วัสดุนิวเคลียร์เกรดอาวุธ คือวัสดุนิวเคลียร์ ที่สามารถแตกตัวได้ ซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงพอที่จะใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์และมีคุณสมบัติที่เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการนำไปใช้เป็นอาวุธนิวเคลียร์ ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดคือ พลูโทเนียมและยูเรเนียมในเกรดที่ใช้กันทั่วไปในอาวุธนิวเคลียร์ (วัสดุนิวเคลียร์เหล่านี้มีการแบ่งประเภทอื่นๆตามความบริสุทธิ์ของมัน)

เฉพาะไอโซโทป ที่สามารถ แตกตัว ได้ ของธาตุบางชนิดเท่านั้นที่มีศักยภาพในการนำไปใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ สำหรับการใช้งานดังกล่าว ความเข้มข้นของไอโซโทปยูเรเนียม-235และพลูโทเนียม-239ในธาตุที่ใช้จะต้องสูงเพียงพอ ยูเรเนียมจากแหล่งธรรมชาติจะถูกทำให้เข้มข้นขึ้นโดยการแยกไอโซโทปและพลูโทเนียมจะถูกผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ เหมาะสม

มีการทดลองกับยูเรเนียม-233 (วัสดุฟิสไซล์ที่เป็นหัวใจสำคัญของวงจรเชื้อเพลิงทอเรียม ) เนปทูเนียม-237และไอโซโทปบางส่วนของอะเมริเซียมอาจใช้งานได้ แต่ยังไม่ชัดเจนว่าเคยมีการนำไปใช้จริงหรือไม่ สารเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของแอคติไนด์รองในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว^{[ 6 ]}

วัสดุนิวเคลียร์เกรดอาวุธใด ๆ จะต้องมีมวลวิกฤตที่น้อยพอที่จะ justifies การนำไปใช้ในอาวุธ มวลวิกฤตสำหรับวัสดุใด ๆ คือปริมาณที่น้อยที่สุดที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ยั่งยืน ยิ่งไปกว่านั้นไอโซโทป ที่แตกต่างกัน มีมวลวิกฤตที่แตกต่างกัน และมวลวิกฤตสำหรับไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนมากเป็นอนันต์ เนื่องจากโหมดการสลายตัวของอะตอมหนึ่งไม่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการสลายตัวที่คล้ายกันของอะตอมข้างเคียงได้มากกว่าหนึ่งอะตอม ตัวอย่างเช่น มวลวิกฤตของยูเรเนียม-238เป็นอนันต์ ในขณะที่มวลวิกฤตของยูเรเนียม-233และยูเรเนียม-235มีค่าจำกัด

มวลวิกฤตสำหรับไอโซโทปใดๆ จะได้รับอิทธิพลจากสิ่งเจือปนและรูปร่างทางกายภาพของวัสดุ รูปร่างที่มีมวลวิกฤตน้อยที่สุดและมิติทางกายภาพที่เล็กที่สุดคือทรงกลม มวลวิกฤตของทรงกลมเปล่าที่ความหนาแน่นปกติของแอคติไนด์ บางชนิด แสดงอยู่ในตารางที่แนบมาด้วย ข้อมูลส่วนใหญ่เกี่ยวกับมวลของทรงกลมเปล่าเป็นข้อมูลลับ แต่เอกสารบางฉบับได้รับการเปิดเผยแล้ว^{[ 7 ]}

อย่างน้อยสิบประเทศได้ผลิตวัสดุนิวเคลียร์เกรดอาวุธ: ^{[ 19 ]}

• ภายใต้สนธิสัญญาไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ (NPT) มี 5 ประเทศที่ได้รับการยอมรับว่าเป็น " รัฐที่มีอาวุธนิวเคลียร์ " ได้แก่ สหรัฐอเมริกา ( ทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรกและใช้ระเบิด 2 ลูกในปี 1945 ) รัสเซีย ( ทดสอบอาวุธครั้งแรกในปี 1949 ) สหราชอาณาจักร ( 1952 ) ฝรั่งเศส ( 1960 ) และจีน ( 1964 )
• รัฐที่มีอาวุธนิวเคลียร์อีกสามรัฐที่ไม่ได้ลงนามในสนธิสัญญาไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ (NPT) ได้แก่อินเดีย (ไม่ได้ลงนาม แต่ทดสอบอาวุธในปี 1974 ) ปากีสถาน (ไม่ได้ลงนาม แต่ทดสอบอาวุธในปี 1998 ) และเกาหลีเหนือ (ถอนตัวจาก NPT ในปี 2003 และทดสอบอาวุธในปี 2006 )
• อิสราเอลซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าได้พัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ (น่าจะทดสอบครั้งแรกในทศวรรษ 1960 หรือ 1970) แต่ยังไม่ได้ประกาศความสามารถดังกล่าวอย่างเปิดเผย
• แอฟริกาใต้ซึ่งเคยมีศักยภาพในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมและพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ (อาจมีการทดสอบในปี 1979 ) แต่ได้ปลดประจำการอาวุธนิวเคลียร์และเข้าร่วมสนธิสัญญาไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ (NPT) ในปี 1991

ยูเรเนียมธรรมชาติถูกทำให้เป็นเกรดอาวุธผ่านการเสริมสมรรถนะไอโซโทปในขั้นต้นมีเพียงประมาณ 0.7% เท่านั้นที่เป็นยูเรเนียม-235 ที่สามารถแตกตัวได้ ส่วนที่เหลือเกือบทั้งหมดเป็น ยูเรเนียม-238 (U-238) โดยแยกออกจาก กัน ตาม มวลที่แตกต่างกันยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงถือว่าเป็นเกรดอาวุธเมื่อมีการเสริมสมรรถนะจนมี U-235 ประมาณ 90% ^{[ 20 ]}

U-233 ผลิตจากทอเรียม-232โดย การ จับนิวตรอน^{[ 21 ]} U-233 ที่ผลิตได้จึงไม่จำเป็นต้องเสริมสมรรถนะ และสามารถแยกออกจาก Th-232 ที่เหลืออยู่ได้ค่อนข้างง่ายด้วยวิธีการทางเคมี ดังนั้นจึงถูกควบคุมในฐานะวัสดุนิวเคลียร์พิเศษ โดยพิจารณา จากปริมาณรวมที่มีอยู่เท่านั้น U-233 อาจถูกผสมลดปริมาณลงโดยเจตนากับ U-238 เพื่อขจัดข้อกังวลเกี่ยวกับการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์^{[ 22 ]}

แม้ว่า U-233 จะดูเหมือนเหมาะสำหรับการผลิตอาวุธ แต่สิ่งกีดขวางที่สำคัญต่อเป้าหมายนั้นคือการผลิตยูเรเนียม-232 ในปริมาณเล็กน้อยร่วม ด้วยเนื่องจากปฏิกิริยาข้างเคียง อันตรายจาก U-232 ซึ่งเป็นผลมาจากผลิตภัณฑ์การสลายตัวที่มีกัมมันตรังสีสูง เช่นแทลเลียม-208นั้นมีนัยสำคัญแม้ที่ 5 ส่วนต่อล้านอาวุธนิวเคลียร์แบบระเบิดภายในต้องการระดับ U-232 ต่ำกว่า 50 PPM (ซึ่งสูงกว่านั้น U-233 จะถือว่าเป็น "เกรดต่ำ" ดู "พลูโทเนียมเกรดอาวุธมาตรฐานต้องการ ปริมาณ Pu-240ไม่เกิน 6.5%" ซึ่งเท่ากับ 65,000 PPM และPu-238 ที่เทียบเคียงกัน นั้นผลิตได้ในระดับ 0.5% (5000 PPM) หรือน้อยกว่า) อาวุธฟิสชั่นแบบปืนจะต้องการระดับ U-232 ต่ำและระดับสิ่งเจือปนเบาในระดับต่ำประมาณ 1 PPM ^{[ 23 ]}

Pu-239 ผลิตขึ้นโดยเทียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เมื่อนิวตรอนถูกดูดซับโดย U-238 ก่อให้เกิด U-239 ซึ่งจากนั้นจะสลายตัวอย่างรวดเร็วในกระบวนการสองขั้นตอนกลายเป็น Pu-239 ^{[ 24 ]}จากนั้นสามารถแยกออกจากยูเรเนียมได้ในโรงงานแปรรูปนิวเคลียร์^{[ 25 ]}

พลูโทเนียมเกรดอาวุธถูกกำหนดให้เป็นPu-239 เป็นหลัก โดยทั่วไปประมาณ 93% Pu-239 ^{[ 26 ]} Pu-240 เกิดขึ้นเมื่อ Pu-239 ดูดซับนิวตรอนเพิ่มเติมและไม่เกิดการแตกตัว Pu-240 และ Pu-239 ไม่สามารถแยกออกจากกันได้ด้วยกระบวนการแปรรูป Pu-240 มีอัตราการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเอง สูง ซึ่งอาจทำให้เกิดการระเบิดก่อนกำหนดของอาวุธนิวเคลียร์ ทำให้เกิดเสียงฟู่ฟ่าดังนั้นพลูโทเนียมจึงไม่เหมาะสมสำหรับการใช้ในอาวุธนิวเคลียร์แบบปืนเพื่อลดความเข้มข้นของ Pu-240 ในพลูโทเนียมที่ผลิตได้ เครื่องปฏิกรณ์การผลิตพลูโทเนียมในโครงการอาวุธ (เช่นเครื่องปฏิกรณ์ B ) จะฉายรังสียูเรเนียมเป็นเวลาสั้นกว่าปกติสำหรับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ กล่าวโดยละเอียด พลูโทเนียมเกรดอาวุธได้มาจากยูเรเนียมที่ฉายรังสี จน มี การเผาไหม้ต่ำ

นี่แสดงถึงความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองประเภทนี้ ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การเผาไหม้เชื้อเพลิงในระดับสูงเป็นสิ่งที่พึงปรารถนา โรงไฟฟ้าเช่นเครื่อง ปฏิกรณ์ Magnox ของอังกฤษที่ล้าสมัย และ เครื่องปฏิกรณ์ UNGG ของฝรั่งเศส ซึ่งออกแบบมาเพื่อผลิตไฟฟ้าหรือวัสดุสำหรับอาวุธนั้น ทำงานที่ระดับกำลังไฟฟ้าต่ำ โดยมีการเปลี่ยนเชื้อเพลิงบ่อยครั้งโดยใช้การเติมเชื้อเพลิงแบบออนไลน์เพื่อผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธ การทำงานแบบนั้นเป็นไปไม่ได้กับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตไฟฟ้า ในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ ต้องปิดเครื่องปฏิกรณ์และถอดชิ้นส่วนภาชนะรับแรงดันเพื่อเข้าถึงเชื้อเพลิงที่ผ่านการฉายรังสี

พลูโทเนียมที่กู้คืนจากเชื้อเพลิงใช้แล้วของ LWR แม้จะไม่ใช่เกรดอาวุธ แต่ก็สามารถใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้ทุกระดับความซับซ้อน^{[ 27 ]}แม้ว่าในการออกแบบที่เรียบง่ายอาจให้ผลผลิตเพียงเล็กน้อย[ 28 ^{]อาวุธที่}ทำจากพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์จะต้องใช้การระบายความร้อนแบบพิเศษเพื่อเก็บรักษาและพร้อมใช้งาน^{[ 29 ]} การทดสอบในปี 1962 ที่ US Nevada National Security Site (ซึ่งในขณะนั้นรู้จักกันในชื่อ Nevada Proving Grounds) ใช้พลูโทเนียมที่ไม่ใช่เกรดอาวุธที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์ Magnox ในสหราชอาณาจักร พลูโทเนียมที่ใช้นั้นจัดหาให้กับสหรัฐอเมริกาภายใต้ข้อตกลงป้องกันร่วมกันระหว่างสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักรปี 1958องค์ประกอบไอโซโทปของมันไม่ได้ถูกเปิดเผย นอกเหนือจากคำอธิบายว่าเกรดเครื่องปฏิกรณ์และไม่ได้เปิดเผยว่าใช้คำจำกัดความใดในการอธิบายวัสดุนี้^{[ 30 ]}เห็นได้ชัดว่าพลูโทเนียมมาจากเครื่องปฏิกรณ์ Magnox ที่ Calder Hall หรือ Chapelcross ปริมาณของ Pu-239 ในวัสดุที่ใช้สำหรับการทดสอบในปี พ.ศ. 2505 ไม่ได้ถูกเปิดเผย แต่มีการอนุมานว่ามีอย่างน้อย 85% ซึ่งสูงกว่าเชื้อเพลิงใช้แล้วทั่วไปจากเครื่องปฏิกรณ์ที่กำลังดำเนินการอยู่ในปัจจุบันมาก^{[ 31 ]}

ในบางครั้ง โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบน้ำเบาเชิงพาณิชย์อาจผลิตเชื้อเพลิงใช้แล้วที่มีการเผาไหม้ต่ำ เมื่อเกิดเหตุการณ์ไม่คาดฝัน เช่น ความเสียหายของปลอกหุ้มเชื้อเพลิง ซึ่งทำให้ต้องเติมเชื้อเพลิงก่อนกำหนด หากระยะเวลาการฉายรังสีสั้นเพียงพอ เชื้อเพลิงใช้แล้วนี้สามารถนำไปแปรรูปใหม่เพื่อผลิตพลูโทเนียมเกรดอาวุธได้

• พลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์และเกรดอาวุธในวัตถุระเบิดนิวเคลียร์กลุ่มพันธมิตรแคนาดาเพื่อความรับผิดชอบด้านนิวเคลียร์
• อาวุธนิวเคลียร์และพลูโทเนียมจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เก็บถาวรเมื่อวันที่ 16 มีนาคม 2007 ที่Wayback MachineโดยAmory B. Lovins , 28 กุมภาพันธ์ 1980, Nature , Vol. 283, No. 5750, pp. 817–823
• การ์วิน, ริชาร์ด แอล. (1999). "วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์: การแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีประโยชน์หรือไม่?"ใน บี. ฟาน เดอร์ ซวาน (บรรณาธิการ). พลังงานนิวเคลียร์ . เวิลด์ ไซเอนซ์. หน้า 144. ISBN 978-981-02-4011-0แต่ไม่มีข้อสงสัยเลยว่าพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ที่ได้จากการแปรรูปเชื้อเพลิง ใช้แล้วของเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ( LWR ) สามารถนำไปใช้ผลิตอาวุธนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพสูงและน่าเชื่อถือสูงได้อย่างง่ายดาย ดังที่ได้อธิบายไว้ในเอกสาร ของคณะกรรมการความมั่นคงระหว่างประเทศและการควบคุมอาวุธ (CISAC) ปี 1994