プルトニウム・ガリウム合金

プルトニウム・ガリウム合金（Pu-Ga）はプルトニウムとガリウムの合金で、核兵器ピット（核分裂連鎖反応が開始される核兵器の構成要素）に使用されます。この合金はマンハッタン計画中に開発されました。

金属プルトニウムには、いくつかの異なる固体同素体があります。δ相は最も密度が低く、最も加工しやすい相です。これは、常圧（1気圧）で310～452℃の温度で形成され、より低い温度では熱力学的に不安定です。ただし、プルトニウムは、少量の他の金属と合金にすることでδ相で安定化できます。推奨される合金は、3.0～3.5 mol.%（0.8～1.0 wt.%）のガリウムです。

Pu-Gaには多くの実用的な利点がある: ^[1]

• −75～475℃で安定、
• 非常に低い熱膨張、
• 腐食に対する感受性が低い（純粋なプルトニウムの腐食率の4％）
• 鋳造性が良好。プルトニウムは溶融状態が固体状態よりも密度が高いという珍しい特性を持っているため、気泡や内部欠陥が発生する傾向が減少します。

安定化された δ 相 Pu-Ga は延性があり、従来の方法でシート状に圧延して機械加工することができます。約 400 °C でのホットプレスによる成形に適しています。この方法は、最初の核兵器ピットの形成に使用されました。

より現代的なピットは鋳造によって生産されています。亜臨界試験では、精錬プルトニウムと鋳造プルトニウムの性能は同じであることが示されました。^{[2] [3]}冷却中にε-δ遷移のみが発生するため、Pu-Gaの鋳造は純粋なプルトニウムの鋳造よりも簡単です。^[4]

δ 相 Pu-Ga は依然として熱力学的に不安定であるため、その経年変化挙動が懸念されています。各相間の密度 (したがって体積) には大きな差があります。δ 相プルトニウムと α 相プルトニウム間の遷移は 115 °C の低温で発生し、偶然に発生することもあります。相遷移とそれに伴う機械的変形、およびその結果生じる構造損傷や対称性の喪失を防ぐことは非常に重要です。4 mol.% ガリウム未満では、圧力による相変化は不可逆です。

しかし、相変化は核兵器の運用中に有用である。反応が始まると、数百ギガパスカルの範囲の巨大な圧力が発生する。これらの条件下では、δ相のPu-Gaは、密度が25％高く、したがってより重要なα相に変化する。

α相のプルトニウムは原子間の結合が不均一なため内部対称性が低く、金属というよりはセラミックに似ている（そしてセラミックのように振る舞う） 。ガリウムを加えると結合がより均一になり、δ相の安定性が増す。^{[5] α相の結合は}5f殻電子によって媒介され、温度上昇や格子内の適切な原子の存在によって破壊される可能性があり、これにより利用可能な5f電子の数が減少し、結合が弱まる。^[6]合金は溶融状態の方が固体状態よりも密度が高く、気泡や内部欠陥の形成傾向が減少するため鋳造に有利となる。^{[1] [7]}

ガリウムはプルトニウムに偏析する傾向があり、ガリウムが豊富な粒の中心とガリウムが乏しい粒界という「コアリング」を引き起こします。格子を安定させ、ガリウムの偏析を逆転させて防止するには、 δ-ε 相転移のすぐ下の温度でアニーリングを行う必要があります。そうすることで、ガリウム原子が粒を拡散して均質な構造を形成できます。ガリウムの均質化を達成するのにかかる時間は、合金の粒度が大きくなるにつれて長くなり、温度が上昇するにつれて短くなります。室温で安定化されたプルトニウムの構造は、δ 相温度で安定化されていないプルトニウムの構造と同じですが、fcc格子でプルトニウムを置換するガリウム原子の違いがあります。

プルトニウムにガリウムが含まれているということは、その起源が兵器工場か廃止された核兵器であることを意味します。プルトニウムの同位体シグネチャーにより、その起源、製造方法、製造に使用された原子炉の種類、大まかな照射履歴、および他のサンプルとの照合が大まかに特定でき、これは核密輸の調査において重要です。^[8]

プルトニウムとガリウムの金属間化合物には、PuGa、Pu ₃ Ga、Pu ₆ Ga などがあります。

安定化δ合金の老化の過程で、ガリウムは格子から分離し、α相内にPu _{3 Ga（ζ'相）の領域を形成し、それに応じて寸法と密度が変化し、内部歪みが蓄積される。しかし、プルトニウムの崩壊によってエネルギー粒子（}アルファ粒子とウラン235の原子核）が生成され、ζ'相が局所的に破壊され、ζ'相がごく少量存在する状態で動的平衡が確立されるため、合金の老化は予想外に遅く、穏やかである。 ^{[9] [10]}アルファ粒子は格子内の格子間ヘリウム原子として捕捉され、金属内でヘリウムで満たされた小さな（直径約1nm）泡に凝集し、無視できるレベルの空隙膨張を引き起こす。泡のサイズは限られているように見えるが、その数は時間とともに増加する。

崩壊速度が著しく速いプルトニウム238を7.5重量％添加すると、経年劣化による損傷率が16倍に増加し、プルトニウムの経年劣化研究に役立ちます。Blue Geneスーパーコンピューターはプルトニウムの経年劣化プロセスのシミュレーションに役立ちました。^[11]

プルトニウム合金は溶融プルトニウムに金属を加えることで製造できる。しかし、合金金属が十分に還元性であれば、プルトニウムは酸化物またはハロゲン化物の形で添加することができる。δ相プルトニウム-ガリウム合金およびプルトニウム-アルミニウム合金は、溶融ガリウムまたはアルミニウムにフッ化プルトニウム(III)を加えることで製造され、反応性の高いプルトニウム金属を直接扱わなくて済むという利点がある。^[12]

余剰弾頭ピットをMOX燃料に再処理する場合、ガリウムの含有量が多いと燃料棒 被覆管に悪影響を与える可能性があり（ガリウムはジルコニウムを攻撃する^[13]）、燃料ペレット内の核分裂生成物の移動にも影響を与えるため、ガリウムの大部分を除去する必要がある。ARIESプロセスでは、ピットはプルトニウム水素化物に変換され、次に必要に応じて窒化物、さらに酸化物に変換される。その後、94%アルゴン6%水素雰囲気で1100℃で加熱することにより、固体酸化物混合物からガリウムの大部分が除去され、ガリウム含有量が1%から0.02%に減少する。MOX燃料製造中にプルトニウム酸化物をさらに希釈すると、ガリウム含有量は無視できるレベルになる。イオン交換を使用した湿式ガリウム除去法も可能である。^[14] 電解精製は、ガリウムとプルトニウムを分離する別の方法である。^[15]

マンハッタン計画（1942-1945）では、プルトニウムが爆発効率に影響を与えない希釈原子の最大量は5モル％と計算された。安定化元素としてシリコンとアルミニウムの2つが検討された。しかし、満足のいく合金を生成したのはアルミニウムだけだった。しかし、アルミニウムはα粒子と反応して中性子を放出する傾向があるため、その最大含有量は0.5モル％に制限されていた。ホウ素グループの次の元素であるガリウムが試され、満足のいくものであることがわかった。^{[16] [17]スパイのクラウス}・フックスによってソ連に渡された初期の原子爆弾設計の秘密には、プルトニウムの相を安定させるためのガリウムのトリックが含まれていたため、ソ連の最初の原子爆弾でもこの合金が使用された。^[18]