¿Cómo daña la contaminación Pu-240 cualquier arma nuclear potencial tipo pistola Pu-239?

Answer 1

Pu-240 tiene una tasa relativamente alta de fisión espontánea. [1] Esto aumenta la tasa de producción de neutrones, en comparación con una cantidad hipotética de Pu-239 puro. Esos “exceso de neutrones” resultan en fisión inducida en átomos cercanos.

Para producir una explosión de fisión, el núcleo de la bomba debe ensamblarse en una masa supercrítica. La masa apretada de material fisionable asegura que los neutrones producidos por la fisión colisionen con suficientes átomos para no solo mantener una reacción en cadena sino también para aumentar la velocidad de reacción exponencialmente. Tan pronto como comienza la explosión, el proceso comienza a desgarrar el núcleo. Esto dispersa el material fisible y pronto detiene la reacción en cadena.

La situación ideal sería no tener fisión espontánea, por lo que los neutrones se producen solo cuando el núcleo alcanza la masa supercrítica requerida. Eso es imposible, por lo que el proceso de ensamblaje crítico debe ser tan rápido que la fisión espontánea es insignificante.

En un arma de tipo arma, dos masas subcríticas de material fisionable se unen para formar una masa supercrítica. En el caso de Little Boy y el Thin Man abandonado, esto se hizo disparando un proyectil fisible en un cilindro hueco de material fisible. Usando ese proceso mecánico, el ensamblaje crítico fue mucho más lento de lo que hubiera sido con implosión.

Con U-235, la tasa de fisión espontánea fue muy baja, por lo que el proceso crítico de ensamblaje no tuvo que ser rápido. Es decir, la velocidad del ensamblaje tipo pistola fue lo suficientemente rápida como para que la fisión espontánea en el núcleo del U-235 no importara.

Pu-239 tiene una tasa de fisión espontánea más alta que U-235. Eso solo hizo que el ensamblaje tipo pistola fuera problemático [3]. La tasa muy alta de fisión espontánea causada por la contaminación con Pu-240 hizo que fuera imposible reducir el tiempo crítico de ensamblaje a algo que una pistola pudiera lograr [4].

Quitar el Pu-240 ni siquiera se contempló. En ese momento, las técnicas para separar U-235 y U-238 no habían sido perfeccionadas. Separar dos isótopos aún más cercanos en masa habría sido un problema aún peor. La única solución que quedaba era la implosión.

Una vez que las instalaciones de enriquecimiento del U-235 funcionaban correctamente, construir Little Boy parecía un movimiento prudente. La bomba tipo pistola era muy simple, y estaba casi garantizado que funcionara. [5] La implosión, por otro lado, era una técnica no probada.

——-
[1] La fisión espontánea ocurre al azar, sin ser activada por la absorción de un neutrón. Esto ocurre en elementos muy pesados: uranio y más pesados.

[2] Ten cuidado de no confundir este núcleo de alta velocidad con la tarea de armar el arma en un taller.

[3] Por lo que he podido leer, un arma tipo arma podría haber sido posible con el Pu-239 isotópicamente puro. No he podido confirmar esto.

[4] O, al menos, en un arma simple tipo pistola como Little Boy. Bien podría haber armas de tipo pistola muy avanzadas ahora, pero no he leído nada.

[5] De hecho, ese era el verdadero problema con Little Boy. Había un riesgo terrible de una explosión nuclear accidental una vez que el proyectil U-235 fue instalado en el cañón.

Answer 2

Cualquier persona interesada en las armas nucleares debe leer todo el sitio NWFAQ que tiene una discusión detallada de todos los temas no clasificados.

4.1 Elementos del diseño de armas de fisión

Una explosión de fisión óptimamente eficiente requiere que el desmontaje explosivo del núcleo ocurra cuando la tasa de multiplicación de neutrones (designada alfa) es máxima. Idealmente, la bomba estará diseñada para comprimir el núcleo a este estado (o cerca de él) antes de inyectar neutrones para iniciar la reacción en cadena. Si los neutrones entran en la masa después de la criticidad, pero antes de este tiempo ideal, el resultado es la predetonización (o preiniciación): desensamblaje a una tasa de multiplicación subóptima, produciendo un rendimiento reducido.
La importancia de este problema depende de la tasa de inserción de reactividad. Algo así como 45 intervalos de multiplicación deben transcurrir antes de que se liberen cantidades realmente significativas de energía. Antes de este punto, la predetonización no es posible. El número de estos intervalos que ocurren durante un período de tiempo se obtiene integrando alfa durante el período. Cuando alfa es efectivamente constante, es simplemente alpha * t.

Los largos tiempos de inserción como este ponen algunas limitaciones serias en los materiales que se pueden usar en la bomba, ya que es esencial mantener los niveles de fondo de neutrones muy bajos. El plutonio se excluye por completo, solo se pueden usar U-235 y U-233. Ciertos diseños pueden ser algo sensibles a la composición isotópica del uranio también. Los altos porcentajes de isótopos pares pueden hacer que la probabilidad de predetonización sea inaceptablemente alta.
Los 64 kg de uranio en Little Boy tenían una pureza isotópica de aproximadamente 80% de U-235. Los 12.8 kg de U-238 y U-234 produjeron un fondo de neutrones de alrededor de 1 fisión / 14 milisegundos, dando a Little Boy una probabilidad de predetonización de 8-9%. A diferencia de la bomba Fat Man, la predetonización en una bomba tipo Little Boy daría como resultado un rendimiento insignificante en casi todos los casos.
El problema de predetonización también evita el uso de un manipulador / reflector U-238 alrededor del núcleo. Una cantidad útil de U-238 (aproximadamente 200 kg) produciría un fondo de fisión de 1 fisión / 0.9 milisegundos.
Las armas tipo pistola son obviamente muy sensibles a la predetonación de otras explosiones nucleares en el campo de batalla. Sin endurecimiento, las armas de fuego no se pueden usar a unos pocos kilómetros de una explosión anterior durante al menos un minuto o dos.

Sección 8.0 Las primeras armas nucleares

A principios de marzo, se calcularon nuevas tolerancias para diversas impurezas de elementos ligeros en función de la producción de neutrones a partir de la reacción “alfa, n”. Los niveles fueron bastante conservadores, aunque el Pu-240 había impuesto fondos de neutrones unas 620 veces más altos de lo esperado originalmente, el fondo de neutrones del elemento de luz solo se elevó 62 veces, por lo que no sería un contribuyente significativo a la emisión de neutrones. Pronto se notó que estos límites establecen el contenido máximo de aluminio en 0.5% (molar), haciendo que la única aleación candidata estable delta sea inaceptable. Pronto se realizaron pruebas con el siguiente vecino químicamente similar más pesado del aluminio, el galio. En abril, se desarrolló y probó la aleación de galio al 3% y, por lo tanto, ofreció una solución rápida al problema de fabricación de plutonio.