兵器級核物質

兵器級核物質とは、核兵器の製造に十分な純度を持ち、かつ核兵器用途に特に適した特性を有する 核分裂性核物質のことである。核兵器に通常使用されるプルトニウムやウランが最も一般的な例である。（これらの核物質は、純度に基づいてさらに細分化される。）

核兵器への利用が可能なのは、特定の元素の核分裂性同位体のみである。そのためには、使用する元素中の核分裂性同位体であるウラン235とプルトニウム239の濃度が十分に高くなければならない。天然資源由来のウランは同位体分離によって濃縮され、プルトニウムは適切な原子炉で生成される。

ウラン233 （トリウム燃料サイクルの中核となる核分裂性物質）を用いた実験が行われている。ネプツニウム237やアメリシウムのいくつかの同位体も使用可能かもしれないが、実際に使用されたことがあるかどうかは不明である。後者の物質は、使用済み核燃料中のマイナーアクチニドの一部である。^{[ 6 ]}

兵器級核物質は、兵器への使用を正当化するのに十分なほど小さい臨界質量を持たなければならない。あらゆる物質の臨界質量とは、持続的な核連鎖反応に必要な最小量のことである。さらに、同位体によって臨界質量は異なり、多くの放射性同位体の臨界質量は無限大である。これは、1つの原子の崩壊様式が、隣接する複数の原子の同様の崩壊を引き起こすことができないためである。例えば、ウラン238の臨界質量は無限大であるが、ウラン233とウラン235の臨界質量は有限である。

任意の同位体の臨界質量は、不純物や物質の物理的な形状によって影響を受ける。臨界質量が最小で物理的寸法が最小となる形状は球である。一部のアクチニドの通常の密度における裸球の臨界質量は、付随する表に記載されている。裸球の質量に関する情報のほとんどは機密扱いだが、一部の文書は機密解除されている。^{[ 7 ]}

少なくとも10か国が兵器級核物質を生産している: ^{[ 19 ]}

• 核不拡散条約（NPT）の規定に基づき、 5つの「核兵器保有国」が認められている。米国（ 1945年に初の核兵器実験を行い、2発の爆弾を兵器として使用）、ロシア（1949年に初の核兵器実験）、英国（1952年）、フランス（1960年）、中国（1964年）である。
• 核不拡散条約（NPT）の署名国ではないものの、核保有を宣言している国は他に3カ国ある。インド（非署名国、1974年に核実験を実施）、パキスタン（非署名国、1998年に核実験を実施）、北朝鮮（2003年にNPTから脱退、2006年に核実験を実施）である。
• イスラエルは核兵器を開発したことが広く知られている（おそらく1960年代か1970年代に初めて実験を行った）が、その能力を公には宣言していない。
• 南アフリカもウラン濃縮能力を持ち、核兵器を開発していた（1979年に核実験を行った可能性もある）が、1991年に核兵器を解体し、核不拡散条約（NPT）に加盟した。

天然ウランは同位体濃縮によって兵器級に加工される。当初はウランの約0.7%だけが核分裂性ウラン235であり、残りはほぼ完全にウラン238 （U-238）である。これらは質量の違いによって区別される。高濃縮ウランは、ウラン235が約90%まで濃縮されたときに兵器級とみなされる。^{[ 20 ]}

ウラン233は、トリウム232から中性子捕獲によって生成される。^{[ 21 ]}このように生成されたウラン233は濃縮を必要とせず、残留トリウム232から比較的容易に化学的に分離できる。そのため、ウラン233は、その総量のみに基づいて特殊核物質として規制されている。ウラン233は、核拡散の懸念を解消するために、ウラン238と意図的に混合されることがある。^{[ 22 ]}

U-233は兵器化に理想的であるように思われるが、その目標に対する大きな障害は、副反応による微量のウラン-232の同時生成である。タリウム-208などの高放射性崩壊生成物によるU-232の危険性は、 5ppmでも重大なものである。インプロージョン核兵器には、50ppm以下のU-232レベルが必要である（これを超えるとU-233は「低品位」とみなされる。参照：「標準的な兵器級プルトニウムには、Pu-240含有量が6.5%以下でなければならない。」これは65,000ppmであり、類似のPu-238は0.5%（5000ppm）以下のレベルで生成された）。ガン型核分裂兵器には、1ppm程度の低レベルのU-232と低レベルの軽不純物が必要となる。^{[ 23 ]}

プルトニウム239は、原子炉内でウラン238が中性子を吸収してウラン239を形成し、それが急速な2段階のプロセスでプルトニウム239に崩壊することによって人工的に生成されます。 ^{[ 24 ]}その後、核燃料再処理工場でウランから分離することができます。^{[ 25 ]}

兵器級プルトニウムは、主にPu-239で構成され、通常は約93%がPu-239であると定義されています。^{[ 26 ]} Pu-240は、Pu-239がさらに中性子を吸収して核分裂に失敗したときに生成されます。Pu-240とPu-239は再処理によって分離されません。Pu-240は自発核分裂率が高く、核兵器が早期に爆発して不発を起こす可能性があります。このため、プルトニウムはガン型核兵器での使用には適していません。生成されるプルトニウム中のPu-240の濃度を下げるために、兵器計画のプルトニウム生産炉（例：B原子炉）は、原子力発電炉の通常の照射時間よりもはるかに短い時間でウランを照射します。より正確には、兵器級プルトニウムは、低燃焼度まで照射されたウランから得られます。

これは、これら2種類の原子炉の根本的な違いを表しています。原子力発電所では、高燃焼度が望ましいとされています。電力または兵器用物質の生産を目的として設計された、旧式の英国マグノックス原子炉やフランスUNGG原子炉などの発電所は、兵器級プルトニウムを生産するために、オンライン燃料交換による頻繁な燃料交換を行いながら、低出力で運転されていました。このような運転は、電力生産に最も一般的に使用されている軽水炉では不可能です。軽水炉では、照射済み燃料にアクセスするには、原子炉を停止し、圧力容器を分解する必要があります。

軽水炉使用済み燃料から回収されたプルトニウムは兵器級ではないが、あらゆるレベルの高度な核兵器の製造に使用できる^{[ 27 ]。}ただし、単純な設計では、わずかな収量しか得られない可能性がある^{[ 28 ]} 。原子炉級プルトニウムで作られた兵器は、保管して使用できるようにするために特別な冷却が必要となる^{[ 29 ]} 。1962年に米国のネバダ国家安全保障サイト（当時はネバダ試験場として知られていた） で行われた実験では、英国のマグノックス原子炉で製造された非兵器級プルトニウムが使用された。使用されたプルトニウムは、1958年の米英相互防衛協定に基づいて米国に提供されたものである。その同位体組成は、原子炉級という記述以外には明らかにされておらず、この物質をこのように記述する際にどの定義が使用されたかも明らかにされていない^{[ 30 ]} 。プルトニウムは、カルダーホールまたはチャペルクロスのマグノックス原子炉から供給されたと思われる。 1962年の実験に使用された物質中のプルトニウム239の含有量は明らかにされていないが、少なくとも85％であったと推測されており、現在稼働中の原子炉の典型的な使用済み燃料よりもはるかに高い。^{[ 31 ]}

軽水炉では、燃料被覆管の破損などの事故により早期の燃料交換が必要になった場合、低燃焼度の使用済み燃料が時折発生する。照射期間が十分に短ければ、この使用済み燃料を再処理して兵器級プルトニウムを生産できる可能性がある。

• 原子炉級および兵器級プルトニウムの核爆発物への使用、カナダ核責任連合
• 核兵器と原子炉プルトニウム2007年3月16日にWayback Machineにアーカイブ済み、Amory B. Lovins、1980年2月28日、Nature 、第283巻、第5750号、 817～823ページ 
• ガーウィン、リチャード・L. (1999). 「核燃料サイクル：再処理は理にかなっているか？」 B. ファン・デル・ズワーン編『原子力エネルギー』ワールド・サイエンティフィック、 144ページ。ISBN 978-981-02-4011-0しかし、 1994年の国際安全保障軍備管理委員会（CISAC）の出版物で説明されているように、軽水炉使用済み燃料の再処理によって得られる原子炉級プルトニウムは、高性能かつ高信頼性の核兵器の製造に容易に利用できることは疑いの余地がない。