferación Nuclear (TNP): Estados Unidos ( primer arma nuclear probada y dos bombas utilizadas como armas en 1945 ), Rusia ( primera arma probada en 1949 ), Reino Unido ( 1952 ), Francia ( 1960 ) y China ( 1964 ).
• Otros tres estados nucleares declarados que no son signatarios del TNP son: India (no signataria, arma probada en 1974 ), Pakistán (no signatario, arma probada en 1998 ) y Corea del Norte (se retiró del TNP en 2003, arma probada en 2006 ).
• Israel , del que se sabe ampliamente que ha desarrollado armas nucleares (probablemente probadas por primera vez en las décadas de 1960 o 1970), pero que no ha declarado abiertamente su capacidad.
• Sudáfrica , que también tenía capacidad de enriquecimiento y desarrolló armas nucleares (posiblemente probadas en 1979 ), desmanteló su arsenal y se unió al TNP en 1991.

El uranio natural se convierte en apto para armas mediante enriquecimiento isotópico . Inicialmente, solo alrededor del 0,7 % es U-235 fisible , mientras que el resto es casi en su totalidad uranio-238 (U-238). Se diferencian por sus masas distintas . El uranio altamente enriquecido se considera apto para armas cuando se ha enriquecido hasta aproximadamente el 90 % de U-235. ^{[ 20 ]}

El U-233 se produce a partir de torio-232 mediante captura de neutrones . ^{[ 21 ]} El U-233 producido no requiere enriquecimiento y puede separarse químicamente con relativa facilidad del Th-232 residual. Por lo tanto, se regula como material nuclear especial únicamente por la cantidad total presente. El U-233 puede mezclarse intencionalmente con U-238 para eliminar las preocupaciones sobre la proliferación. ^{[ 22 ]}

Si bien el U-233 parecería ideal para la militarización, un obstáculo importante para ese objetivo es la coproducción de cantidades traza de uranio-232 debido a reacciones secundarias. Los riesgos 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 inferiores a 50 ppm (por encima de los cuales el U-233 se considera de "bajo grado"; cf. "El plutonio estándar para armas requiere un contenido de Pu-240 no superior al 6,5%", que son 65 000 ppm, y el análogo Pu-238 se produjo en niveles del 0,5% (5000 ppm) o menos). Las armas de fisión tipo cañón requerirían bajos niveles de U-232 y bajos niveles de impurezas ligeras del orden de 1 ppm. ^{[ 23 ]}

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 etapas en Pu-239. ^{[ 24 ]} Posteriormente, puede separarse del uranio en una planta de reprocesamiento nuclear . ^{[ 25 ]}

El plutonio apto para armas se define como predominantemente Pu-239 , típicamente alrededor del 93% Pu-239. ^{[ 26 ]} El Pu-240 se produce cuando el Pu-239 absorbe un neutrón adicional y no se fisiona. El Pu-240 y el Pu-239 no se separan mediante reprocesamiento. El Pu-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea , lo que puede causar una predetonación de un arma nuclear, produciendo un fizzle . 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 que el normal para un reactor de potencia 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, se busca un alto grado de quemado. Las centrales como los obsoletos reactores británicos Magnox y franceses UNGG , diseñados para producir electricidad o material para armas, operaban a bajos niveles de potencia con frecuentes cambios de combustible mediante recarga en línea para producir plutonio apto para armas. Este tipo de operación no es posible con los reactores de agua ligera, los más utilizados para generar energía eléctrica. En estos últimos, es necesario apagar el reactor y desmontar el recipiente de presión para acceder al combustible irradiado.

El plutonio recuperado del combustible gastado de LWR, aunque no es apto para armas, puede utilizarse para producir armas nucleares de cualquier grado de sofisticación, ^{[ 27 ]} aunque en diseños sencillos puede producir solo una explosión de chispa . ^{[ 28 ]} Las armas fabricadas con plutonio de grado reactor requerirían refrigeración especial para mantenerlas almacenadas y listas para su uso. ^{[ 29 ]} Una prueba de 1962 en el Sitio Nacional de Seguridad de Nevada de EE. UU. (entonces conocido como Campo de Pruebas de Nevada) 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 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. ^{[ 30 ]} Aparentemente, el plutonio procedía de los reactores Magnox de Calder Hall o Chapelcross. El contenido de Pu-239 en el material utilizado para la prueba de 1962 no se reveló, pero se ha inferido que fue de al menos el 85%, mucho mayor que el combustible gastado típico de los reactores actualmente en funcionamiento. ^{[ 31 ]}

En ocasiones, un reactor de agua ligera comercial ha producido combustible gastado con bajo grado de quemado cuando un incidente, como una falla en el revestimiento del combustible, ha requerido una recarga anticipada. Si el período de irradiación ha sido suficientemente corto, este combustible gastado podría reprocesarse para producir plutonio apto para armas nucleares.

• Plutonio de grado reactor y de grado armamentístico en explosivos nucleares , Coalición Canadiense para la Responsabilidad Nuclear
• Armas nucleares y plutonio de reactores nucleares. Archivado el 16 de marzo de 2007 en Wayback Machine . Amory B. Lovins , 28 de febrero de 1980, Nature , vol. 283, n.º 5750, págs.  817-823.
• Garwin, Richard L. (1999). «El ciclo del combustible nuclear: ¿Tiene sentido el reprocesamiento?» . En B. van der Zwaan (ed.). Energía nuclear . World Scientific. pág.  144. ISBN 978-981-02-4011-0Sin embargo , no cabe duda de que el plutonio apto para reactores obtenido del reprocesamiento del combustible gastado de reactores de agua ligera ( LWR ) puede utilizarse fácilmente para fabricar armamento nuclear de alto rendimiento y gran fiabilidad, tal como se explica en la publicación de 1994 del Comité de Seguridad Internacional y Control de Armas (CISAC).