무기급 핵물질
Weapons-grade nuclear material| 붕괴사슬에 의한 액티니드[1] | 반감기 범위(a) | 수율에 의한[2] U의 핵분열 생성물 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4n | 4n + 1 | 4n + 2 | 4n + 3 | 4.5–7% | 0.04–1.25% | 0.001% 미만 | ||
| 228라№ | 4 ~ 6 a | 155에우þ | ||||||
| 244Cmƒ | 241푸ƒ | 250Cf | 227AC№ | 10 ~ 29 a | 90시르 | 85Kr | 113mCDþ | |
| 232Uƒ | 238푸ƒ | 243Cmƒ | 29~97 a | 137Cs | 151SMþ | 121m스니 | ||
| 248Bk[3] | 249Cfƒ | 242m암ƒ | 141 ~ 351 a | 어떤 핵분열 생성물도 100a~210ka의 반감기를 가지고 있지 않다... | ||||
| 241암ƒ | 251Cfƒ[4] | 430~900 a | ||||||
| 226라№ | 247Bk | 1.3~1.6ka | ||||||
| 240푸 | 229Th(Th) | 246Cmƒ | 243암ƒ | 4.7~7.4ka | ||||
| 245Cmƒ | 250Cm | 8.3~8.5ka | ||||||
| 239푸ƒ | 24.1ka | |||||||
| 230Th№(Th) | 231빠№ | 32~76ka | ||||||
| 236Npƒ | 233Uƒ | 234U№ | 150~250ka | 99Tc₡ | 126스니 | |||
| 248Cm | 242푸 | 327 ~ 375 ka | 79세₡ | |||||
| 1.53 Ma | 93Zr | |||||||
| 237Npƒ | 2.1 ~ 6.5 Ma | 135Cs₡ | 107PD | |||||
| 236U | 247Cmƒ | 15 ~ 24 Ma | 129나₡ | |||||
| 244푸 | 80 Ma | ...15.7 Ma[5] 이상 | ||||||
| 232Th№(Th) | 238U№ | 235Uƒ№ | 0.7~14.1 Ga | |||||
| 핵무기 |
|---|
 |
| 배경 |
| 핵무장국 |
무기급 핵물질은 핵무기를 만들 수 있을 만큼 순수하거나 핵무기 사용에 특히 적합한 특성을 가진 핵분열성 핵물질이다.일반적으로 핵무기에 사용되는 등급의 플루토늄과 우라늄이 가장 일반적인 예이다.(이러한 핵물질은 순도에 따라 다른 분류가 있습니다.)
특정 원소의 핵분열 동위원소만이 핵무기에 사용될 가능성이 있다.이러한 사용을 위해서는 사용된 원소의 핵분열 동위원소 우라늄-235와 플루토늄-239의 농도가 충분히 높아야 한다.천연원으로부터의 우라늄은 동위원소 분리에 의해 농축되며 플루토늄은 적절한 원자로에서 생산된다.
실험은 우라늄-233(토륨 연료 주기의 중심에 있는 핵분열 물질)로 수행되었다.넵투늄-237과 아메리슘의 일부 동위원소를 사용할 수 있을지는 모르지만, 이것이 실행된 적이 있는지는 확실치 않다.후자의 물질은 사용후핵연료의[6] 부액티니드의 일부이다.
임계 질량
모든 무기급 핵물질은 무기에서의 사용을 정당화할 수 있을 만큼 충분히 작은 임계질량을 가져야 한다.모든 물질의 임계 질량은 지속적인 핵 연쇄 반응에 필요한 최소량이다.물론 방사능이 없는 물질에 대해서는 무한대입니다.게다가, 다른 동위원소는 임계 질량이 다르고, 많은 방사성 동위원소의 임계 질량은 무한하다. 왜냐하면 한 원자의 붕괴 모드는 둘 이상의 인접 원자의 유사한 붕괴를 유도할 수 없기 때문이다.예를 들어 우라늄-238의 임계 질량은 무한하지만 우라늄-233과 우라늄-235의 임계 질량은 유한하다.
동위원소에 대한 임계 질량은 불순물과 물질의 물리적 형상의 영향을 받는다.임계 질량이 최소이고 물리적 치수가 가장 작은 모양은 구체입니다.일부 악티니드의 정상 밀도에서의 베어-스피어 임계 질량이 첨부 표에 나열되어 있습니다.맨 구의 질량에 대한 대부분의 정보는 기밀이지만 일부 문서는 [7]기밀 해제되었습니다.
| 핵종 | 반감기 (y) | 임계 질량 (kg) | 직경 (cm) | 참조 |
|---|---|---|---|---|
| 우라늄-233 | 159,200 | 15 | 11 | [8] |
| 우라늄-235 | 703,800,000 | 52 | 17 | [8] |
| 넵투늄-236 | 154,000 | 7 | 8.7 | [9] |
| 넵투늄-237 | 2,144,000 | 60 | 18 | [10][11] |
| 플루토늄-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 | [12] |
| 플루토늄-239 | 24,110 | 10 | 9.9 | [8][12] |
| 플루토늄-240 | 6561 | 40 | 15 | [8] |
| 플루토늄-241 | 14.3 | 12 | 10.5 | [13] |
| 플루토늄-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 | [13] |
| 아메리슘-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 | [14] |
| 아메리슘-242m | 141 | 9–14 | 11–13 | [14] |
| 아메리슘-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | [14] |
| 퀴륨-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 | [15] |
| 퀴륨-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 | [15] |
| 퀴륨-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 | [15] |
| 퀴륨-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 | [15] |
| 퀴륨-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 | [15] |
| 베르켈륨-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 | [16] |
| 베르켈륨-249 | 0.9 | 192 | 16.1-16.6 | [16] |
| 칼리포늄-249 | 351 | 6 | 9 | [9] |
| 칼리포늄-251 | 900 | 5.46 | 8.5 | [9] |
| 칼리포늄-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 | [17] |
| 아인스타이늄-254 | 0.755 | 9.89 | 7.1 | [16] |
무기급 핵물질을 생산한 국가
적어도 10개국이 무기급 핵물질을 [18]생산했다.
- 핵확산금지조약(NPT)에 따라 인정된 핵무기 보유국은 미국(1945년 첫 핵무기 실험과 2개의 폭탄 사용), 러시아(1949년 첫 무기 실험), 영국(1952년), 프랑스(1960년), 중국(1964년) 등 5개국이다.
- 핵확산금지조약(NPT)에 서명하지 않은 다른 3개 핵보유국 인도(1974년 무기시험), 파키스탄(1998년 무기시험 서명하지 않음), 북한(2003년 NPT 탈퇴, 2006년 무기시험)
- 이스라엘은 핵무기를 개발한 것으로 널리 알려져 있지만(아마도 1960년대 또는 1970년대에 처음 실험했을 것이다) 그 능력을 공개적으로 선언하지 않았다.
- 농축 능력을 갖추고 핵무기를 개발했지만(1979년 시험했을 가능성이 있다) 무기고를 해체하고 1991년 NPT에 가입했다.
무기급 우라늄
천연 우라늄은 동위원소 농축을 통해 무기급으로 만들어진다.처음에는 핵분열성 U-235가 약 0.7%에 불과하고 나머지는 거의 전체가 우라늄-238(U-238)이다.그들은 서로 다른 질량에 의해 분리되어 있다.고농축 우라늄은 약 90% [citation needed]U-235로 농축되면 무기급으로 간주됩니다.
U-233은 중성자 포획에 의해 토륨-232에서 생성된다.이렇게 생산된 U-233은 농축이 필요하지 않으며 잔류 Th-232와 화학적으로 비교적 쉽게 분리될 수 있습니다.따라서 존재하는 총량에 의해서만 특정핵물질로서 규제된다.U-233은 확산 [19]우려를 없애기 위해 U-238과 의도적으로 다운 블렌딩될 수 있다.
따라서 U-233은 무기화에 이상적인 것처럼 보이지만, 그 목표에 있어 중요한 장애물은 측면 반응으로 인한 미량의 우라늄-232의 공동 생산이다.탈륨-208과 같은 고방사능 붕괴 생성물의 결과인 U-232 위험은 심지어 5ppm에서도 심각하다.내폭 핵무기의 경우 50PPM 미만의 U-232 레벨이 필요하다(U-233은 "낮은 등급"으로 간주된다). cf표준무기급 플루토늄은 6만5000ppm인 Pu-240 함량이 6.5%를 넘지 않아야 하며 비슷한 Pu-238은 0.5%(5000ppm) 이하로 생산됐다.총형 핵분열 무기는 낮은 U-232 수치와 낮은 수준의 빛 불순물을 필요로 한다.[20]
무기급 플루토늄
U-238에 의해 중성자가 흡수되어 U-239가 형성되면 원자로에서 Pu-239가 인공적으로 생성되며, U-239는 빠른 2단계 과정에서 Pu-239로 분해된다.그런 다음 핵 재처리 공장의 우라늄에서 분리될 수 있다.
무기급 플루토늄은 주로 Pu-239로 정의되며, 일반적으로 약 93%[21]의 Pu-239가 사용된다.Pu-240은 Pu-239가 추가 중성자를 흡수해 핵분열에 실패했을 때 생성된다.Pu-240과 Pu-239는 재처리에 의해 분리되지 않습니다.Pu-240은 자발적 핵분열율이 높아서 핵무기의 사전 분열을 일으킬 수 있다.이로 인해 플루토늄은 총형 핵무기에 적합하지 않게 된다.생산된 플루토늄의 Pu-240 농도를 줄이기 위해 무기 프로그램 플루토늄 생산 원자로(예: B 원자로)는 원자력 발전 원자로의 정상 시간보다 훨씬 짧은 시간 동안 우라늄을 조사한다.더 정확히 말하면 무기급 플루토늄은 낮은 연소에 조사된 우라늄에서 얻을 수 있다.
이것은 이 두 종류의 원자로 사이의 근본적인 차이를 나타낸다.원자력 발전소에서는 높은 연소율이 바람직하다.전기 또는 무기 물질을 생산하도록 설계된 구식 영국 마그녹스 및 프랑스 UNGG 원자로와 같은 발전소는 무기급 플루토늄을 생산하기 위해 온라인 연료 주입을 사용하여 연료 교환을 자주 하는 저출력 수준에서 운영되었다.이러한 운전은 전력 생산에 가장 일반적으로 사용되는 경수로에서는 가능하지 않다.이 경우 원자로를 정지하고 압력용기를 분해하여 조사된 연료에 접근해야 한다.
LWR 사용후 핵연료에서 회수된 플루토늄은 무기 등급은 아니지만 [22]모든 수준의 정교함으로 핵무기를 생산하는 데 사용될 수 있다. 그러나 단순한 설계에서는 흐릿한 [23]수율만 생산할 수 있다.원자로급 플루토늄으로 만든 무기는 저장고에 보관하고 사용할 [24]수 있도록 하기 위해 특별한 냉각이 필요하다.1962년 미국 네바다 국가안보사이트(당시 네바다 실험장으로 알려짐)에서 실시된 실험은 영국의 마그녹스 원자로에서 생산된 무기급이 아닌 플루토늄을 사용했다.사용된 플루토늄은 1958년 미영 상호방위협정에 따라 미국에 공급되었다.동위원소 조성은 기술 원자로 등급 외에 공개되지 않았으며,[25] 물질을 이렇게 기술할 때 어떤 정의를 사용했는지는 공개되지 않았다.플루토늄은 칼더홀이나 채플크로스에 있는 마그녹스 원자로에서 조달된 것으로 보인다.1962년 시험에 사용된 재료의 Pu-239 함량은 공개되지 않았으나 현재 가동 중인 [26]원자로의 일반적인 사용후 핵연료보다 훨씬 높은 85% 이상이었던 것으로 추정된다.
연료 피복부전과 같은 사고로 인해 조기 재급유가 필요한 경우 상업용 LWR에 의해 저연소 사용후연료가 생산되는 경우가 있다.조사 기간이 충분히 짧다면 이 사용후 연료를 재처리하여 무기급 플루토늄을 생산할 수 있다.
레퍼런스
- ^ + 라듐(원소 88).실제로 서브액티늄(sub-actinide)이지만, 그것은 악티늄(89) 바로 앞에 있고 폴로늄(84) 다음으로 불안정한 3원소 갭을 따른다. 이 갭에서 반감기가 4년 이상인 핵종은 라돈-222이다.라듐의 가장 오래 산 동위원소는 1,600년으로, 따라서 이 원소를 여기에 포함할 가치가 있다.
- ^ 특히 우라늄-235의 열중성자 핵분열(예: 일반적인 원자로).
- ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. (1965). "The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248". Nuclear Physics. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
동위원소 분석 결과 약 10개월 동안 분석한 3개 표본에서 질량 248종이 일정하게 풍부하게 검출됐다.이는 반감기가 9년 이상인 Bk의248 이성질체에 기인한다.Cf의 성장은248 검출되지 않았으며, β− 반감기의 하한을 약 104 [년]으로 설정할 수 있다.새로운 이성질체에 기인하는 알파 활성은 검출되지 않았습니다. 알파 반감기는 아마도 300년 이상일 것입니다." - ^ 이것은 "불안정의 바다"가 생기기 전 최소한 4년의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종이다.
- ^ 반감기가 Th를 크게 초과하는 "고전적으로 안정적인" 핵종을 제외하면, 예를 들어 Cd의 반감기는 14년밖에 되지 않지만, Cd의 반감기는 거의 8,000조 년이다.
- ^ David Albright and Kimberly Kramer (August 22, 2005). "Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns" (PDF). Institute for Science and International Security. Retrieved October 13, 2011.
- ^ 일부 Los Alamos 고속 중성자 시스템의 중요 사양 재평가
- ^ a b c d 핵무기 설계 및 재료, The Nuclear Threat Initiative 웹사이트.[dead link][unreliable source?]
- ^ a b c 최종 보고서, 핵임계 안전성 데이터 평가 및 수송 중 악티나이드의 한계, 프랑스 공화국, 방사능 방호 연구소 외 누클레어, 프로벤션 부서 외 사고.
- ^ 5장 내일의 트러블? 분리된 넵투늄 237과 아메리슘, 핵분열 물질 관리의 과제(1999), isis-online.org
- ^ P. Weiss (October 26, 2002). "Neptunium Nukes? Little-studied metal goes critical". Science News. 162 (17): 259. doi:10.2307/4014034. Archived from the original on December 15, 2012. Retrieved November 7, 2013.
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- ^ a b c Dias, Hemanth; Tancock, Nigel; Clayton, Angela (2003). "Critical Mass Calculations for 241Am, 242mAm and 243Am" (PDF). Challenges in the Pursuit of Global Nuclear Criticality Safety. Proceedings of the Seventh International Conference on Nuclear Criticality Safety. Vol. II. Tokai, Ibaraki, Japan: Japan Atomic Energy Research Institute. pp. 618–623.
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- ^ a b c 방사선방호연구소(Institut de Radioprotection et de Sérette Nucleaire): "핵임계 안전성 평가. 수송 중인 악티니드에 대한 데이터와 한계", 페이지 16
- ^ Carey Sublette, 핵무기 자주 묻는 질문: 제6.0절 핵물질 1999년 2월 20일
- ^ – 토의]Makhijani, Arjun; Chalmers, Lois; Smith, Brice (October 15, 2004). "Uranium Enrichment: Just Plain Facts to Fuel an Informed Debate on Nuclear Proliferation and Nuclear Power" (PDF). Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved May 17, 2017.
- ^ 무기 사용 가능 우라늄-233 ORNL/TM-13517의 정의
- ^ 핵물질 FAQ
- ^ "Reactor-Grade and Weapons-Grade Plutonium in Nuclear Explosives". Nonproliferation and Arms Control Assessment of Weapons-Usable Fissile Material Storage and Excess Plutonium Disposition Alternatives (excerpted). U.S. Department of Energy. January 1997. Retrieved September 5, 2011.
- ^ 를 클릭합니다Matthew Bunn and; John P. Holdren (November 1997). "MANAGING MILITARY URANIUM AND PLUTONIUM IN THE UNITED STATES AND THE FORMER SOVIET UNION". Annual Review of Energy and the Environment. 22 (1): 403–486. doi:10.1146/ANNUREV.ENERGY.22.1.403. Wikidata Q56853752..
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- ^ "Plutonium". World Nuclear Association. March 2009. Retrieved February 28, 2010.
외부 링크
- 핵폭발물 원자로급 및 무기급 플루토늄, 캐나다 핵책임연맹
- 핵무기와 동력원자로 플루토늄, 아모리 B. 러빈스, 1980년 2월 28일, 네이처, 제283권, 제5750호, 페이지 817-823
- Garwin, Richard L. (1999). "The Nuclear Fuel Cycle: Does Reprocessing Make Sense?". In B. van der Zwaan (ed.). Nuclear energy. World Scientific. p. 144. ISBN 978-981-02-4011-0.
But there is no doubt that the reactor-grade plutonium obtained from reprocessing LWR spent fuel can readily be used to make high-performance, high-reliability nuclear weaponry, as explained in the 1994 Committee on International Security and Arms Control (CISAC) publication.
