兵器級核物質

兵器級核物質とは、核兵器を製造するのに十分な純度を持ち、核兵器の使用に特に適した特性を持つ 核分裂性核物質のことです。核兵器に通常使用される級のプルトニウムとウランが最も一般的な例です。(これらの核物質には、純度に基づいて他の分類があります。)

核兵器に使用できるのは、特定の元素の核分裂性 同位体のみです。核兵器に使用するには、使用する元素中の核分裂性同位体ウラン 235とプルトニウム 239の濃度が十分に高くなければなりません。天然資源から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ます。

ウラン233 （トリウム燃料サイクルの中心となる核分裂性物質）を使った実験が行われた。ネプツニウム237と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、実際に実行されたかどうかは明らかではない。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]

兵器級の核物質は、兵器としての使用を正当化できるほど小さい臨界質量を持たなければなりません。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です。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す。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す。たとえば、ウラン 238の臨界質量は無限大ですが、ウラン 233とウラン 235の臨界質量は有限です。

あらゆる同位体の臨界質量は、不純物や物質の物理的形状によって左右される。臨界質量が最小で物理的寸法が最小の形状は球体である。一部のアクチニドの通常密度における裸球臨界質量は、添付の表に記載されている。裸球質量に関する情報のほとんどは機密扱いであるが、一部の文書は機密解除されている。^[7]

少なくとも10カ国が兵器級の核物質を生産している。^[18]

• 核拡散防止条約（NPT）の条項に基づいて「核兵器国」として認められている5か国：米国（ 1945年に最初の核兵器実験と2発の爆弾を兵器として使用）、ロシア（1949年に最初の核兵器実験）、英国（1952年）、フランス（1960年）、中国（1964年）
• NPTに署名していない他の3つの核保有国：インド（署名していない、1974年に核兵器の実験を行った）、パキスタン（署名していない、1998年に核兵器の実験を行った）、北朝鮮（2003年にNPTから脱退、2006年に核兵器の実験を行った）
• イスラエルは核兵器を開発していることは広く知られているが（おそらく1960年代か1970年代に初めて実験された）、その能力を公に宣言していない。
• 南アフリカも濃縮能力を持ち、核兵器を開発していた（おそらく1979年に実験した）が、1991年に核兵器を解体し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。当初は核分裂性ウラン 235はわずか 0.7% で、残りはほぼすべてウラン 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、 U-235 が約 90% に濃縮されると兵器級とみなされる。^[要出典]

U-233は中性子捕獲によってトリウム232から生成される。^[19]このように生成されたU-233は濃縮を必要とせず、残留Th-232から比較的容易に化学的に分離することができる。したがって、U-233は存在する総量によってのみ特別な核物質として規制されている。U-233は、核拡散の懸念を取り除くために意図的にU-238と混合されることがある。^[20]

ウラン 233 はこのように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。ウラン 232 の危険性は、タリウム 208などの高放射性崩壊生成物の結果として、5 ppmでも顕著である。爆縮核兵器には、50 ppm 未満のウラン 232 レベルが必要である (これを超えると、ウラン 233 は「低品位」と見なされる。「標準的な兵器級プルトニウムには、6.5% を超えるPu-240含有量が要求されない」を参照。これは 65,000 ppm であり、類似のPu-238は 0.5% (5000 ppm) 以下のレベルで生産された)。銃型核分裂兵器には、低いウラン 232 レベルと 1 ppm 程度の低レベルの軽不純物が必要である。^[21]

Pu-239は、原子炉内で中性子がU-238に吸収されてU-239を形成し、その後急速な2段階のプロセスでPu-239に崩壊することによって人工的に生成される。 ^{[22]その後、}核再処理工場でウランから分離することができる。^[23]

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 です。^[24] Pu-239 がさらに中性子を吸収して核分裂に失敗した場合に Pu-240 が生成されます。Pu-240 と Pu-239 は再処理では分離されません。Pu-240 は自発核分裂率が高く、核兵器の事前爆発を引き起こす可能性があります。このため、プルトニウムは銃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 の濃度を減らすために、兵器計画用プルトニウム製造炉 (例: B 原子炉) では、通常の原子炉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です。電力または兵器材料のいずれかを生産するように設計された、旧式の英国のマグノックス原子炉やフランスのUNGG原子炉などの発電所は、オンライン燃料交換を使用して頻繁に燃料を交換しながら低出力レベルで運転され、兵器級プルトニウムを生産していました。このような運転は、電力生産に最も一般的に使用される軽水炉では不可能です。これらの原子炉では、照射された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。

軽水炉の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、あらゆる高度の核兵器の製造に使用できる。^[25]ただし、単純な設計では、爆発的な威力しか生み出さない可能性がある。^[26]原子炉級プルトニウムで作られた兵器は、保管して使用可能にしておくために特別な冷却が必要になる。^[27] 1962年に米国ネバダ州国家安全保障施設（当時はネバダ性能試験場として知られていた）で行われたテストでは、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。その同位体組成は、原子炉級という説明以外明らかにされておらず、物質をこのように説明する際にどの定義が使用されたのかも明らかにされていない。^[28]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年の試験に使用された物質中のプルトニウム239の含有量は公表されていないが、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。^[29]

燃料被覆管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、商用 LWR で低燃焼度の使用済み燃料が生成されることがあります。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成することができます。

• 核爆発物に含まれる原子炉級および兵器級プルトニウム、カナダ核責任連合
• 核兵器と動力炉のプルトニウム Archived March 16, at the Wayback Machine、Amory B. Lovins、1980年2月28日、Nature、Vol. 283、No. 5750、pp. 817–823
• ガーウィン、リチャード L. (1999)。「核燃料サイクル: 再処理は意味があるか?」B. ファン デル ズワーン (編) 著。原子力エネルギー。ワールド サイエンティフィック。p. 144。ISBN 978-981-02-4011-0しかし、 1994年の国際安全保障及び軍備管理委員会 (CISAC) の出版物で説明されているように、軽水炉の使用済み燃料の再処理から得られる原子炉級プルトニウムは、高性能で信頼性の高い核兵器の製造に容易に使用できることは間違いありません。