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피트 (핵무기)
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피트(영어: pit)는 핵무기 설계에서 내폭형 핵무기의 중심으로, 핵분열성 물질과 이에 결합된 중성자 반사체 또는 탬퍼로 구성된다. 초기 피트는 구형이었으나, 대부분의 현대식 피트는 장구형이다.[1] 1950년대에 실험된 일부 무기는 우라늄-235만으로 만든 피트나 플루토늄과의 복합 피트를 사용했다.[2] 전(全) 플루토늄 피트는 직경이 가장 작으며 1960년대 초반부터 표준이 되었다. 피트라는 이름은 복숭아나 살구 같은 핵과에서 발견되는 단단한 씨앗에서 따온 것이다.[3]
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설계
요약
관점
최초 핵무기의 피트는 고체였으며 중심에 중성자 개시제가 있었다. 가젯과 팻 맨은 6.2 kg의 고체 열간 압축 플루토늄-갈륨 합금(400 °C 및 200 MPa의 강철 다이에서 압축)으로 만든 직경 9.2 cm의 반구 피트를 사용했으며, 개시제를 위한 2.5 cm의 내부 공동이 있었다. 가젯의 피트는 공기 중 플루토늄의 부식 취약성 때문에 0.13 mm 두께의 은으로 전기도금되었다. 그러나 이 층에 기포가 생겨 갈아내야 했고, 실험 전에 금박으로 틈을 메웠다. 팻 맨의 피트와 그 이후 모델들은 모두 니켈로 도금되었다.[4] 중공 피트가 더 효율적이라고 알려져 고려되었으나, 내폭 정확도에 대한 요구 사항이 더 높아 결국 기각되었다.
이후의 설계는 유사한 구조이지만 직경이 약 1 cm에 불과한 TOM 개시제를 사용했다. 내부 중성자 개시제는 나중에 단계적으로 폐지되었고, 펄스 중성자원과 증폭 핵분열 무기로 대체되었다.
고체 코어는 에드워드 텔러가 처음 제안한 후 고체 피트 설계를 실현시킨 로버트 크리스티의 이름을 따서 "크리스티" 설계로 알려졌다.[5][6][7] 피트와 함께 물리 패키지 전체도 비공식적으로 "크리스티(의) 가젯"이라는 별명이 붙었다.[8]
부양 피트
탬퍼와 피트 사이에 빈 공간을 두어 내폭 효율을 높일 수 있는데, 이는 충격파가 피트에 충돌하기 전에 급격히 가속하게 한다. 이 방식을 부양 피트 내폭이라고 한다. 부양 피트는 1948년 팻 맨 스타일의 폭탄(마크 IV)으로 실험되었다. 부양 피트를 갖춘 초기 무기들은 분리 가능한 피트를 가지고 있었으며, 이를 개방 피트라고 불렀다. 이것은 버드케이지라고 불리는 특수 캡슐에 별도로 보관되었다.[9]
중공 피트
중공 피트가 내폭될 때, 플루토늄 층은 안쪽으로 가속되어 중심에서 충돌하며 초임계의 고밀도 구체를 형성한다. 추가된 운동량으로 인해 플루토늄 자체가 탬퍼 역할의 일부를 수행하므로, 탬퍼 층에 필요한 우라늄의 양을 줄여 탄두 중량과 크기를 줄일 수 있다. 중공 피트는 고체 피트보다 효율적이지만 더 정밀한 내폭을 필요로 했기 때문에, 초기 무기 설계에서는 고체인 크리스티 피트가 선호되었다. 1945년 8월 전쟁이 끝난 후, 연구소는 다시 중공 피트 문제에 집중했다. 그해 남은 기간 동안 크리스티의 그룹 리더이자 이론 부서의 후임자인 한스 베테가 이끌었으며, 플루토늄 비용과 핸포드 원자로 증설 문제로 인해 중공 복합 코어가 가장 큰 관심을 받았다.[10]
중공 피트의 효율은 내폭 직전에 50%/50% 혼합물의 중수소와 삼중수소를 공동에 주입함으로써 더욱 높일 수 있는데, 이를 핵융합 증폭(fusion boosting)이라고 한다. 이는 또한 성공적인 폭발을 달성하기 위한 플루토늄의 최소량을 낮춰준다. 중수소-삼중수소 혼합물 주입량과 외부 발생기의 중성자 펄스 타이밍 및 강도를 통한 개시 제어의 고도화는 가변 위력 무기의 설계를 용이하게 했다.[출처 필요]
복합 코어와 우라늄 피트
핵무기 개발 초기에는 플루토늄-239 공급이 부족했다. 피트에 필요한 플루토늄 양을 줄이기 위해, 플루토늄의 텅 빈 껍질을 당시 더 풍부했던 고농축 우라늄 외피로 감싸는 복합 코어가 개발되었다. 복합 코어는 1947년 말까지 마크 3 핵폭탄용으로 사용 가능했다.[11] 예를 들어, 미국 마크 4 폭탄용 복합 코어인 49-LCC-C 코어는 2.5 kg의 플루토늄과 5 kg의 우라늄으로 만들어졌다. 폭발 시 플루토늄 에너지의 35%와 우라늄 에너지의 25%만 방출되어 효율이 높지는 않았지만, 플루토늄의 무게 절감 효과는 상당했다.[12]
다른 피트 재료를 고려하는 또 다른 요인은 플루토늄과 우라늄의 서로 다른 거동이다.[13] 플루토늄은 더 빨리 핵분열하고 더 많은 중성자를 생성하지만, 당시 생산 비용이 더 비쌌고 사용 가능한 원자로의 한계로 인해 희귀했다. 우라늄은 핵분열 속도가 느려 더 큰 초임계 질량으로 조립할 수 있어 무기의 더 높은 위력을 가능하게 한다. 복합 코어는 1945년 7월부터 고려되었으며 1946년에 사용 가능해졌다. 당시 로스앨러모스의 우선순위는 전(全) 우라늄 피트 설계였다. 새로운 피트 설계들은 샌드스톤 작전에서 실험되었다.
플루토늄 전용 코어는 높은 배경 중성자율 때문에 조기 폭발 확률이 높았으며, 이는 위력 감소로 이어졌다.[14] 이 확률을 최소화하려면 플루토늄 질량을 줄여야 했는데, 이는 달성 가능한 위력을 약 10 kt로 제한하거나 플루토늄-240 오염 수준이 비실용적으로 낮은 고순도 플루토늄-239를 사용해야 했다. 복합 코어의 장점은 조기 폭발 위험을 낮게 유지하면서 더 높은 위력을 유지하고, 이용 가능한 두 핵분열성 물질을 모두 활용할 수 있다는 것이었다. 위력 제한은 1950년대 중반 핵융합 증폭의 도래와 이후 핵융합 무기(수소폭탄)의 사용으로 인해 의미가 없어졌다.[15]
무기의 위력은 피트를 선택함으로써 제어할 수도 있다. 예를 들어, 마크 4 핵폭탄은 세 가지 다른 피트를 장착할 수 있었다: 49-LTC-C (부양 우라늄-235, 1948년 5월 14일 지브라 실험에서 테스트됨), 49-LCC-C (부양 복합 우라늄-플루토늄), 50-LCC-C (부양 복합).[16] 이 방식은 피트를 제거할 수 없는 현대식 무기의 현장 위력 선택에는 적합하지 않지만, 다양한 전술적 용도를 위해 서로 다른 위력을 가진 여러 하위 유형의 무기를 생산할 수 있게 한다. 초기 미국 설계는 표준화된 C형 및 D형 피트 조립체를 기반으로 했다. 마크 4 폭탄은 비행 중 수동으로 삽입할 수 있는 C형 및 D형 피트를 사용했다. 마크 5 폭탄은 자동 비행 중 삽입 기능이 있는 D형 피트를 사용했고, W-5 탄두도 동일했다. 후속 모델인 마크 6 폭탄은 피트 중 하나를 제외한 모든 피트와 호환되었다.[17]
피트는 플루토늄-239, 플루토늄-239/우라늄-235 복합체 또는 우라늄-235 단독으로 구성될 수 있다. 플루토늄이 가장 일반적인 선택이지만, 예를 들어 바이올렛 클럽 폭탄[18]과 오렌지 헤럴드 탄두는 87 kg 및 117 kg(다른 소스에 따르면 98 kg 및 125 kg)의 고농축 우라늄으로 구성된 거대한 중공 피트를 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 탬퍼에 의해 완전히 지지되었다. 핵분열성 물질의 임계 질량을 하나 이상 포함하는 이러한 거대한 피트는 중대한 안전 위험을 초래하는데, 내폭 껍질의 비대칭적인 폭발만으로도 킬로톤 범위의 폭발을 일으킬 수 있기 때문이다.[19] 최대 위력의 순수 핵분열 무기인 500킬로톤 마크 18 핵폭탄은 약 4개의 임계 질량에 해당하는 60 kg 이상의 고농축 우라늄으로 구성된 중공 피트를 사용했다. 안전 장치는 피트에 삽입된 알루미늄-붕소 체인으로 이루어졌다.
TX-7E 마크 7 핵폭탄의 플루토늄-U235 코어를 기반으로 한 플루토늄과 우라늄-233의 복합 피트는 1955년 티팟 작전 중 MET 실험에서 테스트되었다. 위력은 예상했던 33 킬로톤 대신 22 킬로톤이었다.[출처 필요]
밀봉 피트
- 밀봉 피트는 핵무기 내부의 피트 주위에 금속 장벽이 형성되어 개구부가 없는 것을 의미한다. 이는 핵 물질을 환경적 열화로부터 보호하고 우발적인 화재나 경미한 폭발 시 방출 가능성을 줄이는 데 도움이 된다. 밀봉 피트를 채택한 최초의 미국 무기는 W25 탄두였다. 금속은 종종 스테인리스강이지만 베릴륨, 알루미늄, 그리고 아마도 바나듐도 사용된다. 베릴륨은 부서지기 쉽고 독성이 있으며 비싸지만, 중성자 반사체 역할을 하여 피트의 필요 임계 질량을 낮춰주므로 매력적인 선택이다. 플루토늄(및 아메리슘과 기타 오염 물질)의 붕괴에서 나오는 알파 입자가 베릴륨과 반응하여 중성자를 생성하는 것을 막기 위해, 플루토늄과 베릴륨 사이에 인터페이스 금속 층이 있을 것이다. 베릴륨 탬퍼/반사체는 1950년대 중반부터 사용되기 시작했다. 부품들은 로키 플래츠 공장에서 압축 분말 베릴륨 블랭크를 가공하여 만들어졌다.[20]
더 현대적인 플루토늄 피트는 속이 비어 있다. 일부 현대식 피트에 적용 가능한 자주 인용되는 사양은 적절한 구조용 금속으로 된 중공 구체로, 크기와 무게는 볼링공 정도이며, 삼중수소 주입을 위한 채널이 있고, 내부 표면은 플루토늄으로 라이닝되어 있다. 무기 속성에 영향을 미치는 주요 요인은 피트의 크기(보통 볼링 공과 테니스 공 사이), 구형의 정확도, 핵분열성 물질의 무게와 동위원소 구성이며, 이는 종종 기밀로 분류된다. 중공 피트는 적도 주위에 세 개의 접합 용접이 있는 반쪽 껍질로 만들 수 있으며, 증폭 가스 주입을 위한 튜브는 브레이징(베릴륨 또는 알루미늄 껍질에)되거나 전자빔 용접 또는 TIG 용접된다.[21] 베릴륨으로 피복된 피트는 파손에 더 취약하고, 온도 변화에 더 민감하며, 세척이 필요할 가능성이 높고, 염화물과 수분에 의한 부식에 취약하며, 작업자를 독성 베릴륨에 노출시킬 수 있다.
최신 피트는 약 3kg의 플루토늄을 포함한다. 구형 피트는 약 4–5kg을 사용했다.[22]
선형 내폭 피트
추가적인 소형화는 선형 내폭을 통해 달성되었다. 길쭉한 아임계 고체 피트를 두 개의 반대편 충격파에 의해 초임계 구형으로 변형시키고, 나중에는 더 정밀하게 형성된 충격파를 가진 중공 피트를 사용하여 상대적으로 매우 작은 핵탄두를 제작할 수 있었다. 그러나 이 구성은 비대칭 내폭이 핵폭발을 일으키지 않고 무기를 파괴하는 구형 내폭 조립체와 달리, 폭발물이 우발적으로 점화될 경우 고위력 폭발을 일으키기 쉬운 것으로 간주되었다. 이로 인해 특별한 설계 예방 조치를 포함한 일련의 안전 테스트가 필요했다.
무기 간 피트 공유
피트는 무기 설계 간에 공유될 수 있다. 예를 들어, W89 탄두는 W68의 피트를 재사용한다고 알려져 있다. 많은 피트 설계가 표준화되어 서로 다른 물리 패키지 간에 공유되며, 동일한 물리 패키지가 종종 다른 탄두에 사용된다. 피트는 재사용될 수도 있다. 해체된 무기에서 추출한 밀봉 피트는 일반적으로 직접 재사용하기 위해 비축된다. 플루토늄-갈륨 합금의 낮은 노화율로 인해 피트의 수명은 100년 이상으로 추정된다. 미국 무기고에 있는 가장 오래된 피트는 아직 50년이 되지 않았다.
밀봉 피트는 결합형또는 비결합형으로 분류할 수 있다. 비결합형 피트는 기계적으로 분해할 수 있으며, 선반으로 플루토늄을 분리하기에 충분하다. 결합형 피트의 재활용은 화학적 처리가 필요하다.[21]
현대 무기의 피트는 반지름이 약 5 cm라고 한다.[23]
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무기 및 피트 종류
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안전 고려 사항
요약
관점
최초의 무기에는 분리 가능한 피트가 있어 배치 직전에 폭탄에 장착했다. 소형화 과정이 진행되면서 장치 조립 중에 공장에서 피트를 삽입할 수 있는 설계 변경이 이루어졌다. 이로 인해 고폭약의 우발적인 폭발이 본격적인 핵폭발을 일으키지 않도록 확인하는 안전 테스트가 필요해졌는데, 프로젝트 56이 그러한 테스트 시리즈 중 하나였다.
우발적인 고위력 폭발은 언제나 우려 사항이었다. 부양 피트 설계는 비행 중 피트를 폭탄에 삽입하는 것을 실용적으로 만들어, 핵분열 코어를 주변의 폭발물과 분리할 수 있게 했다. 따라서 우발적인 폭탄 분실 및 폭발 사고의 많은 사례가 폭탄의 탬퍼에서 우라늄이 분산되는 결과로만 이어졌다. 그러나 피트와 탬퍼 사이에 공간이 없는 이후의 중공 피트 설계는 이를 불가능하게 만들었다.
초기 무기의 피트에는 접근 가능한 내부 공간이 있었다. 안전을 위해 피트에 물체를 삽입해 두었다가 필요할 때만 제거했다. 영국의 그린 그래스와 같은 더 큰 피트는 내부 공간이 고무로 라이닝되어 있고 금속 구슬로 채워져 있었다. 이 설계는 급조된 것으로 최적과는 거리가 멀었는데, 예를 들어 비행기 안에서 진동을 받으면 구슬이 들어 있는 피트가 손상될 수 있었다. 대신 원자로 제어봉에 사용되는 것과 같은 중성자 흡수 물질(예: 카드뮴)로 만든 미세한 금속 체인을 사용할 수 있다. W47 탄두는 제조 시 카드뮴-붕소 와이어로 피트가 채워져 있었다. 무기를 무장할 때 작은 모터로 와이어를 스풀로 당겨 빼냈는데 다시 삽입할 수는 없었다. 그러나 와이어는 제거 중에 부서져 끊어지는 경향이 있어 완전히 제거하는 것이 불가능했고, 탄두를 불발탄으로 만들기도 했다.[30]
고체 피트에서 중공 피트로의 전환은 작업 안전 문제를 야기했다. 질량 대비 표면적이 커져 감마선 방출이 상대적으로 높아졌고, 로키 플래츠 생산 시설에 더 나은 방사선 차폐를 설치해야 했다. 필요한 압연 및 가공 양이 증가함에 따라 가공유와 부품 탈지용 사염화 탄소 소비가 늘어나 오염된 폐기물이 대량으로 발생했다. 자연발화성 플루토늄 부스러기 또한 자연 발화 위험을 초래했다.[31]
밀봉 피트는 다른 안전 장치 방식이 필요하다. 사고나 부적절한 무장 시퀀스 발생 시 실패하도록 설계된 많은 기술이 사용된다. 여기에는 기계적 인터록, 화재나 충격 시 오작동하도록 설계된 중요 부품 등이 포함된다.
베릴륨 피복은 기술적으로 유리하지만 무기 공장 직원에게는 위험을 초래한다. 탬퍼 껍질을 가공하면 베릴륨과 산화 베릴륨 먼지가 발생하며, 이를 흡입하면 베릴륨증을 유발할 수 있다. 1996년까지 미국 에너지부는 핵 산업 종사자 중 50건 이상의 만성 베릴륨증 사례를 확인했으며, 그중 30여 건은 로키 플래츠 공장에서 발생했고 몇 명은 사망했다.[20]
1966년 팔로마레스 B-52 추락 사고와 1968년 툴레 공군기지 B-52 추락 사고 이후, 우발적인 플루토늄 확산에 대한 무기 안전은 미군의 관심사가 되었다.
- 내화 피트(FRP, Fire-resistant pits)는 화재 시 플루토늄 확산을 줄이기 위한 현대 핵무기의 안전 기능이다. 현재의 피트는 항공기 연료가 연소하는 대략적인 온도인 1000 °C에서 수 시간 동안 용융된 플루토늄을 격납하도록 설계되었다.[32] 그러나 폭발로 인해 피트가 흩어지는 경우에는 내화 피트가 도움이 되지 않으므로 충격이나 화재에 의한 우발적 기폭에 저항력이 있는 둔감 고폭약과 함께 사용되며, 미사일에 사용될 때는 기폭되지 않는 추진제와 함께 사용된다. 바나듐 피복이 내화 피트 설계를 위해 테스트되었으나, 실제 사용 중인지 실험적인 것인지는 알려지지 않았다. W87 탄두는 FRP를 채택한 조립체의 예이다.[33] 그러나 FRP는 피복이 기계적으로 손상된 경우에는 보호 기능을 제공하지 못하며, 항공기 연료보다 연소 온도가 더 높은(약 2000 °C) 미사일 연료 화재에 노출될 경우 실패할 수 있다.[34][35] 엄격한 중량 및 크기 제약으로 인해 FRP와 둔감 폭약 모두를 사용하지 못할 수도 있다.[36] SLBM은 크기 고려 사항과 더 강력하고 취약한 연료 때문에 ICBM보다 덜 안전한 경향이 있다.[37]
피트 근처의 다른 에너지 물질도 안전에 영향을 미친다. 미국 미사일 추진제는 크게 두 가지 등급으로 나뉜다. 1.3 등급은 화재 위험은 있으나 기폭이 매우 어렵거나 불가능하며, 예로는 70% 과염소산 암모늄, 16% 알루미늄, 14% 바인더가 있다. 1.1 등급은 화재 및 기폭 위험이 모두 있으며, 가교 고분자 기반의 이중 기제 추진제로 52% HMX, 18% 니트로글리세린, 18% 알루미늄, 4% 과염소산 암모늄, 8% 바인더를 포함한다. 1.1 추진제는 비충격이 4% 더 높아(약 260초 대 270초), 동일한 연소 시간 동안 사거리가 8% 더 길다. 둔감 고폭약은 위력이 떨어지므로 더 크고 무거운 탄두가 필요하며, 이는 미사일 사거리를 줄이거나 위력을 일부 희생해야 함을 의미한다. 안전/성능의 트레이드오프는 특히 잠수함 등에서 중요하다.[35] 1990년 기준으로 트라이던트 SLBM은 기폭 가능한 연료와 비둔감 폭약을 모두 사용했다.[38]
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재료 고려 사항
요약
관점
플루토늄을 주조하고 가공하는 것은 독성뿐만 아니라 플루토늄이 금속상(또는 동소체)이 매우 다양하기 때문에 어렵다. 플루토늄이 냉각되면서 상이 변화하면 뒤틀림과 균열이 발생한다. 이러한 뒤틀림은 일반적으로 3–3.5 몰%(중량 기준 0.9–1.0%)의 갈륨과 합금하여 플루토늄-갈륨 합금을 형성함으로써 극복되는데, 이는 넓은 온도 범위에서 델타 상을 유지하게 한다.[39] 용융 상태에서 냉각될 때 4번의 상 변화를 겪는 대신 엡실론에서 델타로 한 번의 상 변화만 겪는다. 다른 3가 금속도 효과가 있지만, 갈륨은 중성자 흡수 단면적이 작고 플루토늄을 부식으로부터 보호하는 데 도움이 된다. 단점은 갈륨 화합물 자체가 부식성이 있어, 해체된 무기에서 플루토늄을 회수하여 발전용 원자로를 위한 이산화 플루토늄으로 전환할 때 갈륨을 제거하는 데 어려움이 있다는 것이다.
플루토늄은 화학적으로 반응성이 크기 때문에 완성된 피트에 얇은 불활성 금속 층을 도금하는 것이 일반적이며, 이는 독성 위험도 줄여준다.[40] 가젯은 갈바닉 은 도금을 사용했고, 이후에는 니켈 테트라카보닐 증기에서 증착된 니켈이 사용되었으나,[40] 현재는 금이 선호된다.[출처 필요]
첫 번째 피트를 생산하기 위해 희소한 플루토늄을 최적으로 사용하고자 핫 프레싱이 사용되었다. 이후 설계에서는 기계 가공된 피트를 사용했지만, 선반 가공은 자연발화성 부스러기와 플루토늄에 오염된 오일 및 절삭유 등 많은 폐기물을 발생시킨다. 미래의 목표는 피트를 직접 주조하는 것이다. 그러나 핵실험이 없는 상황에서 주조 표면과 기계 가공 표면의 미세한 차이가 성능 차이를 예측하는 데 어려움을 줄 수 있다.[41]
부식 문제
우라늄과 플루토늄은 모두 부식에 매우 취약하다. 문제가 많았던 W47 UGM-27 폴라리스 탄두 중 다수는 정기 유지보수 중에 핵분열성 물질의 부식이 발견되어 교체해야 했다. W58 피트 또한 부식 문제를 겪었다.[42] W45 피트는 기하학적 구조를 변형시킬 수 있는 부식에 취약했다.[43] 그린 그래스 피트 또한 부식되기 쉬웠다. 사용된 재료의 방사능은 주변 재료에 방사선 부식을 일으킬 수도 있다. 플루토늄은 습기에 매우 취약하다; 습한 공기는 부식 속도를 약 200배 증가시킨다. 수소는 부식에 강력한 촉매 효과를 미친다: 수소의 존재는 부식 속도를 13배(10^13) 가속화할 수 있다. 수소는 방사선 분해에 의해 수분이나 근처의 유기 물질(예: 플라스틱)에서 생성될 수 있다. 이러한 요인들은 산화 중 부피 증가로 인해 저장 용기가 파열되거나 피트가 변형될 수 있어 플루토늄 저장 시 문제를 야기한다.[44]
우발적이거나 설계상 채워진 중수소와 삼중수소에 의한 피트 오염은 수소화 부식을 일으킬 수 있다. 또한 대기 중 산소에 의한 부식 속도를 크게 가속화한다.[21] 중수소와 삼중수소는 또한 많은 재료에서 수소 취성을 유발한다.
부적절한 보관은 피트의 부식을 촉진할 수 있다. 팬텍스 시설에서 피트 보관에 사용된 AL-R8 컨테이너는 부식을 방지하기보다 오히려 촉진한다고 하며, 컨테이너 자체도 부식되는 경향이 있다. 피트에서 방출되는 붕괴열 또한 우려 사항이다. 보관 중인 일부 피트는 온도가 150 °C까지 올라갈 수 있으며, 많은 수의 피트를 보관하는 시설은 능동적인 냉각이 필요할 수 있다. 습도 조절 또한 피트 보관에 문제를 일으킬 수 있다.[45]
베릴륨 피복은 피트 세척에 사용되는 일부 용매에 의해 부식될 수 있다. 연구에 따르면 트라이클로로에틸렌(TCE)은 베릴륨 부식을 유발하지만 트라이클로로에테인(TCA)은 그렇지 않다.[46] 베릴륨 피복은 팬텍스 시설에 피트를 장기 보관할 때 중요한 우려 사항이다.
동위원소 구성 문제
피트 재료에 플루토늄-240이 존재하면 열과 중성자 생성이 증가하고 핵분열 효율이 떨어지며 조기 폭발 및 불발 위험이 커진다. 따라서 무기급 플루토늄은 플루토늄-240 함량이 7% 미만으로 제한된다. 초등급 플루토늄은 240 동위원소가 4% 미만이며, 승무원과 함께 선박이나 잠수함의 좁은 공간을 공유해야 하는 미 해군 무기 등 방사능이 우려되는 시스템에 사용된다.
일반적으로 무기급 플루토늄의 약 0.5%를 구성하는 플루토늄-241은 강력한 감마선 방출체인 아메리슘-241로 붕괴된다.[출처 필요] 몇 년이 지나면 아메리슘이 플루토늄 금속 내에 축적되어 감마선 활동이 증가하고 작업자에게 직업적 위험을 초래한다. 따라서 아메리슘은 새로 생산되거나 재처리된 플루토늄에서 일반적으로 화학적으로 분리되어야 한다.[22] 그러나 1967년경 로키 플래츠 공장은 비용을 절감하고 생산성을 높이기 위해 이 분리 공정을 중단하고 오래된 아메리슘 함유 피트를 최대 80%까지 주조 공장에 직접 혼합했으며, 이는 작업자의 감마선 노출을 증가시켰다.[31]
노화 문제
금속 플루토늄, 특히 플루토늄-갈륨 합금 형태는 주로 부식과 자가 방사선 조사라는 두 가지 메커니즘에 의해 열화된다.
매우 건조한 공기 중에서 플루토늄은 높은 화학적 반응성에도 불구하고 산화 플루토늄(IV) 부동태화 층을 형성하여 부식을 연간 약 200나노미터로 늦춘다. 그러나 습한 공기 중에서는 이 부동태화 층이 파괴되어 부식이 실온에서 200배(0.04 mm/년), 100 °C에서는 100,000배(20 mm/년) 더 빠르게 진행된다. 플루토늄은 물에서 산소를 빼앗고 방출된 수소를 흡수하여 수소화 플루토늄을 형성한다. 수소화물 층은 시간당 최대 20 cm까지 성장할 수 있어 얇은 껍질의 경우 거의 즉각적으로 형성되는 것으로 간주될 수 있다. 물이 있으면 이산화 플루토늄은 최대 PuO2.26까지 과화학양론적 상태가 된다. 플루토늄 칩은 자연 발화할 수 있다; 메커니즘은 Pu2O3 층이 형성된 후 급격히 PuO2로 산화되며, 방출된 열은 열 질량이 낮은 작은 입자를 자연 발화 온도(약 500 °C)까지 올리기에 충분하다.
자가 방사선 조사는 플루토늄이 알파 붕괴를 겪으면서 발생한다. 붕괴하는 플루토늄-239 원자는 알파 입자와 우라늄-235 핵을 방출한다. 알파 입자는 5 MeV 이상의 에너지를 가지며 금속 격자 내에서 약 10 마이크로미터의 범위를 갖는다; 그 후 멈추고 근처 원자에서 두 개의 전자를 얻어 헬륨 원자가 된다. 오염 물질인 플루토늄-241은 베타 붕괴하여 아메리슘-241이 되고, 이는 다시 알파 붕괴하여 넵투늄-237이 된다.
알파 입자는 대부분의 에너지를 전자에게 잃으며, 이는 재료를 가열하는 것으로 나타난다. 더 무거운 우라늄 핵은 약 85 keV의 에너지를 가지며 그중 약 4분의 3이 원자 변위의 연쇄 반응으로 축적된다; 우라늄 핵 자체는 격자 내에서 약 12나노미터의 범위를 갖는다. 이러한 각 붕괴 이벤트는 약 20,000개의 다른 원자에 영향을 미치며, 그중 90%는 격자 위치에 머물며 열적으로만 들뜨고 나머지는 변위되어 약 2500개의 프렌켈 결함 쌍을 형성하고 수 피코초 동안 지속되는 국부적인 열 스파이크를 발생시켜 새로 형성된 결함이 재결합하거나 이동하게 한다. 일반적인 무기급 벌크 재료에서는 각 원자가 평균적으로 10년에 한 번씩 변위된다.
어닐링이 거의 일어나지 않는 극저온에서 플루토늄의 α-상은 자가 방사선 조사 중에 팽창하고(부풀어 오르고), δ-상은 현저하게 수축하며, β-상은 약간 수축한다. 전기 저항이 증가하는데, 이는 격자 내 결함의 증가를 나타낸다. 세 가지 상 모두 충분한 시간이 지나면 밀도가 평균 18.4 g/cm3인 비정질 유사 상태로 수렴한다. 그러나 상온에서는 대부분의 손상이 어닐링되어 사라진다; 200K 이상에서는 공공(vacancies)이 이동하기 시작하고 약 400K에서는 침입형 원자와 공공의 클러스터가 재결합하여 손상을 치유한다. 비극저온 온도에서 보관된 플루토늄은 40년 이상 지난 후에도 주요 거시적 구조 변화의 징후를 보이지 않는다.
50년 동안 보관된 후, 일반적인 샘플은 2000 ppm의 헬륨, 3700 ppm의 아메리슘, 1700 ppm의 우라늄, 300 ppm의 넵투늄을 포함한다. 1kg의 재료에는 200 cm3의 헬륨이 포함되어 있으며, 이는 동일한 빈 부피에서 3기압의 압력에 해당한다. 헬륨은 공공과 유사하게 격자를 통해 이동하며 공공에 갇힐 수 있다. 헬륨이 차지한 공공은 합쳐져 기포를 형성하고 팽창을 유발할 수 있다. 그러나 기포 팽창보다는 보이드(void) 팽창이 더 일어날 가능성이 높다.[47]
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생산 및 사찰
방사선 식별 시스템은 핵무기 사찰을 위해 개발된 여러 방법 중 하나이다. 이를 통해 핵무기의 신원을 확인하고 상태를 검증할 수 있는 지문을 확보할 수 있다. 고해상도 게르마늄 검출기를 사용한 감마 분광법 등 다양한 물리학적 방법이 사용된다. 스펙트럼의 870.7 keV 라인은 산소-17의 첫 번째 들뜬 상태에 해당하며, 샘플에 산화 플루토늄(IV)이 존재함을 나타낸다. 플루토늄의 나이는 플루토늄-241과 그 붕괴 생성물인 아메리슘-241의 비율을 측정하여 확인할 수 있다.[48] 그러나 감마 스펙트럼의 수동적 측정조차도 플루토늄의 동위원소 구성과 같은 기밀 사항을 특성화할 수 있기 때문에 국제 무기 사찰에서 논쟁의 여지가 있는 문제가 될 수 있다.
1954년부터 1989년까지 미국 무기용 피트는 로키 플래츠 공장에서 생산되었으나, 수많은 안전 문제로 인해 공장이 폐쇄되었다. 미국 에너지부는 그곳에서 피트 생산을 재개하려 했으나 반복해서 실패했다. 1993년 에너지부는 베릴륨 생산 작업을 폐쇄된 로키 플래츠 공장에서 로스앨러모스 국립 연구소로 이전했으며, 1996년에는 피트 생산도 그곳으로 이전했다.[49] 예비 및 잉여 피트와 해체된 핵무기에서 회수된 피트 등 총 12,000개 이상이 팬텍스 공장에 보관되어 있다.[21] 이 중 약 15톤의 플루토늄에 해당하는 5,000개는 전략적 예비물자로 지정되어 있으며, 나머지는 폐기될 잉여물자이다.[50] 현재 LANL의 신규 피트 생산량은 연간 약 20개로 제한되어 있으나, NNSA는 신뢰성 대체 탄두 프로그램을 위해 생산량 증대를 추진하고 있다. 그러나 미 의회는 반복적으로 자금 지원을 거부했다.
2010년경까지 로스앨러모스 국립 연구소는 연간 10~20개의 피트를 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있었다. 화학 및 야금 연구 대체 시설(CMMR)이 이 능력을 확장할 것이지만, 얼마나 확장될지는 알려지지 않았다. 2008년 이전에 작성된 국방분석연구원 보고서는 "CMMR에서 연간 125개의 피트 생산 요구 사항이 있으며, 급증 시 200개까지 가능"할 것으로 추정했다.[51]
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재활용
해체된 피트에서 플루토늄을 회수하는 것은 기계적 방법과 화학적 방법 등 다양한 수단으로 달성할 수 있다. 수소화물 방법이 일반적으로 사용된다; 피트를 반으로 자르고, 피트의 절반을 밀폐된 장치 내의 깔때기와 도가니 위에 안쪽이 아래로 향하게 놓은 뒤 공간에 수소를 주입한다. 수소는 플루토늄과 반응하여 수소화 플루토늄을 생성하고, 이는 깔때기와 도가니로 떨어져 수소를 방출하며 녹는다. 플루토늄은 질화물이나 산화물로 전환될 수도 있다. 사실상 모든 플루토늄을 이 방법으로 피트에서 제거할 수 있다. 이 과정은 피트의 구조와 합금 성분의 다양성, 그리고 복합 우라늄-플루토늄 피트의 존재로 인해 복잡해진다. 무기급 플루토늄은 또한 무기 재사용을 막기 위해 동위원소 구성을 충분히 변경하도록 다른 물질과 혼합되어야 한다.
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같이 보기
참고사항
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