Aleación de plutonio y galio

La aleación de plutonio y galio ( Pu–Ga ) es una aleación de plutonio y galio que se utiliza en fosas de armas nucleares , el componente de un arma nuclear donde se inicia la reacción en cadena de fisión. Esta aleación se desarrolló durante el Proyecto Manhattan .

El plutonio metálico tiene varios alótropos sólidos diferentes . La fase δ es la menos densa y la más fácil de mecanizar. Se forma a temperaturas de 310–452 °C a presión ambiente (1 atmósfera) y es termodinámicamente inestable a temperaturas más bajas. Sin embargo, el plutonio se puede estabilizar en la fase δ al alearlo con una pequeña cantidad de otro metal. La aleación preferida es 3,0–3,5 mol.% (0,8–1,0 wt.%) de galio .

Pu–Ga tiene muchas ventajas prácticas: ^[1]

• estable entre −75 y 475 °C,
• expansión térmica muy baja ,
• baja susceptibilidad a la corrosión (4% de la tasa de corrosión del plutonio puro),
• Buena colabilidad; dado que el plutonio tiene la rara propiedad de que el estado fundido es más denso que el estado sólido, se reduce la tendencia a formar burbujas y defectos internos.

El Pu-Ga estabilizado en fase δ es dúctil y se puede laminar en láminas y mecanizar mediante métodos convencionales. Es adecuado para moldearlo mediante prensado en caliente a unos 400 °C. Este método se utilizó para formar los primeros pozos de armas nucleares.

Los metales preciosos más modernos se producen por fundición. Las pruebas subcríticas demostraron que el rendimiento del plutonio forjado y fundido es el mismo. ^{[2] [3]} Como solo la transición ε-δ ocurre durante el enfriamiento, la fundición de Pu-Ga es más fácil que la fundición de plutonio puro. ^[4]

La fase δ del Pu–Ga sigue siendo termodinámicamente inestable, por lo que existen preocupaciones sobre su comportamiento de envejecimiento. Existen diferencias sustanciales de densidad (y, por lo tanto, de volumen) entre las distintas fases. La transición entre la fase δ y la fase α del plutonio se produce a una temperatura baja de 115 °C y se puede alcanzar por accidente. La prevención de la transición de fase y las deformaciones mecánicas asociadas y el consiguiente daño estructural y/o pérdida de simetría es de importancia crítica. Por debajo del 4% molar de galio, el cambio de fase inducido por la presión es irreversible.

Sin embargo, el cambio de fase es útil durante el funcionamiento de un arma nuclear. Al iniciarse la reacción, se generan enormes presiones, del orden de cientos de gigapascales. En estas condiciones, la fase δ Pu–Ga se transforma en la fase α, que es un 25% más densa y, por lo tanto, más crítica .

El plutonio en su fase α tiene una simetría interna baja, causada por enlaces desiguales entre los átomos, más parecidos (y comportándose como) una cerámica que un metal . La adición de galio hace que los enlaces se vuelvan más uniformes, aumentando la estabilidad de la fase δ. ^[5] Los enlaces de la fase α están mediados por los electrones de la capa 5f , y pueden ser interrumpidos por el aumento de temperatura o por la presencia de átomos adecuados en la red que reducen el número disponible de electrones 5f y debilitan sus enlaces. ^[6] La aleación es más densa en estado fundido que en estado sólido, lo que plantea una ventaja para la fundición ya que se reduce la tendencia a formar burbujas y defectos internos. ^{[1] [7]}

El galio tiende a segregarse en el plutonio, lo que provoca la formación de "núcleos": centros de granos ricos en galio y límites de granos pobres en galio. Para estabilizar la red y revertir y evitar la segregación del galio, se requiere recocido a la temperatura justo por debajo de la transición de fase δ-ε, de modo que los átomos de galio puedan difundirse a través de los granos y crear una estructura homogénea. El tiempo necesario para lograr la homogeneización del galio aumenta con el aumento del tamaño de grano de la aleación y disminuye con el aumento de la temperatura. La estructura del plutonio estabilizado a temperatura ambiente es la misma que la del no estabilizado a la temperatura de la fase δ, con la diferencia de que los átomos de galio sustituyen al plutonio en la red fcc .

La presencia de galio en el plutonio indica que procede de plantas de fabricación de armas o de armas nucleares desmanteladas. La firma isotópica del plutonio permite entonces identificar de forma aproximada su origen, el método de fabricación, el tipo de reactor utilizado en su producción y el historial aproximado de la irradiación, así como compararlo con otras muestras, lo que es importante para la investigación del contrabando nuclear . ^[8]

Hay varios compuestos intermetálicos de plutonio y galio : PuGa, _Pu3Ga y _Pu6Ga .

Durante el envejecimiento de la aleación δ estabilizada, el galio se segrega de la red, formando regiones de Pu ₃ Ga (fase ζ') dentro de la fase α, con el correspondiente cambio dimensional y de densidad y la acumulación de tensiones internas. Sin embargo, la desintegración del plutonio produce partículas energéticas ( partículas alfa y núcleos de uranio-235 ) que causan una interrupción local de la fase ζ' y establecen un equilibrio dinámico con solo una cantidad modesta de fase ζ' presente, lo que explica el envejecimiento inesperadamente lento y elegante de la aleación. ^{[9] [10]} Las partículas alfa quedan atrapadas como átomos de helio intersticiales en la red, fusionándose en pequeñas burbujas llenas de helio (de aproximadamente 1 nm de diámetro) en el metal y causando niveles insignificantes de hinchazón por vacío; el tamaño de las burbujas parece ser limitado, aunque su número aumenta con el tiempo.

La adición de un 7,5 % en peso de plutonio-238 , que tiene una tasa de desintegración significativamente más rápida, a la aleación aumenta la tasa de daño por envejecimiento en 16 veces, lo que ayuda a la investigación sobre el envejecimiento del plutonio. La supercomputadora Blue Gene ayudó con las simulaciones de los procesos de envejecimiento del plutonio. ^[11]

Las aleaciones de plutonio se pueden producir añadiendo un metal al plutonio fundido. Sin embargo, si el metal de aleación es suficientemente reductor, el plutonio se puede añadir en forma de óxidos o haluros. Las aleaciones de plutonio-galio y plutonio-aluminio de fase δ se producen añadiendo fluoruro de plutonio(III) al galio o al aluminio fundidos, lo que tiene la ventaja de evitar el tratamiento directo con el metal plutonio altamente reactivo. ^[12]

Para el reprocesamiento de los restos de ojivas sobrantes en combustible MOX , la mayor parte del galio debe eliminarse ya que su alto contenido podría interferir con el revestimiento de las barras de combustible (el galio ataca al circonio ^[13] ) y con la migración de productos de fisión en las pastillas de combustible. En el proceso ARIES, los restos se convierten en óxido convirtiendo el material en hidruro de plutonio , luego opcionalmente en nitruro y luego en óxido. Luego, el galio se elimina en su mayor parte de la mezcla de óxido sólido calentándolo a 1100 °C en una atmósfera de 94% argón y 6% hidrógeno, lo que reduce el contenido de galio del 1% al 0,02%. Una mayor dilución del óxido de plutonio durante la fabricación del combustible MOX lleva el contenido de galio a niveles considerados insignificantes. También es posible una ruta húmeda de eliminación de galio, utilizando intercambio iónico . ^[14] La electrorrefinación es otra forma de separar el galio y el plutonio. ^[15]

Durante el Proyecto Manhattan (1942-1945), se calculó que la cantidad máxima de átomos de diluyente de plutonio para que no afectara la eficiencia de la explosión era de 5 mol %. Se consideraron dos elementos estabilizadores, el silicio y el aluminio . Sin embargo, solo el aluminio produjo aleaciones satisfactorias. Pero la tendencia del aluminio a reaccionar con partículas α y emitir neutrones limitó su contenido máximo a 0,5 mol %; se probó el siguiente elemento del grupo de elementos del boro , el galio, y se encontró que era satisfactorio. ^{[16] [17]} Los primeros secretos de diseño de la bomba atómica transmitidos a los soviéticos por el espía Klaus Fuchs incluían el truco del galio para estabilizar las fases del plutonio, y por lo tanto la primera bomba atómica soviética también utilizó esta aleación. ^[18]