ピット（核兵器）

「デーモン・コア」: 1945 年の致命的な臨界事故で使用された構成を再現したもので、プルトニウムの球体が中性子を反射するタングステン・カーバイドのブロックに囲まれています。
精密プルトニウム鋳造用金型、1959年

核兵器設計において、 ピットは爆縮型核兵器の中核であり、核分裂性物質とそれに結合した中性子反射体またはタンパーで構成される。初期のピットは球形であったが、現代のピットのほとんどは長楕円体である。[1] 1950年代に試験された一部の兵器では、ウラン235のみ、またはプルトニウムとの複合材料で作られたピットが使用されていた。[2]プルトニウムのみで作られたピットは直径が最も小さく、1960年代初頭から標準となっている。ピットは、桃やアプリコットなどの核果に含まれる硬い核にちなんで名付けられている。[3]

Nuclear weapons
Photograph of a mock-up of the Little Boy nuclear weapon dropped on Hiroshima, Japan, in August 1945.
Background
Nuclear-armed states
NPT recognized
United States
Russia
United Kingdom
France
China
Others
India
Israel (undeclared)
Pakistan
North Korea
Former
South Africa
Belarus
Kazakhstan
Ukraine

デザイン

最初の核兵器のピットは固体で、中央にウニ型中性子起爆装置が備え付けられていた。ガジェットとファットマンは、直径9.2cm (3.6インチ) の半球体で、熱間プレスされた プルトニウム-ガリウム合金固体6.2kg (400 °C、200 MPa、鋼鉄製の型で – 750 °F、29,000 psi) のピットを使用し、内部に起爆装置用2.5cm (1インチ) の空洞を備えていた。ガジェットのピットは、プルトニウムが空気中で腐食しやすいため、0.13mm の銀で電気メッキされた。しかし、この層に気泡が発生したため、研磨しなければならなかった。この隙間はテスト前に金箔で補修された。ファットマンのピットと後継モデルのピットはすべてニッケルメッキされた。[4]中空ピットはより効率的であることが検討され、知られていましたが、爆縮精度に対する要求が高かったため最終的には却下されました。[引用が必要]

後期の設計では、同様の設計のTOM起爆装置が使用されましたが、直径は約1cm（3 ⁄ 8 インチ）でした。内部中性子起爆装置は後に段階的に廃止され、パルス中性子源やブースト核分裂兵器に置き換えられました。[要出典]

固体コアは、エドワード・テラーによって最初に提案された固体ピット設計を実現したロバート・クリスティにちなんで、「クリスティ」設計として知られていました。[5] [6] [7]ピットと共に、物理学パッケージ全体も非公式に「クリスティのガジェット」というニックネームで呼ばれていました。[8]

浮遊ピット

タンパーとピットの間に空間を設けることで、衝撃波がピットに衝突する前に急加速し、爆縮の効率を高めることができる。この方法は浮上ピット爆縮として知られている。浮上ピットは1948年にファットマン型爆弾（マークIV ）で試験された。初期の浮上ピット搭載兵器には、オープンピットと呼ばれる取り外し可能なピットが備えられていた。これはバードケージと呼ばれる特殊なカプセルに別個に収納されていた。[9]

空洞ピット

中空ピットの爆縮中、プルトニウム層は内側に加速し、中央で衝突して超臨界状態の高密度球体を形成する。この追加された運動量により、プルトニウム自体がタンパーの役割を担うため、タンパー層に必要なウランの量が少なくなり、弾頭の重量とサイズが低減する。中空ピットは固体ピットよりも効率が高いが、より正確な爆縮が必要となる。そのため、初期の兵器設計では固体の「クリスティ」ピットが採用された。1945年8月の終戦後、研究所は再び中空ピットの問題に焦点を合わせ、その年の残りの期間はクリスティのグループリーダーであり理論部門の後継者であるハンス・ベーテが率いた。プルトニウムのコストとハンフォード原子炉の立ち上げの困難さから、中空複合コアが最も関心を集めた[10]。

中空ピットの効率は、爆縮直前に重水素と三重水素を50%/50%の割合で混合した混合物を空洞内に注入することでさらに高めることができる。これはいわゆる「核融合ブースティング」と呼ばれ、爆発を成功させるために必要なプルトニウムの最小量も低減する。重水素・三重水素混合ガスの注入量と外部発生器からの中性子パルスのタイミングと強度の両方によって、起爆をより高度に制御できるようになったことで、可変出力兵器の設計が容易になった。[要出典]

複合コアとウランピット

核兵器開発の初期には、プルトニウム239の供給が乏しかった。ピットに必要なプルトニウム239の量を減らすため、プルトニウムの中空殻を、当時より豊富に存在していた高濃縮ウランの外殻で囲む複合炉心が開発された。この複合炉心は1947年末までにマーク3核爆弾に利用可能になった。 [11]例えば、米国のマーク4爆弾の複合炉心である49-LCC-C炉心は、2.5kgのプルトニウムと5kgのウランで作られていた。爆発によって放出されるエネルギーはプルトニウムの35%とウランの25%に過ぎないため、効率は高くないが、プルトニウムの軽量化は顕著である。[12]

ピット材料の選定において考慮すべきもう一つの要素は、プルトニウムとウランの挙動の違いである。[13]プルトニウムは核分裂速度が速く、より多くの中性子を生成するが、当時は生産コストが高く、利用可能な原子炉の限界により供給が不足していた。一方、ウランは核分裂速度が遅いため、より超臨界状態にまで加熱することで核兵器の出力を高めることができる。複合炉心は1945年7月には既に検討され、1946年には実用化が実現した。当時ロスアラモスの優先事項は、全ウランピットの設計であった。この新しいピット設計は、サンドストーン作戦で試験された。

プルトニウムのみの炉心は、高い背景中性子率のため、プレデトネーションの確率が高く、収量が低下した。[14]この確率を最小限に抑えるには、プルトニウムの量を減らす必要があり、達成可能な収量は約10 ktに制限される。あるいは、プルトニウム240の汚染レベルが非現実的なほど低い、高純度のプルトニウム239を使用する必要があった。複合炉心の利点は、プレデトネーションのリスクを低く抑えながら高い収量を維持し、利用可能な核分裂性物質の両方を利用できる可能性であった。収量制限は、1950年代半ばの核融合ブーストの登場、そしてその後の核融合兵器の使用によって無意味になった。[15]

兵器の威力はピットの選択によっても制御できる。例えば、マーク4核爆弾には3つの異なるピットを備えることができた。49-LTC-C（浮遊ウラン235、1948年5月14日のゼブラ実験で実験）、49-LCC-C（浮遊ウラン・プルトニウム複合材）、および50-LCC-C（浮遊複合材）である。[16]この方法は、取り外し不可能なピットを備えたより近代的な兵器の威力を現場で選択するには適していないが、異なる戦術的用途向けに異なる威力を持つ複数の兵器サブタイプを製造することを可能にしている。初期の米国の設計は、標準化されたタイプCおよびタイプDのピットアセンブリに基づいていた。マーク4爆弾は、飛行中に手動で挿入できるタイプCおよびタイプDのピットを使用していた。マーク5爆弾は、飛行中に自動的に挿入されるタイプDのピットを使用し、W-5弾頭でも同じものを使用した。後継のマーク6爆弾は、1つを除くすべてのピットに適合した。[17]

ピットはプルトニウム239、プルトニウム239とウラン235の複合材料、またはウラン235のみで構成できる。プルトニウムが最も一般的な選択肢だが、例えばバイオレット・クラブ爆弾[18]やオレンジ・ヘラルド弾頭では、87kgと117kg（他の資料によると98kgと125kg）の高濃縮ウランからなる巨大な中空ピットが使用されていた。グリーン・グラス核分裂コアは、内径560mm、壁厚3.6mm、質量70～86kgの高濃縮ウランの球体で構成され、ピットは周囲の天然ウランタンパーで完全に支えられていた。このような臨界質量以上の核分裂性物質からなる巨大なピットは、安全上の重大なリスクをはらんでいる。なぜなら、爆縮殻の非対称な爆発でさえもキロトン級の爆発を引き起こす可能性があるからである。[19]最大の威力を持つ純粋な核分裂兵器である500キロトンのマーク18核爆弾は、臨界質量の約4倍の60キログラム以上の高濃縮ウランで構成された中空のピットを使用していました。安全策として、ピットにアルミニウムとホウ素の鎖を挿入しました。

TX-7E Mark 7核爆弾のプルトニウム-U235コアをベースとしたプルトニウムとウラン233の複合ピットは、1955年のティーポット作戦中にMETテストで試験された。出力は予想の33キロトンではなく、22キロトンだった。[要出典]

封印されたピット

密閉ピットとは、核兵器内部のピットの周囲に開口部のない固体金属バリアが形成されていることを意味する。これにより、核物質が環境による劣化から保護され、偶発的な火災や小規模爆発の際に核物質が放出される可能性が低減する。密閉ピットを採用した最初の米国の兵器は、W25弾頭であった。金属はステンレス鋼であることが多いが、ベリリウム、アルミニウム、場合によってはバナジウムも使用されている。ベリリウムは脆く、有毒で、高価であるが、中性子反射体としての役割があり、ピットに必要な臨界質量を下げるため、魅力的な選択肢である。プルトニウムとベリリウムの間にはおそらく界面金属層があり、プルトニウム（およびアメリシウムおよびその他の汚染物質）の崩壊によって生じるアルファ粒子を捕捉し、そうでなければベリリウムと反応して中性子を生成する。ベリリウムタンパー/反射体は1950年代半ばに使用されるようになった。部品はロッキーフラッツ工場で圧縮粉末ベリリウムブランクから機械加工された。[20]

より新しいプルトニウムピットは中空である。いくつかの新しいピットに適用されるよく引用される仕様では、適切な構造金属でできた中空の球体で、ボウリングのボールとほぼ同じ大きさと重さがあり、トリチウムを注入するチャネルがあり（ブースト核分裂兵器の場合）、内面はプルトニウムで覆われているとされている。兵器の特性に影響を及ぼす主な要因は、ピットの大きさ（通常はボウリングのボールとテニスボールの中間）、真球度の精度、重量、核分裂性物質の同位体組成であり、多くの場合分類されている。中空ピットは、赤道の周りに3つの接合部溶接部を持つ半殻と、ブーストガスを注入するためのチューブ（ベリリウムまたはアルミニウムシェルにろう付け、または電子ビームまたはTIG溶接（ステンレス鋼シェルに））で作られる。[21]ベリリウム被覆ピットは破損しやすく、温度変動に敏感で、清掃が必要になる可能性が高く、塩化物や湿気による腐食の影響を受けやすく、作業員が有毒なベリリウムにさらされる可能性がある。

新しいピットには約3キログラムのプルトニウムが含まれています。古いピットでは約4～5キログラムが使用されていました。[22]

線形爆縮ピット

さらなる小型化は、線形爆縮によって達成された。2つの対向する衝撃波によって超臨界球形に成形された細長い亜臨界固体ピット、そして後にはより精密な形状の衝撃波によって中空ピットへと変形されたことで、比較的小型の核弾頭の製造が可能になった。しかしながら、この構成は、球形爆縮装置では非対称爆縮によって核爆発を誘発することなく兵​​器を破壊するのに対し、爆発が偶発的に高出力の爆発を引き起こす可能性があると考えられていた。そのため、特別な設計上の予防措置と、ワンポイントセーフティを含む一連の安全試験が必要となった。

武器間のピット共有

ピットは複数の兵器設計間で共有可能です。例えば、W89弾頭はW68のピットを再利用していると言われています。多くのピット設計は標準化されており、異なる物理パッケージ間で共有されています。同じ物理パッケージが複数の弾頭で使用されていることも珍しくありません。ピットもまた再利用可能です。解体された兵器から取り出された密封ピットは、直接再利用するために備蓄されるのが一般的です。プルトニウム・ガリウム合金の劣化速度が低いため、ピットの保管期間は1世紀以上と推定されています。米国兵器庫に保管されている最も古いピットでも、設置から50年未満です。[要出典]

密閉ピットは、結合型と非結合型に分類されます。非結合型ピットは機械的に分解可能であり、旋盤でプルトニウムを分離できます。結合型ピットのリサイクルには化学処理が必要です。[21]

現代の兵器のピットの半径は約5センチメートル（2.0インチ）と言われている。[23] [異論あり–議論中]

武器とピットの種類

米軍兵器ピット[24] [25] [26] [27]
デザインラボ武器ピットタイプ状態コメント
LANLB61 -3,10123永続的な備蓄
LANLB61 -7,11125永続的な備蓄
LANLB61 -4118永続的な備蓄
LANLW76116永続的な備蓄最も熱に敏感なLANL設計
LANLW78117永続的な備蓄
LANLW80124永続的な備蓄責任はLLNLに移管される
LANLW80119永続的な備蓄
LANLW80-0永続的な備蓄海軍用の、放射線の少ないスーパーグレードプルトニウム。
LANLW88126永続的な備蓄
LLNLB83MC3350永続的な備蓄最も重いピット、耐火ピット
LLNLW62MC2406永続的な備蓄
LLNLW84?永続的な備蓄耐火ピット
LLNLW87MC3737永続的な備蓄耐火ピット
LANLB2883引退
LANLB28-093引退崩壊熱が最小。W28-0では内部起爆方式が採用されていたが、後期のB28改造では外部起爆方式が採用されており、これがピットの違いを説明していると考えられる。[28]
LANLB4379引退ベリリウム被覆
LANLB43-1101引退ベリリウム被覆
LANLW4474引退ベリリウム被覆
LANLW44 -1100引退ベリリウム被覆
LANLW50-1103引退
LANLB5376引退全ウランピット[29]
LANLW5481引退長期保管前に清掃が必要
LANLW54-196引退長期保管前に清掃が必要
LANLB57104引退
LANLW5990引退
LANLB61-0110引退
LANLB61 -2,5114引退
LANLW66112引退
LANLW69111引退
LANLW85128引退
LLNLW38MC1377引退
LLNLW45MC1807引退
LLNLW47MC1218引退
LLNLW48MC1397引退ベリリウム被覆のため、長期保管前に洗浄が必要です
LLNLW55MC1324引退ベリリウム被覆の疑い
LLNLW56MC1801引退放射線量が高いため、長期保管前に洗浄が必要
LLNLW58MC1493引退
LLNLW62MC1978引退
LLNLW63MC2056引退
LLNLW68MC1978引退
LLNLW70 -0MC2381引退
LLNLW70 -1MC2381a引退
LLNLW70 -2MC2381b引退
LLNLW70 -3MC2381c引退
LLNLW71未知引退長期保管前に清掃が必要
LLNLW79MC2574引退ベリリウム被覆の疑い

安全上の考慮事項

鋼球安全化
ワンポイント安全性テスト

初期の兵器には取り外し可能なピットが備えられており、使用直前に爆弾に装着されていました。小型化が進むにつれ設計変更が進み、ピットは工場での装置組み立て時に挿入できるようになりました。そのため、高性能爆薬の偶発的な爆発が本格的な核爆発を引き起こさないことを確認するための安全性試験が必要となり、プロジェクト56はそうした一連の試験の一つでした。

偶発的な高出力爆発は常に懸念事項であった。浮上ピットの設計により、飛行中に爆弾にピットを挿入することが可能となり、核分裂性核を周囲の爆薬から分離することが可能となった。そのため、爆弾の偶発的な喪失や爆発の多くは、爆弾のタンパーからウランが飛散するだけだった。しかし、後にピットとタンパーの間に空間がない中空ピットの設計が採用され、このことは不可能になった。[要出典]

初期の核兵器のピットには、アクセス可能な内部空洞がありました。安全のため、物体はピットに挿入され、必要な場合にのみ取り出されました。イギリスのグリーングラスなど、より大型のピットの中には、内部空洞がゴムで覆われ、金属球が詰められていました。この設計は即興的で、最適とは程遠いものでした。例えば、金属球が入ったピットを飛行機内で振動させると、損傷につながる可能性がありました。代わりに、中性子吸収材（原子炉制御棒に使用されるものと同じ、例えばカドミウム）で作られた細い金属チェーンを使用することができます。W47弾頭は、製造時にピットにカドミウム・ボロン合金のワイヤーが詰められていました。兵器を作動させると、ワイヤーは小型モーターによってスプールに引き出され、再挿入することはできませんでした。しかし、ワイヤーは取り外しの際に脆くなって折れてしまう傾向があり、完全に取り外すことが不可能になり、弾頭は不発弾となりました。[30]

中実ピットから中空ピットへの変更は作業安全上の問題を引き起こした。表面積対質量比の増加によりガンマ線放出量が比較的増加し、ロッキーフラッツ生産施設に強力な放射線遮蔽装置を設置する必要が生じた。圧延と機械加工の必要量の増加は、加工後の部品の脱脂に使用される加工油とテトラクロロメタンの消費量の増加につながり、大量の汚染廃棄物が発生した。また、自然発火性のプルトニウム削りくずは自然発火の危険性もあった。[31]

密閉ピットには、異なる安全対策が必要です。パーミッシブ・アクション・リンク[32]やストロングリンク・ウィークリンクシステムなど、様々な技術が用いられます。これらは事故や不適切な作動シーケンスが発生した場合に機能不全に陥るように設計されており、機械式インターロックや、火災や衝撃などが発生した場合に誤作動するように設計された重要部品なども含まれます。

ベリリウム被覆は技術的には有利であるものの、兵器工場の従業員にとってリスクをもたらす。タンパーシェルの加工によりベリリウムと酸化ベリリウムの粉塵が発生し、これを吸入するとベリリウム症を引き起こす可能性がある。1996年までに、米国エネルギー省は原子力産業の従業員の間で50件以上の慢性ベリリウム症の症例を特定しており、ロッキーフラッツ原子力発電所では34件の症例が確認され、数人が死亡した。[20]

1966年のパロマレスB-52墜落事故と1968年のチューレ空軍基地B-52墜落事故の後、偶発的なプルトニウムの拡散に対する兵器の安全性が米軍の懸念事項となった。[要出典]

耐火ピット（FRP）は現代の核兵器の安全機能であり、火災の際にプルトニウムの拡散を減らす。現在のピットは、溶融プルトニウムを最高1000℃（燃焼している航空機燃料とほぼ同じ温度）で数時間閉じ込めるよう設計されている。[33]耐火ピットは爆発で周囲に飛び散った場合には役に立たない。そのため、耐火ピットは、衝撃や火災による偶発的な爆発に耐える低感度高性能爆薬や、ミサイルに使用される不起爆性推進薬と組み合わせて使用​​される。耐火ピットの設計のためにバナジウム被覆がテストされたが、現在使用されているか、あるいは実験段階であるかは不明である。W87弾頭は、FRPを採用したアセンブリの例である。[34]しかし、FRPはピット被覆が機械的に損傷した場合には保護を提供できず、航空機燃料よりも燃焼温度が高い（約2000℃）ミサイル燃料の火災にさらされると破損する可能性がある。[35] [36]厳しい重量とサイズの制約により、FRPと低感度爆薬の両方を使用できない可能性がある。[37] SLBMは、サイズを考慮し、よりエネルギーが高く脆弱な燃料を使用するため、 ICBMよりも安全性が低くなる傾向がある。[38]

ピット付近にある他の高エネルギー物質もピットの安全性に影響を与える。米国のミサイル推進剤は、一般的に 2 つのクラスに分けられる。クラス 1.3 は、火災の危険性があるが、爆発は非常に困難または不可能である。例として、過塩素酸アンモニウム70%、アルミニウム16% 、結合剤 14% が挙げられる。クラス 1.1 は、火災と爆発の両方の危険性があり、架橋ポリマーをベースとしたダブルベース推進剤であり、HMX 52% 、ニトログリセリン18%、アルミニウム 18%、過塩素酸アンモニウム 4%、結合剤 8% を含む。クラス 1.1 推進剤は比推力が 4% 高く (約 270 秒対 260 秒)、一定燃焼時間で射程が 8% 長くなる。鈍感な高性能爆薬は威力も低いため、より大きく重い弾頭が必要になり、ミサイルの射程が短くなる、または威力がいくらか犠牲になる。安全性と性能のトレードオフは、例えば潜水艦にとって特に重要です。[36] 1990年時点で、トライデントSLBMは爆発性燃料と非不感応性爆薬の両方を使用していました。[39]

材料に関する考慮事項

プルトニウムの鋳造と機械加工は、その毒性だけでなく、プルトニウムが多くの異なる金属相（同素体とも呼ばれる）を持っているために難しい。プルトニウムが冷えると、相変化により歪みや割れが生じる。この歪みは通常、3～3.5モル％（重量で0.9～1.0％）のガリウムと合金にしてプルトニウムガリウム合金にすることで克服され、これによりプルトニウムは広い温度範囲でデルタ相をとるようになる。[40] 溶融状態から冷却すると、通常は4回の相変化を経るが、イプシロンからデルタへの1回の相変化のみが起こる。他の3価金属でも機能するが、ガリウムは中性子吸収断面積が小さいため、プルトニウムを腐食から保護するのに役立つ。欠点は、ガリウム化合物自体が腐食性であるため、解体された兵器からプルトニウムを回収し、発電用原子炉用の二酸化プルトニウムに変換する場合、ガリウムを除去するのが難しいことです。

プルトニウムは化学的に反応性が高いため、完成したピットは不活性金属の薄い層でメッキするのが一般的であり、これにより毒性の危険性も軽減されます。[41] ガジェットでは銀メッキが使用されていましたが、その後、ニッケルテトラカルボニル蒸気から析出したニッケルが使用されるようになりましたが、[41]現在では金が好まれています。[要出典]

最初のピットの製造には、希少なプルトニウムを最適に利用するためにホットプレス法が用いられました。その後の設計では機械加工されたピットが使用されましたが、旋削加工ではプルトニウムの自然 発火性切削屑やプルトニウムに汚染された油や切削液など、大量の廃棄物が発生します。将来の目標は、ピットの直接鋳造です。しかしながら、核実験が行われない場合、鋳造面と機械加工面のわずかな性質の違いにより、性能の違いを予測することが困難になる可能性があります。[42]

腐食の問題

ウランとプルトニウムはどちらも腐食に非常に弱い。問題を抱えていたW47 UGM-27ポラリス核弾頭の多くは、定期メンテナンス中に核分裂性物質の腐食が発見され、交換を余儀なくされた。W58ピットも腐食の問題を抱えていた。[43] W45ピットは腐食しやすく、その形状が変化する可能性があった。[ 44]グリーングラスピットも腐食しやすい。使用されている材料の放射能は、周囲の材料に放射線腐食を引き起こす可能性がある。プルトニウムは湿度に非常に敏感で、湿った空気は腐食速度を約200倍に増加させる。水素は腐食に対して強い触媒作用を持ち、その存在は腐食速度を13桁も加速させる可能性がある。水素は、水分や近くの有機物（例：プラスチック）から放射線分解によって生成される。これらの要因は、貯蔵されているプルトニウムに問題を引き起こす。酸化による体積増加は、貯蔵容器の破裂やピットの変形を引き起こす可能性がある。[45]

ピットへの重水素および三重水素の汚染は、偶発的なものであれ、意図的に充填されたものであれ、水素化物腐食を引き起こす可能性があります。これは孔食腐食として現れ、自然発火性のプルトニウム 水素化物の表面コーティングの成長を引き起こします。また、大気中の酸素による腐食速度を大幅に加速させます。[21]重水素と三重水素は、多くの材料において水素脆化を引き起こします。

不適切な保管はピットの腐食を促進する可能性があります。パンテックス施設でピットの保管に使用されているAL-R8コンテナは、腐食を抑制するどころか促進すると言われており、それ自体が腐食する傾向があります。ピットから発生する崩壊熱も懸念事項です。保管中のピットは150℃に達することもあり、多数のピットを保管する施設では積極的な冷却が必要になる場合があります。湿度管理もピットの保管において問題となる可能性があります。[46]

ベリリウム被覆管は、ピットの洗浄に使用される溶剤によって腐食する可能性があります。研究によると、トリクロロエチレン（TCE）はベリリウムの腐食を引き起こしますが、トリクロロエタン（TCA）は引き起こさないことが示されています。[47] パンテックス施設におけるピットの長期保管中、ベリリウム被覆管の孔食は重大な懸念事項です。

同位体組成の問題

ピット材にプルトニウム240が存在すると、熱と中性子の発生が増加し、核分裂効率が低下し、早期爆轟やフィズル（核分裂失敗）のリスクが高まります。そのため、兵器級プルトニウムではプルトニウム240の含有量が7%未満に制限されています。スーパーグレードプルトニウムはプルトニウム240同位体の含有量が4%未満であり、放射能が懸念されるシステム、例えば艦船や潜水艦の限られた空間で乗組員と共用する必要がある米海軍の兵器に使用されます。

プルトニウム241は、通常兵器級プルトニウムの約0.5%を占め、強力なガンマ線放出物質であるアメリシウム241に崩壊する。数年後、アメリシウムはプルトニウム金属中に蓄積し、ガンマ線放射能の増加につながり、作業員に職業上の危険をもたらす。そのため、アメリシウムは、通常は化学的に、新たに製造されたプルトニウムや再処理されたプルトニウムから分離する必要がある。[22]しかし、1967年頃、ロッキーフラッツ工場はこの分離を中止し、コスト削減と生産性向上のため、古いアメリシウム含有ピットの最大80%を鋳造工場に直接混合するようになった。これにより、作業員のガンマ線被曝量が増加した。[31]

高齢化問題

金属プルトニウム、特にプルトニウムガリウム合金の形態をとるプルトニウムは、主に腐食と自己照射という 2 つのメカニズムによって劣化します。

非常に乾燥した空気中では、プルトニウムは化学反応性が高いにもかかわらず、酸化プルトニウム(IV)の不動態層を形成し、腐食を年間約 200 ナノメートルまで遅くします。しかし、湿った空気中ではこの不動態層が破壊され、腐食は室温でこの 200 倍の速度 (0.04 mm/年) で進行し、100 °C では 100,000 倍の速度 (20 mm/年) で進行します。プルトニウムは水から酸素を奪い、遊離水素を吸収して水素化プルトニウムを形成します。水素化物層は最大 20 cm/時の速度で成長することができ、より薄い殻の場合、その形成はほぼ瞬時であると考えられます。水の存在下では、二酸化プルトニウムは PuO 2.26まで過化学量論的になります。プルトニウムの破片は自然発火する恐れがあります。このメカニズムでは、Pu 2 O 3層が形成され、その後急速に PuO 2に酸化され、放出された熱は熱質量の低い小さな粒子を自己発火温度（約 500 °C）まで加熱するのに十分です。

自己放射線はプルトニウムがアルファ崩壊を起こす際に発生します。プルトニウム239の崩壊原子はアルファ粒子とウラン235の原子核を放出します。アルファ粒子は5MeV以上のエネルギーを持ち、金属格子内での飛程は約10マイクロメートルです。その後、アルファ粒子は停止し、近くの原子から電子を2つ受け取り、ヘリウム原子になります。汚染物質であるプルトニウム241は ベータ崩壊してアメリシウム241となり、さらにアルファ崩壊してネプツニウム237となります。

アルファ粒子はエネルギーの大部分を電子に奪われ、物質の加熱という形で現れます。より重いウラン原子核は約85keVのエネルギーを持ち、その約4分の3が原子変位のカスケードとして蓄積されます。ウラン原子核自体の格子内での変位範囲は約12ナノメートルです。このような崩壊イベントはそれぞれ約2万個の他の原子に影響を与え、そのうち90%は格子位置に留まり熱励起のみを受け、残りは変位します。その結果、約2500個のフレンケル対が形成され、数ピコ秒持続する局所的な熱スパイクが発生します。この間、新たに形成された欠陥は再結合または移動します。典型的な兵器級バルク材料では、各原子は平均して10年に1回変位します。

極低温ではアニーリングがほとんど起こらないため、プルトニウムのα相は自己照射により膨張（膨張）し、δ相は著しく収縮し、β相はわずかに収縮します。電気抵抗が増加し、格子欠陥が増加していることを示しています。十分な時間が経過すると、これら3つの相はすべて、平均密度が18.4 g/cm 3のアモルファス状態に収束します。しかし、常温では、損傷の大部分はアニーリングにより消失します。200Kを超えると空孔が可動性を示し、400K付近では格子間原子と空孔のクラスターが再結合し、損傷が修復されます。極低温以外の温度で保管されたプルトニウムは、40年以上経っても大きなマクロ的な構造変化の兆候を示しません。

50年間保管された典型的なサンプルには、ヘリウム2000ppm、アメリシウム3700ppm、ウラン1700ppm、ネプツニウム300ppmが含まれています。1キログラムの物質には200cm³のヘリウムが含まれており、これは同じ空洞体積で3気圧に相当します。ヘリウムは空孔と同様に格子中を移動し、空孔に捕捉される可能性があります。ヘリウムが占有する空孔は合体して気泡を形成し、膨張を引き起こす可能性があります。しかしながら、気泡膨張よりも空孔膨張の方が起こりやすいと考えられます。[48]

生産と検査

放射線識別システムは、核兵器査察のために開発された数多くの方法の1つである。これにより、核兵器の指紋を採取し、その正体と状態を確認することができる。高解像度ゲルマニウム検出器を用いたガンマ分光法など、さまざまな物理的手法が用いられる。スペクトル中の870.7 keVの線は酸素17の第一励起状態に対応し、サンプル中にプルトニウム(IV)酸化物が存在することを示している。プルトニウムの年代は、プルトニウム241とその崩壊生成物であるアメリシウム241の比率を測定することで判定できる。[49]しかし、ガンマスペクトルの受動測定であっても、国際的な兵器査察において議論の的となる可能性がある。なぜなら、この測定によって、例えば秘密とみなされる可能性のあるプルトニウムの同位体組成など、使用されている物質の特性を明らかにすることができるからである。

1954年から1989年まで、ロッキーフラッツ工場で米国の兵器用のピットが製造されていたが、その後、同工場は多くの安全上の問題により閉鎖された。エネルギー省は同工場でのピット生産の再開を試みたが、何度も失敗した。1993年、エネルギー省はベリリウム生産業務を閉鎖されたロッキーフラッツ工場からロスアラモス国立研究所に移転し、1996年にはピット生産も同研究所に移転した。[50]予備ピットと余剰ピット、そして解体された核兵器から回収されたピットの総数は12,000個を超え、パンテックス工場に保管されている。[21]このうち約15トンのプルトニウムを含む5,000個は戦略備蓄に指定されており、残りは撤去される余剰である。[51]現在、LANLによる新規ピットの生産量は年間約20基に制限されているが、NNSAは信頼性のある代替弾頭プログラムのために生産量の増加を推進している。しかし、米国議会は繰り返し資金提供を拒否している。

2010年頃まで、ロスアラモス国立研究所は年間10～20基のピットを生産する能力を持っていました。化学・冶金研究代替施設（CMRR）はこの能力を拡大する予定ですが、どの程度拡大するかは不明です。 2008年以前に作成された防衛分析研究所の報告書では、「CMRRにおける将来のピット生産必要量は年間125基、サージ能力は200基」と推定されていました。[52]

ロシアは廃止された坑道からの物質をマヤック施設に保管している。[53]

リサイクル

廃止されたピットからのプルトニウムの回収は、機械的方法（旋盤による被覆管の除去など）と化学的方法の両方を含む、様々な方法で行うことができる。一般的に用いられるのは水素化物法である。ピットを半分に切断し、その半分を密閉装置内の漏斗とるつぼの上に裏返しにして置き、一定量の水素をその空間に注入する。水素はプルトニウムと反応して水素化プルトニウムを生成し、漏斗とるつぼに落下して、水素を放出しながら溶融する。プルトニウムは窒化物や酸化物に変換することもできる。実質的にすべてのプルトニウムをこの方法でピットから除去することができる。このプロセスは、ピットの構造や合金組成が多種多様であること、およびウランとプルトニウムの複合ピットが存在することで複雑になっている。兵器級プルトニウムは、兵器への再利用を妨げるほどに同位体組成を変化させるために、他の物質と混合する必要がある。

参照

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