Sekcja 6.0 Materiały jądrowe

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.18: 20 lutego 1999

Ten artykuł jest dziełem pochodnym (tłumaczeniem na język polski wzbogaconym o szereg dodatkowych materiałów z polskich uczelni technicznych) znakomitego Nuclear Weapons FAQ autorstwa Carey Sublette. Oto pełne zastrzeżenie licencyjne oryginalnej wersji angielskiej:

COPYRIGHT CAREY SUBLETTE

This material may be excerpted, quoted, or distributed freely provided that attribution to the author (Carey Sublette) and document name (Nuclear Weapons Frequently Asked Questions or NWFAQ) is clearly preserved. I would prefer that the user also include the URL of the source.

Only authorized host sites may make this document publicly available on the Internet through the World Wide Web, anonymous FTP, or other means.

Unauthorized host sites are expressly forbidden. This restriction is placed to allow me to maintain version control.

The only authorized host site for the NWFAQ in English is the Nuclear Weapons Archive:
http://nuclearweaponsarchive.org

6.0 Materiały jądrowe

Ta sekcja opisuje podstawowe fakty i właściwości materiałów szczególnie istotnych dla zastosowań związanych z uwalnianiem energii jądrowej na dużą skalę.

  • 6.1 Produkcja izotopów
  • 6.2 Materiały rozszczepialne
  • 6.3 Materiały fuzyjne
  • 6.4 Inne materiały

6.1 Produkcja izotopów

Najbardziej krytyczne materiały potrzebne do konstrukcji broni jądrowej to specjalne izotopy wybranych pierwiastków. Część z nich występuje w naturze, ale w bardzo małych stężeniach względem innych izotopów tego samego pierwiastka, jak deuter, Li-6 czy U-235, więc trzeba je wzbogacać. Inne naturalnie praktycznie nie występują w użytecznych ilościach i muszą być wytwarzane w reakcjach jądrowych, jak tryt czy Pu-239.

6.1.1 Wzbogacanie izotopowe

Izotopy tego samego pierwiastka mają prawie identyczne własności chemiczne, dlatego ich rozdział musi opierać się na subtelnych efektach wynikających z różnicy mas atomowych. Część metod ma charakter fizyczny, a część chemiczny. Ponieważ pojedynczy etap zwykle daje niewielkie wzbogacenie, proces trzeba powtarzać wielokrotnie w szeregu kolejnych stopni, czyli w kaskadzie.

Na wydajność kaskady wpływają przede wszystkim:

  • współczynnik separacji pojedynczego stopnia,
  • dopuszczalna strata pożądanego izotopu w strumieniu odpadowym.

Materiał zasilający nie trafia zwykle na sam początek kaskady. Wcześniejsze stopnie, czyli „ogon” kaskady, odzyskują pożądany izotop ze strumienia odpadów, a późniejsze stopnie, czyli „głowa”, zwiększają koncentrację aż do uzyskania produktu końcowego.

W praktyce stosowano lub rozwijano między innymi następujące metody:

  • separację elektromagnetyczną,
  • dyfuzję gazową,
  • termodyfuzję cieczową,
  • wirówki gazowe,
  • separację aerodynamiczną,
  • AVLIS,
  • wymianę chemiczną,
  • destylację,
  • elektrolizę.

Procesy zależne od stosunku mas izotopów działają najlepiej dla lekkich pierwiastków. Procesy zależne od bezwzględnej różnicy mas, jak separacja elektromagnetyczna, wirówki czy AVLIS, dobrze sprawdzają się także dla ciężkich pierwiastków, dlatego są ważne dla uranu.

Koszt procesu wzbogacania zależy głównie od:

  • kosztu instalacji,
  • zużycia energii,
  • liczby potrzebnych stopni,
  • czasu dojścia kaskady do stanu równowagi.

Niektóre kaskady potrzebują nawet roku, aby osiągnąć pełną stabilność pracy.

6.1.1.1 Separacja elektromagnetyczna

Metoda wykorzystuje pola magnetyczne do rozdzielania strumienia zjonizowanych atomów w urządzeniu typu kalutron. Jest to zasadniczo masowy spektrometr o skali przemysłowej. Izotopy o różnych masach mają różne promienie krzywizny toru w polu magnetycznym, co umożliwia ich rozdział. Technika jest bardzo uniwersalna i daje bardzo duży współczynnik separacji, ale jest nieefektywna, energochłonna i droga w utrzymaniu. Najlepiej nadaje się do produkcji małych ilości bardzo czystych izotopów.

6.1.1.2 Dyfuzja gazowa

Technika praktyczna dla izotopów, które można przekształcić w gaz i które mają zauważalną różnicę mas cząsteczkowych. Lżejsze cząsteczki dyfundują przez porowatą barierę nieco szybciej. Kluczowym elementem jest materiał bariery: musi mieć równomierne pory, nie może przepuszczać nieszczelnościami i musi wytrzymywać chemicznie agresywne gazy. Dla uranu współczynnik separacji jest mały, około 1,00429, więc potrzeba tysięcy stopni. Metoda przez dekady dominowała w przemysłowym wzbogacaniu uranu.

6.1.1.3 Termodyfuzja cieczowa

Metoda opiera się na tym, że w gradiencie temperatur lżejsze cząsteczki koncentrują się w obszarach cieplejszych. Współczynnik separacji jest zwykle mały, rzędu 1,01, a zapotrzebowanie na ciepło ogromne, co ogranicza praktyczne zastosowanie.

6.1.1.4 Wirówki gazowe

W wirówkach mieszanina gazowych izotopów przepływa przez szybko obracające się rotory. Siła odśrodkowa rozdziela izotopy na warstwy lżejsze i cięższe. Zaletą jest to, że współczynnik separacji zależy od bezwzględnej różnicy mas, dzięki czemu metoda działa dobrze także dla ciężkich pierwiastków. Wirówki zużywają znacznie mniej energii niż dyfuzja gazowa i są dziś dominującą metodą budowy nowych zakładów wzbogacania uranu.

6.1.1.5 Separacja aerodynamiczna

To wariant idei wirówkowej, w którym gaz jest wirowany wewnątrz dyszy albo rury wirowej przez wtłaczanie pod wysokim ciśnieniem. Technologia jest bardzo energochłonna, porównywalna albo gorsza od dyfuzji gazowej. Była rozwijana między innymi przez RPA i Niemcy.

6.1.1.6 AVLIS

Atomic Vapor Laser Isotope Separation wykorzystuje to, że izotopy o różnej masie absorbują nieco inne długości fali światła. Odpowiednio dostrojone lasery pobudzałyby tylko pożądane izotopy w strumieniu pary atomowej. Następnie można je rozdzielać elektromagnetycznie albo chemicznie. Metoda nie weszła szeroko do przemysłu, ale teoretycznie dawała bardzo wysoką wydajność przy małym zużyciu energii właściwej.

6.1.1.7 Wymiana chemiczna

Wykorzystuje różnice szybkości reakcji chemicznych między izotopami. Najlepiej działa dla lekkich pierwiastków. W praktycznych instalacjach stosuje się układy z różnymi fazami, na przykład gaz/ciecz albo ciecz/ciecz, co ułatwia ciągły proces przeciwprądowy. To najważniejsza technologia produkcji ciężkiej wody i jedna z metod wzbogacania Li-6.

6.1.1.8 Destylacja

Również wykorzystuje różnice właściwości termicznych, ponieważ lżejsze izotopy parują nieco chętniej. Nadaje się najlepiej dla lekkich pierwiastków i była stosowana między innymi przy produkcji ciężkiej wody.

6.1.1.9 Elektroliza

Technika szczególnie ważna dla ciężkiej wody. Podczas elektrolizy deuter pozostaje w cieczy silniej niż zwykły wodór, co daje bardzo wysoki współczynnik separacji, nawet około 7. Minusem jest bardzo duże zużycie energii, dlatego metoda jest praktyczna głównie w końcowych etapach wzbogacania.

Przykładowe współczynniki separacji podane w źródle:

                         H/D     C-12/13    U-235/238
Chemical Exchange     1.2-3       1.02        1.0015
Distillation         1.05-1.6     1.01        nil
Gaseous Diffusion       1.2       1.03        1.00429
Centrifuge (250 m/s)   1.01       1.01        1.026
Centrifuge (600 m/s)                            1.233
Electrolysis            7

6.1.2 Transmutacja

Transmutacja jednego izotopu w drugi wymaga szczególnego „odczynnika”, czyli cząstek subatomowych. W skali przemysłowej jedyną realistyczną cząstką są neutrony. Reaktor jądrowy o mocy 1 GW może w ciągu roku wytworzyć około 3,75 kg neutronów, zakładając ciągłą pracę.

To właśnie reaktory są podstawowym źródłem neutronów do produkcji sztucznych izotopów. Każde rozszczepienie wytwarza około 2,5 neutronu, z czego jeden utrzymuje reakcję, a pozostałe mogą służyć do transmutacji innych materiałów.

Najważniejsze izotopy produkowane tą drogą to:

  • pluton z U-238,
  • tryt z Li-6,
  • U-233 z toru.

Reaktory produkcyjne izotopów wykorzystują zwykle paliwo silniej wzbogacone i ciężką wodę jako moderator, aby zminimalizować straty neutronów. Mogą produkować lit, naturalny albo zubożony uran oraz tor. Produkcja plutonu albo U-233 jest około 80 razy wydajniejsza atomowo niż produkcja trytu, ponieważ do powstania jednego atomu dowolnego izotopu potrzeba jednego neutronu, a masa atomowa trytu jest dużo niższa.

6.2 Materiały rozszczepialne

Praktyczne znaczenie dla materiałów rozszczepialnych w broni jądrowej mają przede wszystkim:

  • U-235,
  • Pu-239,
  • U-233.

Tor Th-232 nie jest sam w sobie klasycznym materiałem do rdzenia bomby, ale ma znaczenie jako materiał hodowlany dla U-233.

6.2.1 Uran

Uran, pierwiastek 92, jest bardzo ciężkim srebrzystobiałym metalem. Ma trzy odmiany alotropowe: alfa, beta i gamma. Jest chemicznie reaktywny, łatwo się utlenia, sproszkowany jest piroforyczny, reaguje z wieloma kwasami i ma złożoną chemię z utlenieniami od III do VI.

Podstawowe właściwości czystego uranu:

  • temperatura topnienia 1132,2 C,
  • temperatura wrzenia 3818 C,
  • gęstość 18,95,
  • wytrzymałość na rozciąganie około 450 MPa.

Naturalny uran zawiera trzy istotne izotopy:

          Udział masowy   Udział atomowy   Okres półtrwania
U-234      0,0054%         0,0055%         247 tys. lat
U-235      0,7110%         0,7202%         710 mln lat
U-238     99,2836%        99,2742%         4,51 mld lat

Źródło przypomina też o naturalnych reaktorach w Oklo w Gabonie, gdzie około 1,9 mld lat temu skład izotopowy uranu był bardziej sprzyjający samopodtrzymującej się reakcji.

Szczególnie ważnym związkiem jest UF6, jedyny trwały i lotny związek uranu w pobliżu temperatur pokojowych, wykorzystywany w dyfuzji gazowej i wirówkach. Tworzy bezbarwne kryształy, sublimuje około 56 C, topi się przy 64 C i gwałtownie reaguje z wodą.

Uran występuje dość szeroko na świecie. Jego rudy zwykle zawierają niewielkie stężenia minerałów uranowych, więc konieczne są procesy hydrometalurgiczne, jak ługowanie, a następnie dalsze oczyszczanie. Klasycznym produktem pośrednim jest yellow cake, czyli stężony uranian sodu lub pokrewne koncentraty uranowe.

6.2.1.1 U-235

To jedyny naturalnie występujący izotop praktycznie użyteczny jako główny materiał rozszczepialny. Reaktory energetyczne potrzebują zwykle uranu wzbogaconego do 2-4,5% U-235, natomiast broń wymaga co najmniej około 80%, a najlepiej ponad 90%. Amerykański materiał broniowy miał około 93,5% U-235.

Uran wzbogacony do 80% lub więcej nazywa się zwykle HEU, a czasem granicę praktyczną stawia się już przy 20%. Źródło przypomina historyczny kryptonim oralloy.

U-235 ma bardzo małą szybkość samorzutnego rozszczepienia, około 0,16 rozszczepienia/s/kg, co tłumaczy, dlaczego klasyczna metoda działowa była w ogóle wykonalna.

6.2.1.1.1 Wzbogacanie U-235

Źródło wymienia pięć technologii, które realnie stosowano do dużej skali:

  • separację elektromagnetyczną,
  • dyfuzję gazową,
  • termodyfuzję cieczową,
  • wirówki gazowe,
  • separację aerodynamiczną.

Dodatkowo nadal rozwijano:

  • AVLIS,
  • procesy chemiczne.

W czasie II wojny światowej USA wykorzystały trzy pierwsze technologie. Zdolność separacyjną instalacji wyraża się w SWU.

Źródło podaje, że przy stratach tails rzędu 0,25% zakład o wydajności 3100 kg-SWU/rok może wytworzyć około 15 kg uranu 90%, czyli ilość wystarczającą na jedną bombę implozyjną. Gdyby jednak punktem wyjścia był już materiał 3%, czyli typowe paliwo reaktorowe, ta sama produkcja wymagałaby tylko 886 kg-SWU/rok.

W praktyce:

  • separacja elektromagnetyczna była pierwszą metodą zdolną do produkcji uranu broniowego, ale była bardzo kosztowna,
  • dyfuzja gazowa wymagała tysięcy stopni i ogromnych instalacji,
  • termodyfuzja cieczowa była prosta, ale dawała tylko małe wzbogacenie,
  • wirówki gazowe stały się najważniejszą nowoczesną technologią,
  • separacja aerodynamiczna została rozwinięta w RPA,
  • AVLIS zatrzymano głównie z powodów ekonomicznych i politycznych.

Przybliżone porównanie efektywności energetycznej źródło podaje tak:

mniej niż 0,01?   AVLIS
0,10-0,04         wirówki gazowe
0,30              separacja chemiczna
1,00              dyfuzja gazowa
1,50              separacja aerodynamiczna
wysokie           separacja elektromagnetyczna
wysokie           termodyfuzja cieczowa

6.2.1.2 U-238

Nie nadaje się jako główny materiał rozszczepialny rdzenia, ponieważ wymaga bardzo szybkich neutronów do rozszczepienia. Mimo to jest niezwykle ważny:

  • jako gęsty tamper i reflektor,
  • jako materiał do rozszczepienia szybkiego zwiększający moc wybuchu,
  • jako surowiec do hodowli Pu-239.

Około 40% neutronów rozszczepieniowych i wszystkie neutrony fuzyjne mają energię wystarczającą do rozszczepienia U-238.

6.2.1.3 U-233

Izotop ten nie występuje naturalnie. Powstaje z Th-232 według ciągu:

Th-232 + n -> Th-233
Th-233 -> (22,2 min, beta) -> Pa-233
Pa-233 -> (27 dni, beta) -> U-233

Przy produkcji pojawia się jednak nieunikniony problem zanieczyszczenia U-232, którego łańcuch rozpadu emituje silne promieniowanie gamma, zwłaszcza przez Tl-208. To utrudnia magazynowanie, montaż i ukrywanie broni.

Materiał broniowy z U-233 można uzyskać przy poziomach U-232 rzędu 5 ppm, natomiast powyżej 50 ppm uznaje się go za gorszy jakościowo. Nawet wtedy po kilku latach promieniowanie gamma rośnie do poziomów istotnych dla bezpieczeństwa pracowników.

Mimo tych wad U-233 ma świetne własności fizyczne jako materiał rozszczepialny:

  • mniejszą masę krytyczną niż U-235,
  • parametry zbliżone do plutonu,
  • umiarkowaną samorzutną emisję neutronów.

6.2.1.4 Uran zubożony

Po odseparowaniu U-235 pozostaje uran zubożony, zawierający zwykle 0,25-0,4% U-235. Jest około dwa razy mniej promieniotwórczy od naturalnego uranu, głównie przez usunięcie U-234, ale zachowuje praktycznie te same własności masowe i mechaniczne.

Najważniejsze zastosowania:

  • osłony radiologiczne,
  • przeciwwagi lotnicze,
  • obciążniki techniczne,
  • amunicja przeciwpancerna,
  • pancerze kompozytowe.

Po odpowiedniej obróbce i stopowaniu jest bardzo twardy, a przy penetracji pancerza wytwarza zapalające się fragmenty.

6.2.2 Pluton

Pluton, pierwiastek 94, odkryto w 1940 roku. Naturalnie występuje tylko śladowo, ale można go hodować z U-238 w reaktorach:

U-238 + n -> U-239
U-239 -> (23,5 min, beta) -> Np-239
Np-239 -> (2,35 dnia, beta) -> Pu-239

Pluton to bardzo ciężki srebrzysty metal o niezwykle dziwnych właściwościach metalurgicznych. Ma wiele faz alotropowych, bardzo nietypowe zmiany objętości z temperaturą, niską przewodność cieplną i elektryczną oraz wysoką reaktywność chemiczną. Jest też ciepły w dotyku wskutek samonagrzewania radiacyjnego.

Podstawowe właściwości:

  • temperatura topnienia 641 C,
  • temperatura wrzenia 3232 C,
  • gęstość fazy alfa 19,84.

Do końca 1995 roku na świecie wyprodukowano około 1270 ton plutonu, z czego około 257 ton do celów wojskowych.

6.2.2.1 Metalurgia plutonu

Czysty pluton w temperaturze pokojowej występuje w fazie alfa, która jest twarda, krucha i trudna w obróbce. Dla zastosowań broniowych stabilizuje się fazę delta domieszkami, przede wszystkim galu, zwykle na poziomie 3-3,5 mol%, co daje materiał łatwiejszy w odlewaniu i obróbce, stabilny wymiarowo i mniej podatny na korozję.

To właśnie stop pluton-gal zastosowano w Gadget i Fat Man.

6.2.2.2 Toksyczność plutonu

Chemiczna toksyczność plutonu jest mało istotna w porównaniu z radiotoksycznością. Pluton jest przede wszystkim emiterem alfa, więc największe zagrożenie powstaje po inhalacji albo połknięciu.

W przybliżeniu:

  • połknięcie 500 mg rozpuszczalnego lub drobno podzielonego plutonu może spowodować śmierć wskutek ostrego uszkodzenia przewodu pokarmowego,
  • inhalacja 100 mg w odpowiedniej granulacji może zabić w ciągu dni,
  • mniejsze dawki dają przede wszystkim długoterminowe ryzyko raka płuc.

Pluton w organizmie odkłada się głównie w:

  • płucach,
  • wątrobie,
  • kościach i szpiku.

Międzynarodowe normy cytowane w źródle są bardzo restrykcyjne, a w laboratoriach amerykańskich bezpośredni kontakt skóry z plutonem jest bezwzględnie zabroniony.

6.2.2.3 Produkcja plutonu

W miarę napromieniania Pu-239 przechwytuje neutrony i przekształca się w Pu-240, Pu-241 i Pu-242. Im wyższe wypalenie paliwa, tym gorszy skład izotopowy z punktu widzenia broni. Źródło przytacza:

  • nowoczesne paliwo reaktora lekkowodnego może osiągać 33000 MWD/t,
  • typowe reaktory wojskowe dla plutonu broniowego pracowały około 1000 MWD/t,
  • w Hanford w czasie Projektu Manhattan schodzono nawet do około 100 MWD/t, co dawało superczysty pluton.

6.2.2.4 Pu-238

Bardzo silnie samonagrzewający się izotop, około 567 W/kg, o bardzo wysokiej aktywności alfa. Używa się go głównie w RTG, a nie w broni.

6.2.2.5 Pu-239

To zasadniczy pożądany izotop dla broni jądrowej. Ma:

  • małą masę krytyczną,
  • dobre własności neutronowe,
  • umiarkowaną samorzutną emisję neutronów,
  • wyraźne samonagrzewanie, około 1,92 W/kg.

6.2.2.6 Pu-240

Najważniejsze zanieczyszczenie niepożądane w plutonie broniowym. Ma ogromną szybkość samorzutnego rozszczepienia i daje wysoki strumień neutronów, który wymusza użycie implozji. Dla plutonu broniowego źródło wskazuje poziom Pu-240 nie większy niż około 6,5-7%.

6.2.2.7 Pu-241

Sam w sobie nie jest wielkim problemem, ale rozpada się do Am-241, co z czasem podnosi moc cieplną i pogarsza własności rdzenia.

6.2.2.8 Pu-242

Izotop niepożądany: zwiększa masę krytyczną i tło neutronowe.

6.2.2.9 Pluton broniowy

Źródło definiuje go jako pluton z zawartością Pu-240 poniżej 7%. Typowe składy z Hanford i Savannah River dawały około:

Pu-239 ~93%
Pu-240 ~6%
Pu-241 ~0,5-0,8%

Podkreślono też ważną rzecz: określenie „weapons grade” ma częściowo charakter ekonomiczny. Bardziej zanieczyszczony pluton może nadal być użyteczny w zaawansowanych konstrukcjach, ale jest mniej wygodny i droższy konstrukcyjnie.

6.2.2.10 Pluton reaktorowy

Pluton z typowego paliwa energetycznego ma znacznie gorszy skład izotopowy, z większym udziałem Pu-238, Pu-240, Pu-241 i Pu-242. Typowe wartości dla reaktorów lekkowodnych przy około 33000 MWD:

Pu-238   2%
Pu-239  61%
Pu-240  24%
Pu-241  10%
Pu-242   3%

Taki materiał:

  • silnie się nagrzewa,
  • daje bardzo duże tło neutronowe,
  • utrudnia konstrukcję niezawodnej bomby,
  • ale nie czyni jej niemożliwą.

Źródło stwierdza wprost, że nawet prymitywna konstrukcja podobna do Fat Man mogłaby z takiego materiału dać wybuch rzędu 0,5 kt, a lepsza implozja kilka kiloton. Po zastosowaniu boostingu przeszkody te można w dużej mierze obejść.

6.2.2.11 Pluton „denaturowany”

Wielokrotne recykle paliwa zwiększają udział izotopów niepożądanych i utrudniają wykorzystanie broniowe. Nie daje to jednak pełnej odporności na proliferację, a raczej podnosi próg techniczny.

6.2.3 Tor

Tor Th-232 jest ważny głównie jako materiał hodowlany dla U-233. To srebrzystobiały metal o gęstości około 11,72, temperaturze topnienia około 1750 C i wrzenia około 4790 C. Sam tor nie jest standardowym materiałem na rdzeń bomby, ale ma znaczenie w paliwowym cyklu torowym.

6.2.4 Inne potencjalne materiały rozszczepialne

Źródło omawia jeszcze kilka egzotycznych kandydatów:

  • protaktyn Pa-231,
  • neptun Np-237,
  • ameryk Am-241 i Am-243,
  • kaliforn Cf-249, Cf-251, Cf-252.

W praktyce wszystkie mają poważne wady:

  • zbyt dużą masę krytyczną,
  • wysokie samonagrzewanie,
  • trudność produkcji,
  • duże koszty,
  • silną emisję neutronów lub promieniowania.

Najbardziej znany mit dotyczy kalifornu. Źródło zaznacza, że chociaż Cf-251 może mieć bardzo małą masę krytyczną jak na standardy materiałów rozszczepialnych, to nadal chodzi raczej o zakres setek gramów do kilogramów, a nie o „jednogramowe bomby kieszonkowe”.

6.3 Materiały fuzyjne

Paliwa fuzyjne to lekkie pierwiastki, znacznie obficiej występujące we Wszechświecie niż aktynowce istotne dla rozszczepienia. Dzięki małym masom separacja izotopowa jest w ich przypadku zwykle łatwiejsza.

6.3.1 Izotopy wodoru

Naturalny wodór zawiera głównie H-1, a deuter występuje w stężeniu około 0,015%, czyli jeden atom na około 6760 atomów zwykłego wodoru. W praktyce fuzyjnej największe znaczenie mają:

  • deuter,
  • tryt.

W stanie pierwiastkowym wszystkie izotopy wodoru są gazami o bardzo małej gęstości i niskiej temperaturze wrzenia, dlatego w broni często stosuje się związki takie jak deuterki litu.

6.3.1.1 Deuter

Deuter odkrył Harold Urey w 1931 roku. D2O, czyli ciężka woda, ma większą gęstość i nieco wyższe temperatury przemian fazowych niż zwykła woda. Jest cenna przede wszystkim jako moderator reaktorowy.

Źródło podaje, że ciężka woda do celów reaktorowych jest wzbogacana zwykle do 99,75% albo więcej, a koszt jakości reaktorowej wynosił około 500 USD/kg.

Najważniejsze techniki wzbogacania deuteru:

  • proces Girdler-Sulfide,
  • destylacja wody,
  • destylacja ciekłego wodoru,
  • elektroliza.

6.3.1.2 Tryt

Tryt odkryto w 1934 roku. Jest promieniotwórczy, z półokresem 12,355 roku. Najczęściej produkuje się go przez reakcję:

Li-6 + n -> T + He-4

W USA używano do tego celu specjalnych tarcz litowych w reaktorach produkcyjnych. Znaczne ilości trytu powstają też w reaktorach moderowanych ciężką wodą przez wychwyt neutronu przez deuter.

Tryt emituje bardzo słabe beta 18,6 keV bez gamma. Zewnętrznie jest stosunkowo mało groźny, ale po wchłonięciu staje się niebezpieczny. Szczególnie groźna jest tritiowana woda HTO, która bardzo dobrze wchłania się przez płuca i częściowo przez skórę.

Źródło podaje:

  • aktywność właściwą 9649 Ci/g,
  • moc cieplną rozpadu 0,324 W/g,
  • śmiertelną dawkę rzędu 10 Ci, czyli około 1 mg.

6.3.2 Lit

Lit, pierwiastek 3, jest jednym z najlżejszych metali i jednym z trzech pierwiastków powstałych już w Wielkim Wybuchu. Naturalny lit zawiera:

  • Li-6 około 7,42%,
  • Li-7 około 92,58%.

To metal bardzo lekki, reaktywny chemicznie i łatwo utleniający się na powietrzu. W technice ma ogromnie dużo zastosowań przemysłowych, ale z punktu widzenia broni jądrowej najważniejszy jest jako składnik wodorków litu.

Do broni lit stosuje się:

  • jako nośnik deuteru,
  • jako właściwe paliwo fuzyjne, zwłaszcza Li-6,
  • jako materiał osłonowy wobec neutronów.

Dużą skalę wzbogacania Li-6 w USA prowadzono w Y-12, przede wszystkim metodą chemicznej wymiany elektrochemicznej w układzie lit-rtęć/wodorotlenek litu.

Wyprodukowano trzy podstawowe klasy wzbogacenia:

  • 95,5% Li-6,
  • 60% Li-6,
  • 40% Li-6.

Źródło przytacza historyczne użycie tych materiałów w testach Castle.

Wodorki litu są białymi krystalicznymi ciałami stałymi. LiH i LiD mają małą gęstość, reagują gwałtownie z wodą i muszą być wytwarzane oraz obrabiane w bardzo suchym środowisku. W broni tworzono z nich elementy ceramiczne prasowane izostatycznie.

6.4 Inne materiały

6.4.1 Beryl

Beryl, pierwiastek 4, jest bardzo lekki, sztywny i ma wyjątkowe właściwości mechaniczne, cieplne oraz neutronowe. Jest też silnie toksyczny chemicznie.

Najważniejsze cechy:

  • gęstość 1,848,
  • temperatura topnienia około 1278 C,
  • bardzo wysoki moduł sprężystości,
  • dobra przewodność cieplna,
  • mały przekrój pochłaniania neutronów termicznych,
  • bardzo dobre własności reflektora i moderatora neutronów.

Beryl jest użyteczny w technice jądrowej, ponieważ:

  • może generować neutrony pod bombardowaniem alfa lub gamma,
  • dobrze rozprasza neutrony,
  • może działać jako reflektor neutronów w bardzo lekkich konstrukcjach.

To właśnie dlatego stosowano go w reflektorach małych reaktorów i lekkich broni jądrowych, a historycznie także w inicjatorach neutronowych.

6.4.2 Polon

Polon, pierwiastek 84, odkryła Maria Skłodowska-Curie w 1898 roku. Najważniejszym praktycznym izotopem jest Po-210, emiter alfa o półokresie 138,39 dnia.

Jego znaczenie wojskowe brało się z tego, że:

  • emituje prawie wyłącznie alfa,
  • prawie nie daje gamma,
  • można było połączyć go z berylem, tworząc inicjator neutronowy.

W klasycznym rozwiązaniu polon i beryl były rozdzielone cienką folią. Gdy implozja ściskała układ, oba materiały gwałtownie się mieszały, wywołując reakcję:

Be-9 + alpha -> Be-8 + n + alpha

Polon jest też skrajnie niebezpieczny w obchodzeniu się:

  • aktywność właściwa 4490 Ci/g,
  • bardzo duża lotność,
  • bardzo małe dopuszczalne obciążenie organizmu.

Źródło przypomina, że część zagrożenia rakowego przy paleniu tytoniu pochodzi właśnie od polonu osadzonego na cząstkach dymu.

Po-210 ma także bardzo dużą moc cieplną, około 140 W/g, i był używany w niewielkich źródłach jonizacyjnych.