¿Era posible que Little Boy hubiera predetonado y estallado?

En el proyecto de Manhattan, originalmente planearon usar plutonio para su bomba tipo pistola y le dieron al diseño el nombre de "Thin Man". Sin embargo, más tarde se determinó que el Pu-239 criado en reactores inevitablemente estaría contaminado con Pu-240, cuya alta tasa de fisión espontánea habría causado que una bomba tipo arma de fuego predetone y se esfume, liberando solo una pequeña porción de su energía, a menos que los dos las piezas de plutonio debían juntarse a velocidades impracticablemente altas y habrían requerido un cañón demasiado largo para caber en cualquier bombardero. Como tal, cambiaron el desarrollo de bombas tipo pistola para usar el U-235, lo que eventualmente daría como resultado Little Boy, mientras que el uso de plutonio se limitó a armas de tipo implosión y fue el material fisible utilizado en Trinity y Fat Man.

La lógica detrás de la inutilización de Thin Man era que las impurezas Pu-240 tenían una alta tasa de fisión espontánea y producían neutrones rápidos con cada fisión espontánea. Estos neutrones podrían desencadenar una reacción nuclear en cadena cuando las dos piezas de plutonio estuvieran lo suficientemente cerca como para constituir una masa crítica, pero antes de que alcanzaran su posición óptima. La energía de esta reacción haría estallar las dos piezas de plutonio y terminaría rápidamente la reacción antes de que más de una pequeña fracción del plutonio se hubiera fisionado, produciendo una chispa que habría liberado una cantidad de energía impresionante para los estándares de los explosivos químicos, pero muy por debajo de los kilotones de una detonación adecuada.

Sin embargo, el U-235, el material utilizado en Little Boy, también se somete a fisión espontánea y libera neutrones, aunque a un ritmo mucho menor, ya que tiene una probabilidad mucho menor de desintegrarse por fisión espontánea y una vida media mucho más larga que produce desintegraciones de cualquier tipo. mucho menos frecuente que en el plutonio.

Mi pregunta es, ¿era posible que Little Boy, o para el caso cualquier arma tipo pistola U-235, sufriera el mismo tipo de predetonación y silbido que hizo que Thin Man no fuera viable si tuvieran la mala suerte de tener un átomo U-235? se someten a una fisión espontánea durante la ventana en la que las dos masas de uranio están lo suficientemente cerca como para sostener una reacción en cadena pero no han alcanzado la configuración en la que dicha reacción dividiría la mayor cantidad de átomos y liberaría la mayor cantidad de energía?

No es que la fisión espontánea en estas cantidades de material sea algo que active o desactive. Sucede todo el tiempo de todos modos, a un ritmo conocido. La fluctuación estadística es conocida, pequeña y calculable. Así que no es que un solo neutrón haga más o menos alguna diferencia. Requeriría una desviación estadística "grande", y eso es "muy" improbable.

Respuestas (3)

En el Little Boy, la fisión espontánea dentro del U-235 estaba ocurriendo continuamente, pero las dos piezas del U-235 fueron diseñadas cuidadosamente para ser subcríticas, es decir, fueron moldeadas deliberadamente y separadas tanto que los neutrones liberados por reacción espontánea. Las fisiones escaparon de la mayor parte del U-235 sin desencadenar más fisiones, evitando así una reacción en cadena descontrolada y una explosión prematuras. También se formaron deliberadamente para que cuando el arma los ensamblara, la forma y el tamaño resultantes de la masa del U-235 seguramente serían críticos.

En este esfuerzo, los diseñadores de la bomba fueron ayudados por el hecho de que el U-235 que había sido purificado de la mezcla U-235/U-238 no tenía contaminantes que tuvieran índices de fisión espontánea lo suficientemente altos como para descartar la factibilidad de la bomba. diseño de armas Tenían tanta confianza en su diseño que consideraron innecesario probar el Little Boy, por lo que la primera vez que explotó un diseño de Little Boy fue cuando se dejó caer en Hiroshima.

Soy consciente de que las piezas individuales de uranio eran subcríticas, pero lo mismo ocurría con el diseño de Thin Man, el problema era que cuando las dos piezas se juntaban había una breve ventana en la que estaban lo suficientemente cerca como para constituir una masa crítica pero no sin embargo, en sus posiciones finales, durante este tiempo, los neutrones perdidos del Pu-240 podrían desencadenar una reacción prematura y hacer estallar la bomba antes de que pudiera producir suficiente energía. Mi pregunta es si los diseños tipo pistola de uranio tienen esa misma ventana y si podrían predetonar si se generara un neutrón extraviado durante ese cuadro.
Los experimentos de criticidad incluyeron los efectos de los neutrones perdidos de los rayos cósmicos, etc.; todo esto se incluyó en la determinación de la masa crítica para el U-235. Recomiendo el libro de Serber, The Los Alamos Primer, que aborda esto con considerable detalle.
Entonces, ¿por qué era inviable el plutonio si se podía tratar con los neutrones perdidos? ¿La cantidad de neutrones espontáneos marcó alguna diferencia? Pensé que un solo neutrón era todo lo que se necesitaba para iniciar una reacción en cadena.
No, un solo neutrón no es suficiente. Ese neutrón también debe quedar atrapado dentro del núcleo de la bomba y no debe permitirse que escape sin crear más fisiones. No se pudo tratar con Pu porque, como usted señaló, la contaminación con Pu-240 elevó tanto la tasa de generación de neutrones que el método del cañón fallaría antes de que se pudiera reunir una masa crítica. ¿Entiendes el concepto de masa crítica? ¿Has leído el libro de Serber?
No he leído el libro de Serber pero entiendo la masa crítica. El problema con el plutonio no era cuando las masas eran subcríticas, sino cuando las 2 piezas de plutonio estaban lo suficientemente cerca como para ser una masa crítica, incluso si todavía había una ligera separación entre ellas, los neutrones perdidos desencadenaron una reacción en cadena en esta etapa. y voló la bomba antes de tiempo. Incluso en los fiascos debe haber una masa crítica y una reacción nuclear en cadena, aunque sea subóptima. Me pregunto si podría pasar lo mismo con el U-235 si las 2 piezas están casi pero no del todo en posición y se genera un neutrón perdido.
El libro de Serber probablemente responderá a sus preguntas. El problema clave aquí es que se necesita una cantidad finita de tiempo para que una reacción en cadena se complete y una cantidad finita de tiempo para que el arma reúna la masa crítica. El diseño ingenioso permite que el proceso de ensamblaje se complete lo suficientemente rápido como para que no haya tiempo para que la reacción en cadena comience antes, incluso con un fondo de neutrones dispersos, lo que elimina la posibilidad de una falla.

Dentro de un tiempo determinado, la probabilidad de fisión espontánea de la composición isotópica del uranio en un arma es muy baja en comparación con la probabilidad de fisión espontánea de la composición isotópica del plutonio en un arma. Se aceptó el tiempo de ensamblaje más lento para un arma tipo cañón U en función de la baja probabilidad de preencendido debido a la fisión espontánea. Para un arma de Pu, la probabilidad de preignición es demasiado alta para el conjunto de tipo pistola más lento, por lo que se desarrolló el diseño de implosión impulsado por explosivos más rápido. Existe una pequeña probabilidad de que se produzca una efervescencia debido a la preignición por fisión espontánea tanto para las armas U como para las Pu.

La composición isotópica del plutonio en un arma incluye Pu-240 que tiene una tasa relativamente alta de fisión espontánea. La presencia de Pu-240 es inevitable para el Pu producido en un reactor nuclear. Los reactores de producción de Pu en Hanford y Savannah River utilizaron tiempos de exposición relativamente cortos para el combustible antes de retirarlo para su reprocesamiento para recuperar el Pu, a fin de evitar una acumulación excesiva de Pu-240.

A diferencia de la U en un arma que está altamente enriquecida, y por lo tanto "purificada", el Pu recuperado del reprocesamiento no está enriquecido, por lo que el Pu-240 no se elimina antes de su uso en un arma.

Además, las vidas medias de Pu-239 y Pu-240 son mucho más pequeñas que las de U-235 (y U-238), y la tasa de fisión espontánea en Pu-240 es ~ 87 millones de veces mayor que la de U -235.
Si gracias. Wikipedia tiene información útil sobre "fisión espontánea".

Sí, de hecho era posible que Little Boy hubiera predetonado. El problema no es tanto la fisión espontánea del U235, sino que casi el 20% del uranio seguía siendo U238. Citando a Carey Sublette de Nuclear Weapons Archive:

"En Little Boy se alcanzó una configuración crítica cuando el proyectil y el objetivo todavía estaban a 25 cm de distancia. La velocidad de inserción fue de 300 m/s, lo que da un tiempo de inserción total de 1,35 milisegundos.

Los largos tiempos de inserción como este imponen serias limitaciones a los materiales que se pueden usar en la bomba, ya que es esencial mantener muy bajos los niveles de fondo de neutrones. El plutonio está totalmente excluido, solo se pueden utilizar U-235 y U-233. Ciertos diseños también pueden ser algo sensibles a la composición isotópica del uranio. Los altos porcentajes de isótopos pares pueden hacer que la probabilidad de predetonación sea inaceptablemente alta.

Los 64 kg de uranio en Little Boy tenían una pureza isotópica de alrededor del 80% U-235. Los 12,8 kg de U-238 y U-234 produjeron un fondo de neutrones de alrededor de 1 fisión/14 milisegundos, lo que le dio a Little Boy una probabilidad de predetonación del 8-9%. A diferencia de la bomba Fat Man, la predetonación en una bomba tipo Little Boy daría como resultado un rendimiento insignificante en casi todos los casos".

¿Era posible que Little Boy hubiera predetonado y estallado?
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