핏(핵무기)

Pit (nuclear weapon)
"데몬 코어": 중성자 반사 텅스텐 카바이드 블록으로 둘러싸인 플루토늄 구역을 사용하여 1945년 치명적 임계 사고에 사용된 구성을 다시 생성한다.
정밀 플루토늄 주조 공장 금형, 1959

복숭아나 살구와 같은 과일에서 발견되는 단단한 핵의 이름을 따서 명명된 이 구덩이는 핵폭발 핵 무기의 핵심이다.[1] 즉 핵분열 물질과 핵분열 물질에 접합된 중성자 반사체 또는 변조 물질이다.1950년대에 시험한 무기 중에는 U-235만으로 만든 구덩이나 플루토늄으로 만든 구덩이를 사용하기도 했지만 올플루토늄 구덩이는 직경이 가장 작고 1960년대 초반부터 표준이 되어 왔다.[2]

핏 디자인

크리스티 구덩이

1차 핵무기의 구덩이는 고체였고, 그 중심에 우르친 중성자 이니시에이터가 있었다.가젯과 뚱뚱한 남자는 6.2kg의 고체 열압착 플루토늄-갈륨 합금(철강 다이 - 750°F 및 29,000psi)으로 만든 구덩이를 사용했으며, 직경 9.2cm(3.6인치)의 반경사로, 개시자는 2.5cm(1인치)의 내부 캐비티를 사용했다.가젯의 구덩이는 0.13mm의 은으로 전기 도금되었다. 그러나 그 층은 물집이 생겼고 물집은 시험 전에 갈아서 금박으로 도금해야 했다.뚱뚱한 남자 구덩이, 그리고 그 이후의 모델 구덩이들은 모두 니켈 도금되어 있었다.속이 빈 구덩이는 더 효율적이라고 생각되고 알려졌지만, 더 높은 붕괴 정확도 요건 때문에 결국 거부되었다.[citation needed]

이후 설계에서는 유사한 설계의 TOM 이니시에이터를 사용했지만 직경은 약1cm (3⁄8 인치).내부 중성자 개시자는 이후 단계적으로 폐기되었고 펄스 중성자 선원과 증가된 핵분열 무기로 대체되었다.[citation needed]

솔리드 코어는 에드워드 텔러에 의해 처음 제안된 후 솔리드 핏 디자인을 현실로 만든 로버트 크리스티의 뒤를 이어 "크리스티" 디자인으로 알려져 있다.[3][4][5]구덩이와 함께 물리학 패키지 전체가 비공식적으로 "크리스티['s] 가젯"[6]이라는 별명도 붙었다.

레베레스트 구덩이

파열은 변조와 피트 사이에 빈 공간을 남겨두면 효율을 높일 수 있으며, 충격파가 피트에 영향을 미치기 전에 빠른 가속을 일으킬 수 있다.이 방법은 공중부양이라고 알려져 있다.공중 부양된 구덩이는 1948년에 Fat Man 스타일의 폭탄으로 시험되었다.공중부양을 한 초기 무기는 개방형 구덩이라고 불리는 탈착식 구덩이를 가지고 있었다.그것은 버드케이지라고 불리는 특별한 캡슐에 따로 보관되어 있었다.[7]

속이 빈 구덩이

속이 빈 구덩이를 파내는 동안 플루토늄 층은 내부로 가속되어 중간에서 충돌하고 초임계 고밀도 구를 형성한다.추가된 추진력 때문에 플루토늄 자체가 변조 역할의 일부를 담당하게 되는데, 변조층에는 더 적은 양의 우라늄이 필요하게 되어 탄두 무게와 크기가 줄어든다.속이 빈 구덩이는 단단한 구덩이보다 효율적이지만 더 정확한 붕괴가 필요하다. 따라서 최초의 무기 설계에는 단단한 "크리스티" 구덩이가 선호되었다.1945년 8월 전쟁이 끝난 후, 실험실은 다시가 텅 빈 갱도의 문제에는 올해의 나머지 기간 동안 그들은 한스 베테, 그의 단체 지도자, 그리고 이론적인 부문에 후계자에 의해가 텅 빈 복합 중심 위대한 interest,[8]의 플루토늄과 문제가 Hanfor을 업그레이드 하고 비용 때문에 있는 것이 실려었다.d원자로

중수소와 삼중수소의 50%/50% 혼합물을 주입하여 중수소와 삼중수소를 주입하면 효율을 더욱 높일 수 있으며, 소위 "융접 부스팅"이라고 불리며, 이는 성공적인 폭발을 달성하기 위한 플루토늄의 최소량을 감소시킨다.개시 제어의 높은 정도는 중수소-트리트리튬 혼합물 주입량과 외부 발생기에서 중성자 펄스의 타이밍과 강도에 의해 가변 항복 무기의 설계를 촉진했다.[citation needed]

복합 코어 및 우라늄 피트

당시 플루토늄-239 공급은 부족했다.구덩이에 필요한 양을 줄이기 위해, 속이 빈 플루토늄 껍질이 당시 보다 풍부한 고농축 우라늄의 외부 껍질로 둘러싸인 복합 핵이 개발되었다.복합 코어는 1947년 말까지 마크 3 핵폭탄에 사용할 수 있었다.[9]예를 들어, 미국 마크 4 폭탄의 복합 핵인 49-LCC-C 핵은 2.5 kg의 플루토늄과 5 kg의 우라늄으로 만들어졌다.폭발로 인해 플루토늄의 에너지는 35%, 우라늄의 25%밖에 방출되지 않아 효율성이 높지 않지만 플루토늄의 중량절감 효과는 상당하다.[10]

다른 핏 물질을 고려하는 또 다른 요인은 플루토늄과 우라늄의 다른 행동이다.[11]플루토늄은 더 빨리 배출되고 더 많은 중성자를 생산하지만, 그때는 생산 비용이 더 많이 들었고, 사용 가능한 원자로의 한계로 인해 희박했다.우라늄은 핵분열 속도가 느리기 때문에 보다 초임계 질량으로 조립할 수 있어 무기 수율이 더 높다.1945년 7월부터 복합코어가 고려되었고, 복합코어가 1946년에 사용 가능하게 되었다.당시 로스 알라모스의 우선 순위는 올우라늄 피트의 설계였다.새 갱도 설계는 샌드스톤 작전에 의해 시험되었다.

배경 중성자 비율이 높은 플루토늄 전용 코어는 수율이 감소하는 등 예측 확률이 높았다.[12]이러한 확률을 최소화하기 위해서는 달성 가능한 수율을 약 10kt로 제한하거나, 실용적으로 낮은 수준의 플루토늄-240 오염을 가진 고순도 플루토늄-239를 사용하는 더 작은 양의 플루토늄이 필요했다.복합 코어의 장점은 예측 위험을 낮게 유지하면서 더 높은 수율을 유지할 수 있는 가능성과 사용 가능한 핵분열성 물질을 모두 활용할 수 있다는 것이었다.수율 제한은 1950년대 중반 퓨전 부스팅의 출현과 함께, 그리고 나중에 퓨전 무기의 사용과 무관하게 되었다.[13]

무기의 수확량도 구덩이 중에서 선택하여 조절할 수 있다.예를 들어, 마크 4 핵폭탄은 49-LTC-C (재발 우라늄-235, 1948년 5월 14일 Zebra 시험에서 시험), 49-LCC-C (재발성 복합 우라늄-플루토늄), 50-LCC-C (재발성 복합체)의 3가지 다른 구덩이를 장착할 수 있다.[14]이 접근방식은 비이동성 구덩이를 가진 보다 현대적인 무기의 수율의 현장 선택성에는 적합하지 않지만, 다른 전술적 용도에 대해 서로 다른 수율을 가진 복수의 무기 하위 유형의 생산을 허용한다.초기 미국 설계는 표준화된 타입 C와 타입 D 피트 어셈블리에 기초하였다.마크 4 폭탄은 비행 중에 수동으로 삽입할 수 있는 C형과 D형 구덩이를 사용했다.마크 5 폭탄은 D형 구덩이를 사용했으며, 비행 중 삽입이 자동화되었으며, W-5 탄두도 같은 것을 사용하였다.그 후계자인 마크 6 폭탄은 아마도 같거나 비슷한 구덩이를 사용했을 것이다.[citation needed]

피트는 플루토늄-239, 플루토늄-239/우라늄-235 복합체 또는 우라늄-235만으로 구성될 수 있다.플루토늄이 가장 보편적인 선택이지만 예를 들어 바이올렛 클럽 폭탄과[15] 오렌지 헤럴드 탄두는 87kg과 117kg(다른 출처에 따르면 98kg과 125kg)의 고농축 우라늄으로 구성된 거대한 중공 구덩이를 사용했다.그린 그래스 핵분열 코어는 내경 560 mm, 벽 두께 3.6 mm, 질량 70–86 kg의 고농축 우라늄 구체로 구성되었으며, 피트는 주변의 천연 우라늄 변조에 의해 완전히 지지되었다.두 개 이상의 임계 질량의 핵분열 물질로 구성된 그러한 거대한 구덩이는 붕괴 껍질의 비대칭 폭발이 킬로톤 범위 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 상당한 안전 위험을 야기한다.[16]가장 큰 수익성의 순수 배출 무기인 500킬로톤급 마크 18 핵폭탄은 약 4개의 임계 질량인 60kg 이상의 고농축 우라늄으로 구성된 속이 빈 구덩이를 사용했으며, 안전은 구덩이에 알루미늄-보론 체인을 삽입하여 수행되었다.

TX-7E Mark 7 핵폭탄의 플루토늄-U235 핵에 기초한 플루토늄과 우라늄-233의 복합 피트는 1955년 MET 시험의 티팟 작전 동안에 시험되었다.수확량은 예상한 33킬로톤 대신 22킬로톤이었다.[citation needed]

봉인된 구덩이

밀폐된 구덩이는 핵무기 내부의 구덩이에 구멍이 없이 단단한 금속 장벽이 형성되는 것을 의미한다.이것은 핵물질을 환경 파괴로부터 보호하고, 우발적인 화재나 사소한 폭발의 경우에 핵물질의 방출 가능성을 줄이는데 도움을 준다.밀폐된 구덩이를 사용한 최초의 미국 무기는 W25 탄두였다.금속은 종종 스테인리스강이지만 베릴륨, 알루미늄, 그리고 아마도 바나듐도 사용된다.베릴륨은 부서지기 쉽고 독성이 있으며 값이 비싸지만 중성자 반사체로서의 역할 때문에 구덩이에 필요한 임계 질량을 낮춰주는 매력적인 선택이다.플루토늄과 베릴륨 사이에는 아마도 접촉 금속층이 있을 것이고, 그렇지 않으면 베릴륨과 반응하고 중성자를 생산하는 플루토늄(및 아메리슘과 기타 오염물질)의 붕괴로부터 알파 입자를 포획할 것이다.베릴륨 탬퍼/반사기는 1950년대 중반에 사용되었으며, 부품은 로키 플랫스 공장의 압착 분말 베릴륨 블랭크로 가공되었다.[17]

더 현대적인 플루토늄 구덩이들은 속이 비어있다.일부 현대적 구덩이에 적용되는 흔히 사용되는 규격은 내부 표면이 플루토늄으로 정렬된 상태에서 삼중수소 주입 통로(증강된 핵분열 무기의 경우)와 볼링 공의 대략적인 크기와 중량의 적절한 구조 금속의 속이 빈 구역을 설명한다.보통 볼링 공과 테니스 공 사이의 크기, 스피어리티의 정확성, 무기 특성에 영향을 미치는 주요 요소인 핵분열 물질의 무게와 동위원소 구성이 분류되는 경우가 많다.속이 빈 구덩이는 적도 주변의 세 개의 관절 용접부가 있는 하프 쉘과 부스트 가스 주입을 위한 튜브 브레이징(베릴륨 또는 알루미늄 셸에) 또는 전자 빔 또는 TIG 용접(스테인리스 셸에)으로 만들 수 있다.[18]베릴륨을 입힌 구덩이는 골절에 더 취약하고 온도 변동에 더 민감하며 청소가 더 많이 필요하며 염화물과 습기로 부식에 취약하고 근로자를 유독 베릴륨에 노출시킬 수 있다.

새로운 구덩이에는 약 3kg의 플루토늄이 들어 있다.오래된 구덩이들은 약 4-5kg을 사용했다.[19]

선형 파열 구덩이

선형 파괴에 의해 더욱 소형화가 이루어졌다.길이가 긴 미임계 고형 피트는 두 개의 반대쪽 충격파에 의해 초임계 구형 모양으로 재편되었고, 나중에는 더 정밀하게 형성된 충격파가 있는 속이 빈 피트는 상대적으로 매우 작은 핵탄두의 건설을 가능하게 했다.그러나 이 구성은 비대칭 폭발이 핵폭발을 일으키지 않고 무기를 파괴하는 구형 충돌 조립체와 달리 폭발이 우발적으로 개시될 때 우발적인 고수익 폭발을 일으킬 수 있는 것으로 간주되었다.이로 인해 특수 설계 예방 조치와 원포인트 안전성을 포함한 일련의 안전성 테스트가 필요했다.

무기 간 핏 공유

구덩이는 무기 설계 간에 공유할 수 있다.예를 들어 W89 탄두는 W68s의 구덩이를 재사용한다고 한다.많은 피트 설계는 표준화되고 서로 다른 물리학 패키지 간에 공유된다; 동일한 물리학 패키지는 종종 다른 탄두에서 사용된다.구덩이는 또한 재사용될 수 있다; 분해된 무기로부터 추출된 밀봉된 구덩이는 일반적으로 직접적인 재사용을 위해 비축된다.플루토늄-갈륨 합금의 노화율이 낮아 구덩이의 저장 수명은 1세기 이상으로 추정된다.미국 무기고에서 가장 오래된 구덩이는 아직 50년도 채 되지 않았다.[citation needed]

밀봉된 구덩이는 접합 또는 비결합으로 분류할 수 있다.결합되지 않은 구덩이는 기계적으로 분해될 수 있다; 선반은 플루토늄을 분리하기에 충분하다.접합된 구덩이를 재활용하려면 화학 처리가 필요하다.[18]

현대 무기의 구덩이는 약 5cm의 반지름을 가지고 있다고 한다.[20][disputed – discuss]

무기 및 구덩이 유형

미국의 무기 구덩이[21][22]
디자인 랩 무기 핏형 상태 댓글
란엘 B61-3,10 123 영구 저장고
란엘 B61-7,11 125 영구 저장고
란엘 B61-4 118 영구 저장고
란엘 W76 116 영구 저장고 가장 열에 민감한 LANL 설계
란엘 78원 117 영구 저장고
란엘 W80 124 영구 저장고 LLNL로 이전되는 책임
란엘 W80 119 영구 저장고
란엘 W80-0 영구 저장고 해군용 초급 플루토늄 저방사능
란엘 W88 126 영구 저장고
LLNL B83년 MC3350 영구 저장고 가장 무거운 구덩이, 내화성 구덩이
LLNL W62년 MC2406 영구 저장고
LLNL W84년 ? 영구 저장고 내화 피트
LLNL W87년 MC3737 영구 저장고 내화 피트
란엘 B28 83 은퇴한
란엘 B28-0 93 은퇴한 최소 붕괴열.W28-0은 내부 개시를 사용하였고, 이후 B28 modd는 외부 개시를 사용하였으며, 이는 다른 피트를 설명하는 것일 수 있다.[23]
란엘 B43년 79 은퇴한 베릴륨 복장
란엘 B43-1 101 은퇴한 베릴륨 복장
란엘 W44 74 은퇴한 베릴륨 복장
란엘 W44-1 100 은퇴한 베릴륨 복장
란엘 W50-1 103 은퇴한
란엘 W54년 81 은퇴한 장기보관 전 청소가 필요
란엘 W54-1 96 은퇴한 장기보관 전 청소가 필요
란엘 B57 104 은퇴한
란엘 W59년 90 은퇴한
란엘 B61-0 110 은퇴한
란엘 B61-2,5 114 은퇴한
란엘 W66년 112 은퇴한
란엘 W69년 111 은퇴한
란엘 W85년 128 은퇴한
LLNL W48년 MC1397 은퇴한 베릴륨 복장, 장기 보관 전에 청소 필요
LLNL W55년 MC1324 은퇴한 베릴륨 복장으로 의심됨
LLNL W56년 MC1801 은퇴한 높은 방사선량, 장기간 보관 전에 세척 필요
LLNL W68년 MC1978 은퇴한
LLNL W70-0 MC2381 은퇴한
LLNL W70-1 MC2381a 은퇴한
LLNL W70-2 MC2381b 은퇴한
LLNL W70-3 MC2381c 은퇴한
LLNL W71년 알 수 없는 은퇴한 장기보관 전 청소가 필요
LLNL W79년 MC2574 은퇴한 베릴륨 복장으로 의심됨

안전 고려 사항

스틸 볼 세이프팅
원포인트 안전시험

첫 번째 무기는 탈착식 구덩이를 가지고 있었는데, 이 구덩이는 배치 직전에 폭탄에 설치되었다.계속되는 소형화 과정은 설계 변경으로 이어졌고, 장치 조립 중에 핏을 공장에 삽입할 수 있었다.이것은 높은 폭발물의 우발적인 폭발이 전면적인 핵폭발을 야기하지 않도록 하기 위한 안전 실험이 필요했다; 프로젝트 56은 그러한 일련의 실험들 중 하나였다.

우발적인 고수익 폭발은 항상 걱정거리였다.공중부양된 갱도 디자인은 폭탄에 구덩이를 삽입할 수 있게 하여 핵분열 코어와 그 주변의 폭발물을 분리하는 것이 실용적이었다.그러므로 많은 우발적인 폭탄 손실과 폭발의 사례들은 폭탄의 조작으로부터 우라늄의 분산만을 초래했다.그러나 나중에 구덩이와 변조 사이에 공간이 없는 움푹 패인 설계는 이를 불가능하게 만들었다.

초기 무기의 구덩이에는 접근 가능한 내부 충치가 있었다.안전을 위해 물건을 구덩이에 넣고 필요할 때만 제거했다.영국 그린 그래스와 같은 몇몇 큰 구덩이들은 내부 구멍에 고무줄과 금속 공으로 채워져 있었다; 이 디자인은 즉흥적으로 설계되었고 예를 들어 비행기 안과 같이 내부에 공으로 안전한 구덩이를 진동에 노출시키는 것에서는 최적과는 거리가 멀었다.대신 중성자 흡수 물질(원자로 제어봉(예: 카드뮴)에 사용되는 것과 동일)의 미세한 금속 체인을 사용할 수 있다.W47 탄두에는 제조 당시 카드뮴-보론 와이어가 채워져 있었고, 무기를 무장한 상태에서 소형 모터에 의해 와이어가 스풀로 당겨져 재삽입될 수 없었다.그러나 와이어는 제거 과정에서 깨지고 끊어지는 경향이 있어 완전한 제거가 불가능하고 탄두를 불량으로 만들었다.[24]

고체에서 속이 빈 구덩이로의 전환은 작업 안전 문제를 야기했다. 표면 대 질량 비율이 커지면 감마선의 방출이 상대적으로 더 높아졌고 로키 플랫스 생산 시설에 방사선 차폐를 더 잘 설치해야 했다.롤링 및 가공이 필요한 양이 증가함에 따라 가공 오일과 테트라클로로메탄의 소비가 증가했으며, 이후 부품의 그리스를 제거하고 다량의 오염된 폐기물을 생성하는 데 사용되었다.파이로포린 플루토늄 파편도 자기점화의 위험을 내포했다.[25]

밀봉된 구덩이는 다른 안전 방법을 필요로 한다.많은 기법이 사용되는데, 여기에는[26] 기계적 연동장치, 화재나 충격 시 오작동하도록 설계된 중요한 부품 등이 포함된다.

베릴륨 피복재는 기술적으로는 유리하지만 무기 공장 직원들에게 위험 부담을 준다.변조 껍데기를 가공하면 베릴륨과 베릴륨 산화물 분진이 발생하며, 그 흡입으로 베릴륨이 발생할 수 있다.1996년까지 미국 에너지부는 로키플랫스 공장의 30여명을 포함해 원자력 산업 종사자들 사이에서 50여건의 만성 베릴리아증 환자가 발생했으며, 몇몇은 사망했다고 밝혔다.[17]

1966년 팔로마레스 B-52 추락과 1968년 툴레 공군기지 B-52 추락 이후 미군의 우발적 플루토늄 분산에 대한 무기 안전이 우려됐다.

내화 피트(FRP)는 현대 핵무기의 안전 기능으로 화재 시 플루토늄 분산을 감소시킨다.현재 구덩이는 용융된 플루토늄을 몇 시간 동안 연소하는 항공기 연료의 대략적인 온도인 최대 1000 °C의 온도에 포함하도록 설계되어 있다.[27]내화성 구덩이는 폭발에 의해 주변에 흩어진 경우 도움이 되지 않을 것이다. 따라서 충격이나 화재에 의한 우발적 폭발에 대한 내성을 가져야 하는 무감각한 높은 폭발물 및 미사일에 사용될 때 파괴할 수 없는 추진체와 함께 사용된다.바나듐 클래딩은 내화 피트의 설계 테스트를 거쳤으나 사용 중인지, 실험 중인지 알 수 없다.W87 탄두는 FRP 사용 어셈블리의 예다.[28]그러나 FRP는 피트 클래딩이 기계적으로 손상된 경우 보호를 제공하지 않으며, 항공기 연료보다 연소 온도(약 2000°C)가 높은 비산물 연료 화재에 노출될 경우 고장이 발생할 수 있다.[29][30]심각한 무게와 크기 제약으로 인해 FRP 및 무감각 폭발물 사용이 금지될 수 있다.[31]SLBM은 크기 등을 고려했을 뿐 아니라 보다 활력 있고 취약한 연료로 ICBM에 비해 안전성이 떨어지는 경향이 있다.[32]

구덩이 근처에 있는 다른 활력 있는 물질들도 구덩이의 안전에 영향을 미친다.미국의 미사일 추진체는 두 가지 일반 등급으로 분류된다.등급 1.3, 화재 위험은 있지만 폭발이 매우 어려운 경우. 예를 들어 과염소산 암모늄 70%, 알루미늄 16%, 바인더 14% 등이 해당된다.등급 1.1은 화재위험과 폭발위험 모두 교차연계 폴리머를 기반으로 한 2층 추진체로, HMX 52%, 니트로글리세린 18%, 알루미늄 18%, 과염소산암모늄 4%, 바인더 8%를 함유하고 있다.1.1 추진체는 특정 임펄스(약 270초 대 260초)가 4% 더 높아 일정한 연소 시간을 위해 8% 더 긴 사거리를 제공한다.무감각한 높은 폭발물은 또한 덜 강력하고, 더 크고 무거운 탄두가 필요하며, 이것은 미사일 사거리를 줄이거나 약간의 수율을 희생시킨다.예를 들어 잠수함의 경우 안전/성능 절충이 특히 중요하다.[30]1990년 현재 트라이던트 SLBM은 폭발성 연료와 무감각성 폭발물을 모두 사용했다.[33]

물질적 고려사항

플루토늄을 주조하고 가공하는 것은 독성 때문만이 아니라, 플루토늄은 할당체라고도 알려진 많은 다른 금속 단계를 가지고 있기 때문에 어렵다.플루토늄이 냉각되면서 위상의 변화는 왜곡과 균열을 초래한다.이러한 왜곡은 보통 3–3.5 molar% (중량 기준 0.9–1.0%) 갈륨을 합하여 플루토늄-갈륨 합금을 형성함으로써 극복되며, 이는 광범위한 온도 범위에서 델타 위상을 차지하게 한다.[34]용해된 상태에서 냉각하면 엡실론에서 델타까지 단 한 번의 위상 변화만 겪게 되는데 그렇지 않으면 통과하게 될 네 가지 변화 대신에 말이다.다른 3가 금속도 효과가 있지만 갈륨은 작은 중성자 흡수 단면을 가지고 있어 플루토늄을 부식으로부터 보호하는 데 도움이 된다.단점은 갈륨 화합물 자체가 부식되기 때문에 원자로용 이산화 플루토늄으로 전환하기 위해 해체된 무기로부터 플루토늄을 회수할 경우 갈륨을 제거하기 어렵다는 것이다.

플루토늄은 화학적으로 반응하기 때문에 완성된 피트를 얇은 불활성 금속 층으로 도금하는 것이 일반적이며, 이것은 또한 독성 위험을 감소시킨다.[35]이 기구는 아연도금 은도금을 사용했다; 그 후에 니켈 테트라카보닐 증기로부터 축적된 니켈을 사용했지만,[35] 지금은 금이 선호되고 있다.[citation needed]

첫 번째 구덩이를 생산하기 위해, 부족한 플루토늄을 최적으로 이용하기 위해 열압박을 사용하였다.이후 설계에서는 가공된 구덩이를 사용했지만, 회전은 플루토늄과 플루토늄 오염 오일의 파이로포닉 회전과 절삭유로서 많은 양의 폐기물을 발생시킨다.미래의 목표는 구덩이를 직접 주조하는 것이다.그러나 핵실험이 없을 경우 주조 표면과 가공 표면의 특성이 약간 다를 경우 성능 차이를 예측하기 어려울 수 있다.[36]

부식 문제

우라늄과 플루토늄 모두 부식에 매우 취약하다.문제가 된 W47 UGM-27 폴라리스 탄두 중 다수는 정기적인 유지보수 과정에서 핵분열성 물질의 부식이 발견된 후 교체해야 했다.W58 구덩이 또한 부식 문제를 겪었다.[37]W45 피트는 그것의 기하학적 구조를 바꿀 수 있는 부식을 일으키기 쉽다.[38]그린 그래스 구덩이 역시 부식되기 쉬웠다.사용되는 물질의 방사능은 또한 주변 물질의 방사선 부식을 유발할 수 있다.플루토늄은 습기에 매우 취약하다; 습한 공기는 부식률을 약 200배 증가시킨다.수소는 부식에 강한 촉매작용을 한다. 수소는 부식 속도를 13배까지 가속시킬 수 있다.수소는 수분과 근처의 유기 물질(예: 플라스틱)에서 방사분해를 통해 생성될 수 있다.이러한 요소들은 플루토늄의 저장과 관련된 문제를 야기한다.산화 시 부피가 증가하면 보관용기의 파열이나 구덩이의 변형이 발생할 수 있다.[39]

우발적이든 설계에 의해 충만된 경우든 중수소와 삼중수소로 피트가 오염되면 수산화 부식을 유발할 수 있으며, 이는 피팅 부식 및 파이로포린 플루토늄 수산화 표면 코팅의 성장으로 나타난다.대기 산소에 의한 부식률도 크게 가속화한다.[18]중수소와 삼중수소는 또한 많은 물질에서 수소 부서짐을 유발한다.

부적절한 보관으로 구덩이의 부식을 촉진할 수 있다.구덩이를 보관하기 위해 팬텍스 시설에서 사용되는 AL-R8 용기는 부식을 방해하지 않고 촉진한다고 하며, 스스로 부식하는 경향이 있다.구덩이에 의해 방출되는 붕괴열도 우려된다. 저장소의 일부 구덩이는 150 °C의 높은 온도에 도달할 수 있으며, 더 많은 수의 구덩이를 보관하기 위한 저장 시설은 능동적인 냉각을 필요로 할 수 있다.습도 조절은 피트 저장에도 문제를 일으킬 수 있다.[40]

베릴륨 피복재는 구덩이를 청소하는 데 사용되는 일부 용제에 의해 부식될 수 있다.연구 결과 트리클로로에틸렌(TCE)은 베릴륨 부식을 유발하지만 트리클로로에탄(TCA)은 그렇지 않은 것으로 나타났다.[41]베릴륨 피복재의 피팅 부식은 팬텍스 설비에 피트를 장기간 보관하는 동안 심각한 우려 사항이다.

동위원소 구성 문제

피트 물질에 플루토늄-240이 존재하면 열과 중성자의 생산량이 증가하고, 핵분열 효율이 저하되며, 예측과 피질 위험이 증가한다.따라서 무기급 플루토늄은 플루토늄-240 함량이 7% 미만으로 제한된다.슈퍼그레이드 플루토늄은 240개의 동위원소 중 4% 미만이며, 방사능이 우려되는 시스템에 사용된다. 예를 들어, 선박과 잠수함의 밀폐된 공간을 선원과 공유해야 하는 미 해군 무기에 사용된다.

일반적으로 무기급 플루토늄의 약 0.5%를 구성하는 플루토늄-241은 강력한 감마선 방출체인 아메리슘-241로 분해된다.몇 년 후, 아메리슘은 플루토늄 금속 안에 축적되어 근로자들에게 직업상의 위험을 내포하는 감마선 활동이 증가하게 된다.그러므로 아메리슘은 새로 생산되고 재처리된 플루토늄으로부터 보통 화학적으로 분리되어야 한다.[19]그러나, 1967년경 Rocky Flats 공장은 비용을 절감하고 생산성을 높이기 위해 최대 80%의 오래된 아메리슘 함유 구덩이를 주조 공장에 직접 혼합하여 이러한 분리를 중단했다. 이는 감마선에 대한 노동자의 높은 노출로 이어졌다.[25]

고령화 문제

특히 플루토늄-갈륨 합금의 형태로 금속 플루토늄은 주로 부식, 자가방사라는 두 가지 메커니즘에 의해 분해된다.

매우 건조한 공기에서는 높은 화학 반응성에도 불구하고 플루토늄이 플루토늄(passivation layer of fluetooth)을 형성한다.IV) 연간 약 200나노미터까지 부식 속도를 늦추는 산화물.그러나 습한 공기에서는 이 패시브 층이 교란되고 상온에서는 이 속도(0.04 mm/년)의 200배, 100 °C에서는 10만배(20 mm/년)의 속도로 부식 진행이 된다.플루토늄은 물에서 산소를 제거하고, 해방된 수소를 흡수하며, 플루토늄 하이드라이드를 형성한다.하이드라이드 층은 시간당 최대 20cm까지 자랄 수 있으며, 얇은 쉘의 경우 거의 즉각적으로 형성되는 것으로 간주할 수 있다.물이 있으면 이산화 플루토늄은 PuO까지2.26 초스토리히메트릭이 된다.플루토늄 칩은 자연적으로 발화될 수 있다; 메커니즘은 PuO23 층의 형성을 수반하며, 이는 PuO로2 빠르게 산화되며, 해방된 열은 열 질량이 낮은 작은 입자들을 자동 점화 온도(약 500 °C)로 가져오기에 충분하다.

플루토늄이 알파-데케이를 거치면서 자가방사선이 발생한다.플루토늄-239의 붕괴 원자는 알파 입자와 우라늄-235 핵을 방출한다.알파 입자는 5 MeV 이상의 에너지를 가지고 있으며 금속 격자에서는 약 10 마이크로미터의 범위를 가지고 있다. 그리고 나서 멈추어 근처의 원자로부터 두 개의 전자를 획득하고 헬륨 원자가 된다.오염물질인 플루토늄-241은 아메리슘-241로 분해되고, 알파는 넵투늄-237로 분해된다.

알파 입자는 대부분의 에너지를 전자에 빼앗긴다. 이것은 물질을 가열하는 것으로 나타난다.더 무거운 우라늄 핵은 약 85 keV의 에너지를 가지고 있으며, 그 중 약 3/4는 계단식 원자 변위로서 축적된다; 우라늄 핵 자체는 격자 안에 약 12 나노미터의 범위를 가지고 있다.각각의 붕괴 사건은 약 20,000개의 다른 원자에 영향을 미치며, 그 중 90%는 격자 부위에만 머무르고 열적으로 흥분하며, 나머지는 교체되어 약 2,500 Frenkel 쌍의 형성과 몇 초 동안 지속되는 국소 열 스파이크가 발생하며, 그 동안 새로 형성된 결함은 재결합 또는 이동한다.전형적인 무기급 벌크 물질에서, 각 원자는 평균 10년에 한 번 교체된다.

어닐링이 발생하지 않는 극저온에서 플루토늄의 α 위상은 자가방사 중에 팽창(스웰), Δ 위상은 현저하게 수축되며 β 위상은 약간 수축한다.전기 저항이 증가하여 격자 내 결함의 증가를 나타낸다.3상 모두 충분한 시간이 있으면 평균 밀도가 18.4 g/cm인3 무정형 상태로 수렴한다.그러나 정상 온도에서는 대부분의 손상이 제거된다; 20만 이상의 빈 공간은 이동성이 되고 약 400K의 빈 공간과 빈 공간은 재결합하여 피해를 치유한다.비결정성 온도에서 저장되는 플루토늄은 40년 이상 지난 후에도 중대한 거시적 구조 변화의 징후를 보이지 않는다.

50년 보관 후 대표적인 샘플로 헬륨 2000ppm, 아메리슘 3700ppm, 우라늄 1700ppm, 넵투늄 300ppm이 들어간다.1kg의 물질은 200cm의3 헬륨을 함유하고 있는데, 이는 같은 빈 부피에 3기압과 같다.헬륨은 빈 공간과 비슷하게 격자를 통해 이동하며, 그 안에 갇힐 수 있다.헬륨이 점령된 빈 공간은 합쳐져서 거품이 생기고 부기가 생길 수 있다.그러나 보이드-스웰링은 버블-스웰링보다 더 가능성이 있다.[42]

생산 및 검사

방사선 식별 시스템은 핵무기 검사를 위해 개발된 많은 방법들 중 하나이다.핵무기의 지문을 채취할 수 있도록 해 신분과 지위를 검증할 수 있도록 했다.고해상도 게르마늄 검출기를 탑재한 감마 분광법 등 다양한 물리학 방법이 사용된다.첫 번째 흥분된 산소-17 상태에 해당하는 스펙트럼의 870.7 keV 라인은 플루토늄의 존재를 나타낸다(IV) 검체 내 산화물.플루토늄의 연대는 플루토늄-241과 그 붕괴 제품인 아메리슘-241의 비율을 측정함으로써 성립될 수 있다.[43]그러나 감마 스펙트럼의 수동적 측정조차 국제 무기 검사에서 논란이 될 수 있는데, 이는 비밀로 간주될 수 있는 플루토늄의 동위원소 구성과 같은 사용된 물질의 특성화를 허용하기 때문이다.

1954년과 1989년 사이에 미국 무기들을 위한 구덩이가 로키 플랫스 공장에서 생산되었다. 그 공장은 많은 안전 문제 때문에 나중에 폐쇄되었다.에너지부는 그곳에서 피트 생산을 재개하려고 시도했으나 번번이 실패했다.1993년, DOE는 베릴륨 생산 공장을 기존의 록키 플랫스 공장에서 로스 알라모스 국립 연구소로 이전했고, 1996년에는 핏 생산도 그 곳으로 이전했다.[44]총 12,000개가 넘는, 분해된 핵무기로부터 회수된 구덩이와 함께, 예비비와 잉여 구덩이들은 팬텍스 공장에 저장되어 있다.[18] 그 중 약 15톤의 플루토늄으로 구성된 5,000개가 전략 비축물로 지정되어 있고, 나머지는 회수될 잉여금이다.[45]NNSA가 생산 확대를 추진하고 있지만, 신뢰할 수 있는 대체탄두 프로그램의 경우 현재 LANL의 신규 피트 생산은 연간 약 20피트 정도로 제한되어 있다.그러나 미 의회는 거듭 자금 지원을 거절해 왔다.

2010년경까지 로스앨러모스 국립연구소는 연간 10~20개의 피트를 생산할 수 있는 능력을 가지고 있었다.화학금속연구대체설비(CMMR)가 이 기능을 확대하겠지만 어느 정도인지는 알 수 없다.2008년 이전에 작성된 국방분석연구소 보고서는 "CMRR에서 향후 피트 생산 요건은 연간 125개, 서지 능력은 200개"라고 추정했다.[46]

러시아는 해체된 구덩이에서 나온 자재를 마야크 시설에 보관하고 있다.[47]

핏 재활용

해체된 구덩이에서 플루토늄 회수는 기계적(예: 선반에 의한 외피 제거)과 화학적 두 가지 방법을 모두 사용하여 달성할 수 있다.하이드라이드 방식(hydride method)이 일반적으로 사용되는데, 구덩이를 반으로 자르고, 구덩이의 절반은 깔때기와 도가니 위에 안쪽으로 눕혀 밀봉된 기구에 넣고, 그 공간에는 수소가 상당량 주입된다.수소는 플루토늄 하이드라이드를 생성하는 플루토늄과 반응하는데, 이것은 깔때기와 도가니에 떨어져 수소를 방출하면서 녹인다.플루토늄은 또한 질화수소나 산화물로 변환될 수 있다.사실상 모든 플루토늄은 이런 방식으로 구덩이에서 제거될 수 있다.이 과정은 피트의 구성과 합금 구성의 다양성, 그리고 복합 우라늄-플루토늄 피트의 존재에 의해 복잡해진다.무기급 플루토늄은 무기 재사용을 방해할 정도로 동위원소 구성을 변경하기 위해 다른 물질과 혼합되어야 한다.

참고 항목

참조

  1. ^ National Research Council, ed. (1996). "2 Background". An Evaluation of the Electrometallurgical Approach for Treatment of Excess Weapons Plutonium. Washington DC, USA: The National Academies Press. p. 15. doi:10.17226/9187. ISBN 978-0-309-57330-6.
  2. ^ "1945년부터 현재까지의 제한적 데이터 기밀 해제 결정" – "플루토늄과 우라늄이 불특정 구덩이 또는 무기로 서로 결합될 수 있다는 사실"
  3. ^ "Constructing the Nagasaki Atomic Bomb". Web of Stories. Archived from the original on October 10, 2014. Retrieved October 12, 2014.
  4. ^ Wellerstein, Alex. "Christy's Gadget: Reflections on a death". Restricted data blog. Retrieved October 7, 2014.
  5. ^ "Hans Bethe 94 - Help from the British, and the 'Christy Gadget'". Web of Stories. Retrieved October 12, 2014.
  6. ^ Hoddeson 등 1993, 페이지 307–308.
  7. ^ Taschner, John C. "Nuclear Weapon Accidents" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-03-04. Retrieved 2014-11-09.
  8. ^ '뚱뚱한 남자'를 위한 원자폭탄 실험
  9. ^ 원자력 과학자의 회보 - 크니히 구글
  10. ^ 부서진 화살표 1위(E-Book) - 존 클리어워터 - 크니히 구글
  11. ^ "Nuclear-weapons.info".
  12. ^ "Nuclear-weapons.info".
  13. ^ "Plutonium Manufacture and Fabrication".
  14. ^ John Clearwater (1999). U.S. nuclear weapons in Canada. Dundurn Press Ltd. p. 99. ISBN 1-55002-329-2.
  15. ^ "Nuclear-weapons.info".
  16. ^ nuclear-weapons.info. nuclear-weapons.info.2010-02-08에 검색됨.
  17. ^ a b Len Ackland (1999). Making a real killing: Rocky Flats and the nuclear West. UNM Press. p. 75. ISBN 0-8263-1877-0.
  18. ^ a b c d BREDL 남부 플루토늄 방지 캠페인.Bredl.org (1998-08-22).2010-02-08에 검색됨.
  19. ^ a b 핵 불모지: 아르준 막히자니, 캐서린 이, MIT 출판사, 2000 ISBN 0-262-63204-7, 페이지 58
  20. ^ Joseph Cirincione (2008). Bomb Scare: The History and Future of Nuclear Weapons. Columbia University Press. p. 184. ISBN 978-0-231-13511-5.
  21. ^ "BREDL Southern Anti-Plutonium Campaign". Bredl.org. 1995-08-22. Retrieved 2010-02-21.
  22. ^ Jill C Fahrenholtz (September 1997). Development of an Automated Pit Packaging System for Pantex (PDF) (Report). Sandia National Labs. p. 15. doi:10.2172/534478. S2CID 107183716. SAND 97-2163. Archived from the original (PDF) on 2020-02-15. Retrieved 2021-02-09.
  23. ^ History of the Mk28 (Report). Sandia National Laboratories. August 1968.
  24. ^ 그랜트 엘리엇, "미국 핵무기 안전 및 통제" 웨이백머신 2005에 2010-05-08 보관
  25. ^ a b "진짜 살인 만들기: 로키 플랫스와 핵 웨스트", 렌 애클랜드, 131 페이지 뉴멕시코 대학 출판부, 2002 ISBN 0-8263-2798-2
  26. ^ "완벽한 액션 링크".컬럼비아 대학교.2010년 2월 8일 검색됨
  27. ^ "불에 저항하는 구덩이"암스컨트롤원크(2007년 9월 24일).2010년 2월 8일 검색됨
  28. ^ "U.S. Strategic Nuclear Forces". Bulletin of the Atomic Scientists. 54 (1). January 1998.
  29. ^ Nathan E. Busch (2004). No end in sight: the continuing menace of nuclear proliferation. University Press of Kentucky. p. 51. ISBN 0-8131-2323-2.
  30. ^ a b Sidney D. Drell, Sidney David Drell (2007). Nuclear weapons, scientists, and the post-Cold War challenge: selected papers on arms control. World Scientific. p. 151. ISBN 978-981-256-896-0.
  31. ^ M. V. Ramana (2003). Prisoners of the nuclear dream. Orient Blackswan. p. 19. ISBN 81-250-2477-8.
  32. ^ Physics of societal issues: calculations on national security, environment, and energy. Springer. 2007. p. 177. ISBN 978-0-387-95560-5.
  33. ^ Bruce D. Larkin (1996). Nuclear designs: Great Britain, France, and China in the global governance of nuclear arms. Transaction Publishers. p. 272. ISBN 1-56000-239-5.
  34. ^ "1946년부터 현재까지의 데이터 기밀 해제 결정"
  35. ^ a b 핵분열성 물질 섹션의 핵무기 FAQ, Carey Sublette.2006년 9월 23일 회수.
  36. ^ Michael E. O'Hanlon (2009). The Science of War: Defense Budgeting, Military Technology, Logistics, and Combat Outcomes. Princeton University Press. p. 221. ISBN 978-0-691-13702-5.
  37. ^ 폴라리스에서 트라이던트까지: 그레이엄 스피나디, 케임브리지 국제관계학 30권, 케임브리지 대학 출판부, 1994 ISBN 0-521-41357-5, 페이지 204에 의한 미국 함대 탄도미사일 기술 개발
  38. ^ 제프리 M의 군비통제, 군축, 군사안보사전.엘리엇, 로버트 레지날드, 와일드사이드 프레스, 2007 ISBN 1-4344-9052-1
  39. ^ Leslie G. Mallinson, Springer, 2001 ISBN 0-306-46477-2의 노화 연구 및 재료 수명 연장
  40. ^ 텍사스 방사선 온라인 - 팬텍스 플루토늄 발전소 - 핵무기Texasradiation.org.2010-02-08에 검색됨.
  41. ^ URA 성과 2009-04-14년 웨이백 머신에 보관.Uraweb.org.2010-02-08에 검색됨.
  42. ^ https://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818029.pdf
  43. ^ 부록 8A. 핵탄두 및 물질 투명성 이니셔티브를 지원하는 러시아와 미국의 기술 개발 올레그 부카린이 웨이백 머신에 2009-08-05년 보관
  44. ^ NWNM 미국 플루토늄 핏 제조Nukewatch.org.2010-02-08에 검색됨.
  45. ^ Susan Willett, United Nations Institute for Disarmament Research (2003). Costs of disarmament-disarming the costs: nuclear arms control and nuclear rearmament. United Nations Publications. p. 68. ISBN 92-9045-154-8.
  46. ^ Pein, Corey (August 21, 2010). "It's the Pits: Los Alamos wants to spend billions for new nuke triggers". Santa Fe Reporter. Retrieved 25 September 2010.
  47. ^ National Academy of Sciences (2005). Monitoring nuclear weapons and nuclear-explosive materials. National Academies Press. p. 117. ISBN 0-309-09597-2.