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Pozo (arma nuclear)

El " núcleo demoníaco ": recreación de la configuración utilizada en el fatal accidente de criticidad de 1945, con una esfera de plutonio rodeada de bloques de carburo de tungst...

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El " núcleo demoníaco ": recreación de la configuración utilizada en el fatal accidente de criticidad de 1945, con una esfera de plutonio rodeada de bloques de carburo de tungsteno que reflejan los neutrones .
Molde de precisión para fundición de plutonio, 1959

En el diseño de armas nucleares , el núcleo es el elemento central de un arma nuclear de implosión , compuesto de material fisionable y cualquier reflector de neutrones o dispositivo de manipulación adherido a él. Los primeros núcleos eran esféricos, mientras que la mayoría de los modernos son esferoidales alargados . [ 1 ] Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron núcleos fabricados únicamente con uranio-235 , o como un compuesto con plutonio . [ 2 ] Los núcleos de plutonio puro son los de menor 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 . [ 3 ] 

Diseños

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 utilizaron pozos hechos de 6,2 kg de aleación  sólida de plutonio-galio prensada en caliente (a 400 °C y 200 MPa en matrices de acero – 750 °F y 29 000 psi ) semiesferas de 9,2 cm (3,6 pulg) de diámetro, con una cavidad interna de 2,5 cm (1 pulg) para el iniciador. El pozo del Gadget fue galvanizado con 0,13 mm de plata debido a la susceptibilidad del plutonio a la corrosión en el aire. Sin embargo, esta capa desarrolló ampollas, que tuvieron que ser lijadas. Estos huecos fueron luego reparados con pan de oro antes de la prueba. El pozo del Fat Man, y los de los modelos posteriores, fueron todos chapados con níquel . [ 4 ] Se consideró un pozo hueco y se sabía que era más eficiente, pero finalmente se descartó debido a los mayores requisitos de precisión de implosión.         

Los diseños posteriores emplearon iniciadores TOM de diseño similar, pero con diámetros de tan solo 1 cm ( 3/8 pulg . ) . Los iniciadores de neutrones internos fueron posteriormente eliminados y reemplazados por fuentes de neutrones pulsados ​​y por armas de fisión potenciadas.  

Los núcleos sólidos se conocían como el diseño " Christy ", en honor a Robert Christy, quien hizo realidad el diseño del foso sólido después de que Edward Teller lo propusiera inicialmente . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Junto con el foso, todo el conjunto físico también fue apodado informalmente "el artilugio de Christy". [ 8 ]

pozos levitados

La eficiencia de la implosión puede incrementarse dejando un espacio vacío entre el compactador y el pozo, lo que provoca una rápida aceleración de la onda expansiva 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 tipo 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 pájaro . [ 9 ]

pozos huecos

Durante la implosión de un pozo hueco, la capa de plutonio se acelera hacia adentro, colisionando en el centro y formando una esfera supercrítica de alta densidad. Debido al impulso adicional, el plutonio mismo desempeña parte del papel de tampón, lo que requiere una menor cantidad de uranio en la capa de tampón, 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 preferidos para los primeros diseños de armas. Tras el fin de la guerra en agosto de 1945, el laboratorio se centró de nuevo en el problema del pozo hueco, y durante el resto del año estuvo dirigido por Hans Bethe , jefe de grupo de Christy y sucesor de la división teórica, siendo el núcleo compuesto hueco el de mayor interés, [ 10 ] debido al coste del plutonio y a los problemas para aumentar la producción de los reactores de Hanford .

La eficiencia de los pozos huecos puede incrementarse aún más inyectando una mezcla al 50 % de deuterio y tritio en la cavidad inmediatamente antes de la implosión, un proceso conocido como "inyección por fusión" ; esto también reduce la cantidad mínima de plutonio necesaria para lograr una explosión exitosa. El mayor grado de control de la iniciación, tanto por la cantidad de inyección de la mezcla de deuterio y tritio como por la sincronización e intensidad del pulso de neutrones del generador externo, facilitó el diseño de armas de rendimiento variable .

Núcleos compuestos y fosas de uranio

En la etapa 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 , donde una capa hueca de plutonio estaba rodeada por una capa exterior de uranio altamente enriquecido, entonces más abundante . Los núcleos compuestos estuvieron disponibles para las bombas nucleares Mark 3 a finales de 1947. [ 11 ] 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 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. [ 12 ]

Otro factor para considerar diferentes materiales para el núcleo es el comportamiento diferente del plutonio y el uranio. [ 13 ] 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 Alamos entonces fue el diseño de un núcleo totalmente de uranio. Los nuevos diseños de núcleos fueron probados por la Operación Sandstone .

El núcleo de plutonio puro, con su alta tasa de neutrones de fondo, tenía una alta probabilidad de predetonación , con un rendimiento reducido. [ 14 ] Minimizar esta probabilidad requería una masa menor de plutonio, lo que limitaba el rendimiento alcanzable a unos 10 kt, o bien utilizar plutonio-239 de alta pureza con un nivel impracticablemente 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 fisionables disponibles. La limitación del rendimiento se volvió irrelevante a mediados de la década de 1950 con el advenimiento del impulso de la fusión, y posteriormente con el uso de armas de fusión. [ 15 ]

El rendimiento de un arma también puede controlarse seleccionando entre una variedad de núcleos. Por ejemplo, la bomba nuclear Mark 4 podía equiparse con tres núcleos diferentes: 49-LTC-C (uranio-235 levitado, probado en la prueba Zebra el 14 de mayo de 1948), 49-LCC-C (compuesto de uranio-plutonio levitado) y 50-LCC-C (compuesto levitado). [ 16 ] Este enfoque no es adecuado para la selección en campo del rendimiento de las armas más modernas con núcleos 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 núcleos estandarizados de tipo C y tipo D. La bomba Mark 4 utilizaba núcleos de tipo C y tipo D, que se podían insertar manualmente en vuelo. La bomba Mark 5 utilizaba núcleos de tipo D, con inserción automatizada en vuelo; la ojiva W-5 utilizaba los mismos. Su sucesora, la bomba Mark 6 , era compatible con todos sus orificios excepto uno. [ 17 ]

El pozo puede estar compuesto de plutonio-239, un compuesto de plutonio-239/uranio-235 o solo uranio-235. El plutonio es la opción más común, pero, por ejemplo, la bomba Violet Club [ 18 ] 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 interior 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 apisonador de uranio natural circundante. Estos 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 en el rango de kilotones. [ 18 ] El arma 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; el aseguramiento se realizaba con una cadena de aluminio - boro insertada en el pozo.

En 1955, durante la Operación Teapot , en el marco de la prueba 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. La potencia de la explosión fue de 22 kilotones en lugar de los 33 kilotones previstos.

Pozos sellados

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 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 función como reflector de neutrones , lo que reduce la masa crítica necesaria del pozo. Probablemente existe 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 tampones/reflectores de berilio comenzaron a utilizarse a mediados de la década de 1950; las piezas se mecanizaban a partir de bloques de berilio en polvo prensado en la planta de Rocky Flats . [ 19 ]

Los núcleos de plutonio más modernos son huecos. Una especificación frecuentemente citada, aplicable a algunos núcleos 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 potenciada ), con la superficie interna revestida de plutonio. Los principales factores que influyen en las propiedades del arma son el tamaño del núcleo (generalmente entre una bola de bolos y una pelota de tenis ), la precisión de la esfericidad, el peso y la composición isotópica del material fisionable, y a menudo se clasifican. Los núcleos huecos pueden estar hechos de medias carcasas con tres soldaduras de unión alrededor del ecuador, y un tubo soldado con latón (a una carcasa de berilio o aluminio) o mediante haz de electrones o TIG (a una carcasa de acero inoxidable) para la inyección del gas de refuerzo. [ 20 ] Los núcleos 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.

Los núcleos más nuevos contienen aproximadamente 3 kilogramos de plutonio. Los núcleos más antiguos contenían entre 4 y 5 kilogramos. [ 21 ]

Fosas de implosión lineal

Se logró una mayor miniaturización mediante implosión lineal . Un pozo sólido subcrítico alargado, remodelado en una forma esférica supercrítica por dos ondas de choque opuestas, y posteriormente un pozo hueco con ondas de choque de forma más precisa, permitió la construcción de ojivas nucleares relativamente muy pequeñas. Sin embargo, se consideró que esta configuración era propensa a una detonación accidental de alto rendimiento si el explosivo se iniciaba 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, incluyendo seguridad de un punto .

Reparto de fosos entre armas

Los núcleos de plutonio pueden compartirse entre diferentes diseños de armas. Por ejemplo, se dice que la ojiva W89 reutiliza núcleos de la W68 . Muchos diseños de núcleos están estandarizados y se comparten entre diferentes paquetes de física; los mismos paquetes de física se utilizan a menudo en distintas ojivas. Los núcleos también pueden reutilizarse; los núcleos sellados extraídos de armas desmanteladas se almacenan habitualmente para su reutilización directa. Debido a la baja tasa de envejecimiento de la aleación de plutonio-galio, se estima que la vida útil de los núcleos es de un siglo o más. Los núcleos más antiguos del arsenal estadounidense tienen menos de 50 años.

Los pozos sellados se pueden clasificar como unidos o no unidos. Los pozos no unidos se pueden desmontar mecánicamente; un torno es suficiente para separar el plutonio. El reciclaje de los pozos unidos requiere un procesamiento químico. [ 20 ]

Se dice que los orificios de las armas modernas tienen radios de aproximadamente 5 centímetros (2,0 pulgadas) . [ 22 ] 

Tipos de armas y fosos

Consideraciones de seguridad

Seguridad de bolas de acero
Prueba de seguridad de un punto

Las primeras armas tenían orificios extraíbles, que se instalaban en la bomba poco antes de su despliegue. El proceso continuo de miniaturización conllevó cambios en el diseño, de modo que el orificio podía insertarse en la fábrica durante el ensamblaje del dispositivo. Esto requirió pruebas de seguridad para asegurar 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 una preocupación. El diseño de la cápsula levitada permitía insertarla en las bombas durante el vuelo, separando así el núcleo fisionable de los explosivos circundantes. Por lo tanto , muchos casos de pérdida y explosión accidental de bombas solo provocaron la dispersión de uranio desde el manipulador de la bomba. Sin embargo, los diseños posteriores de cápsula hueca, donde no hay espacio entre la cápsula y el manipulador, hicieron que esto fuera imposible.

Los pozos de las armas más antiguas tenían cavidades internas accesibles. Por seguridad , los objetos se insertaban en el pozo y se extraían solo cuando era necesario. Algunos pozos más grandes, como el de la ojiva británica Green Grass , tenían su cavidad interna revestida de goma y rellena de bolas metálicas; este diseño era improvisado y distaba mucho de ser óptimo, ya que someter el pozo protegido con bolas en su interior a vibraciones, por ejemplo, en un avión, podía dañarlo. En su lugar, se puede utilizar una fina cadena metálica de un material absorbente de neutrones (el mismo que se usa para las barras de control de reactores , como el cadmio ). La ojiva W47 tenía su pozo relleno de un alambre de cadmio- boro durante su fabricación; al armar el arma, el alambre se extraía a una bobina mediante 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 proyectil inservible. [ 28 ]

El cambio de cavidades sólidas a huecas generó un problema de seguridad laboral; la mayor relación superficie-masa produjo una emisión de rayos gamma comparativamente mayor y requirió la instalación de un mejor blindaje contra la radiación en la planta de producción de Rocky Flats. El aumento en la cantidad de laminado y mecanizado necesarios conllevó un mayor consumo de aceite de mecanizado y tetraclorometano , utilizado posteriormente para desengrasar las piezas, y generó una gran cantidad de residuos contaminados. Las virutas pirofóricas de plutonio también representaban 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 y enlace débil , diseñados para fallar en caso de un accidente o una 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 ventajoso desde el punto de vista técnico, supone un riesgo para los empleados de la planta de armas. El mecanizado de las carcasas de los dispositivos de manipulación produce berilio y polvo de óxido de berilio ; su inhalación puede causar beriliosis . En 1996, el Departamento de Energía de EE. UU. identificó más de 50 casos de beriliosis crónica entre los empleados de la industria nuclear, incluyendo tres docenas en la planta de Rocky Flats; varios fallecieron. [ 19 ]

Tras el accidente del B-52 en Palomares en 1966 y el accidente del B-52 en la base aérea de Thule en 1968 , la seguridad de las armas frente a la dispersión accidental de plutonio se convirtió en una preocupación para el ejército estadounidense.

Los pozos resistentes al fuego ( FRP ) son un elemento 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 combustión, durante varias horas. [ 31 ] Los pozos resistentes al fuego no serían útiles en casos en los que los pozos se dispersaran por una explosión; por lo tanto, se utilizan junto con explosivos de alta potencia insensibles , que deben ser resistentes a la detonación accidental por impacto o fuego, y propelentes no detonables cuando se utilizan en misiles. Se probó el revestimiento de vanadio para el diseño de pozos resistentes al fuego, pero se desconoce si está en uso o si 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 sufre daños mecánicos y puede fallar si se expone al fuego de combustible de misiles, que tiene una temperatura de combustión más alta (alrededor de 2000  °C) que el combustible de avión. [ 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 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 propelentes 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 70% perclorato de amonio , 16% aluminio y 14% aglutinante. La clase 1.1, con riesgo tanto de incendio como de detonación, es un propelente de doble base basado en polímero reticulado , que contiene 52% HMX , 18% nitroglicerina , 18% aluminio, 4% perclorato de amonio y 8% aglutinante. El propelente 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 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 parte del rendimiento. La compensación entre seguridad y rendimiento es especialmente importante para, por ejemplo, los submarinos . [ 34 ] En 1990, los misiles balísticos lanzados desde submarinos Trident utilizaban tanto combustible detonable como explosivos no insensibles. [ 37 ]

Consideraciones materiales

La fundición y posterior mecanizado del plutonio es difícil no solo por su toxicidad, sino también 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 deformaciones y agrietamientos. Esta deformación se suele superar 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. [ 38 ] Al enfriarse desde fundido, sufre entonces un único 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, por lo que 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.

Debido a que el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir el núcleo terminado con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el riesgo tóxico. [ 39 ] El Gadget utilizó un recubrimiento galvánico de plata; posteriormente, se utilizó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , [ 39 ] pero ahora se prefiere el oro .

Para producir los primeros núcleos, se utilizó el prensado en caliente para aprovechar al máximo el escaso plutonio. Diseños posteriores emplearon núcleos mecanizados , pero el torneado genera una gran cantidad de residuos, tanto virutas pirofóricas de plutonio como aceites y fluidos de corte contaminados con plutonio . El objetivo futuro es la fundición directa del núcleo. Sin embargo, en ausencia de pruebas nucleares, la naturaleza ligeramente diferente de las superficies fundidas y mecanizadas puede dificultar la predicción de las diferencias de rendimiento. [ 40 ]

Problemas de corrosión

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 fisionable durante el mantenimiento rutinario. Los pozos W58 también sufrieron problemas de corrosión. [ 41 ] El pozo W45 era propenso a la corrosión, lo 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 altamente susceptible a la humedad; el aire húmedo aumenta la tasa de corrosión aproximadamente 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 puede generarse a partir de la humedad y materiales orgánicos cercanos (por ejemplo, plásticos) por radiólisis . Estos factores causan problemas con el plutonio almacenado, ya que 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 intencional, puede causar corrosión por hidruros, que se manifiesta como corrosión por picaduras y el crecimiento de una capa superficial de hidruro de plutonio pirofórico . También acelera considerablemente las tasas de corrosión por oxígeno atmosférico. [ 20 ] El deuterio y el tritio también causan fragilización por hidrógeno en muchos materiales.

Un almacenamiento inadecuado puede favorecer la corrosión de las picaduras. Se dice que los contenedores AL-R8 utilizados en la planta de Pantex para el almacenamiento de las picaduras promueven la corrosión en lugar de impedirla, y tienden a corroerse ellos mismos. El calor residual liberado por las picaduras también es motivo de preocupación; algunas picaduras almacenadas pueden alcanzar temperaturas de hasta 150  °C, y las instalaciones de almacenamiento para un mayor número de picaduras pueden requerir refrigeración activa. El control de la humedad también puede presentar problemas para el almacenamiento de las picaduras. [ 44 ]

El revestimiento de berilio puede corroerse con algunos disolventes utilizados para la limpieza de las picaduras. Las investigaciones han demostrado que el tricloroetileno (TCE) provoca corrosión del berilio, mientras que el tricloroetano (TCA) no. [ 45 ] La corrosión por picaduras del revestimiento de berilio es una preocupación importante durante el almacenamiento prolongado de las picaduras en la planta de Pantex .

Problemas de composición isotópica

La presencia de plutonio-240 en el material del núcleo provoca una mayor producción de calor y neutrones, disminuye la eficiencia de la fisión y aumenta el riesgo de predetonación y fallo de la explosión . Por lo tanto, el plutonio apto para armas tiene un contenido de plutonio-240 inferior al 7 %. El plutonio de grado superior contiene menos del 4 % del isótopo 240 y se utiliza en sistemas donde la radiactividad es un factor importante, como en las armas de la Armada de los Estados Unidos , que deben compartir espacios confinados en buques y submarinos con las tripulaciones.

El plutonio-241 , que suele constituir alrededor del 0,5 % del plutonio apto para armas nucleares, se desintegra en americio-241 , un potente emisor de radiación gamma . Tras varios años, el americio se acumula en el plutonio metálico, lo que provoca un aumento de la actividad gamma que supone un riesgo laboral para los trabajadores. Por consiguiente, el americio debe separarse, generalmente mediante procesos químicos, del plutonio recién producido y reprocesado. [ 21 ] Sin embargo, alrededor de 1967, la planta de Rocky Flats dejó de realizar esta separación y, en su lugar, mezcló hasta el 80 % de los residuos antiguos que contenían americio directamente en la fundición, con el fin de reducir costes y aumentar la productividad; esto provocó una mayor exposición de los trabajadores a la radiación gamma. [ 29 ]

Problemas relacionados con el envejecimiento

El plutonio metálico, sobre todo en forma de aleación de plutonio y galio, se degrada principalmente por dos mecanismos: la corrosión y la 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 procede a 200 veces esta velocidad (0,04  mm/año) a temperatura ambiente, y 100.000 veces más rápido (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 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 (alrededor de 500  °C).

La autoirradiación ocurre cuando el plutonio sufre desintegración alfa . El átomo de plutonio-239 que se desintegra 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 plutonio-241 contaminante se desintegra betamente en americio-241 , que luego se desintegra alfamente en neptunio-237 .

Las partículas alfa pierden la mayor parte de su energía en electrones, lo que se manifiesta como un calentamiento del material. El núcleo de uranio, más pesado, tiene una energía de aproximadamente 85 keV y alrededor de tres cuartas partes de ella se depositan como una cascada de desplazamientos atómicos; el núcleo de uranio en sí tiene un alcance de aproximadamente 12 nanómetros en la red cristalina. Cada evento de desintegración afecta a unos 20 000 átomos, el 90 % de los cuales permanecen en su posición en la red y solo se excitan térmicamente, mientras que el resto se desplaza, lo que da como resultado 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 típico de grado militar, cada átomo se desplaza en promedio una vez cada 10 años.

A temperaturas criogénicas, donde prácticamente 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 un incremento de los defectos en la red cristalina. Con el tiempo suficiente, las tres fases convergen a un estado amorfo con una densidad media de 18,4 g/cm³ . Sin embargo, a temperatura ambiente, la mayor parte del daño se elimina mediante recocido; por encima de 200 K, las vacantes se vuelven móviles y, alrededor de 400 K, los cúmulos 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.

Tras 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 cristalina de forma similar a las vacantes y puede quedar atrapado en ellas. Las vacantes ocupadas por helio pueden coalescer, formando burbujas y provocando hinchazón. Sin embargo, la hinchazón por vacíos es más probable que la hinchazón por burbujas. [ 46 ]

Producción e inspecciones

El Sistema de Identificación por Radiación es uno de los diversos métodos desarrollados para la inspección de armas nucleares. Permite la identificación de las armas nucleares para 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 espectros gamma pueden ser un tema controvertido 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 secreta.

Entre 1954 y 1989, se produjeron núcleos para armas estadounidenses en la planta de Rocky Flats ; la planta fue cerrada posteriormente debido a numerosos problemas de seguridad. El Departamento de Energía intentó reiniciar la producción de núcleos allí, pero fracasó repetidamente. En 1993, el DOE trasladó las operaciones de producción de berilio de la planta de Rocky Flats, ya en desuso, al Laboratorio Nacional de Los Alamos ; en 1996, la producción de núcleos también se trasladó allí. [ 48 ] Los núcleos de reserva y excedentes, junto con los núcleos recuperados de armas nucleares desmanteladas, que suman más de 12 000 piezas, se almacenan en la planta de Pantex . [ 20 ] 5000 de ellos, que comprenden unas 15 toneladas de plutonio, están designados como reserva estratégica; el resto es excedente que se retirará. [ 49 ] La producción actual de nuevos núcleos del LANL está limitada a unos 20 núcleos por año, aunque la NNSA está presionando para aumentar la producción, para el programa de ojivas de reemplazo confiable . Sin embargo, el Congreso de Estados Unidos ha rechazado repetidamente la financiación.

Hasta alrededor de 2010, el Laboratorio Nacional de Los Alamos tenía la capacidad de producir entre 10 y 20 núcleos al año. La Instalación de Reemplazo para la Investigación de Química y Metalurgia (CMMR) ampliará esta capacidad, pero se desconoce en qué medida. Un informe del Instituto de Análisis de Defensa, redactado antes de 2008, estimaba una “necesidad futura de producción de núcleos de 125 por año en la CMMR, con una capacidad máxima de 200”. [ 50 ]

Rusia almacena el material de los pozos desmantelados en la instalación de Mayak . [ 51 ]

Reciclaje

La recuperación de plutonio de núcleos desmantelados puede lograrse mediante diversos métodos, tanto mecánicos (por ejemplo, la eliminación del revestimiento con un torno ) como químicos. El método del hidruro es comúnmente utilizado: el núcleo se corta por la mitad, una mitad se coloca boca abajo sobre un embudo y un crisol en un aparato sellado, y se inyecta 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 puede convertirse en nitruro u óxido. Prácticamente todo el plutonio puede extraerse de un núcleo de esta manera. El proceso se complica por la gran variedad de construcciones y composiciones de aleación de los núcleos, y la existencia de núcleos compuestos de uranio-plutonio. El plutonio apto para armas nucleares también debe mezclarse con otros materiales para alterar su composición isotópica lo suficiente como para impedir su reutilización en armas.

Véase también

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