¿Qué beneficios hubo para los EE. UU. de desarrollar bombas de uranio y plutonio en la Segunda Guerra Mundial?

Decir simplemente que querían probar diferentes tipos es pasar por alto que el uranio y el plutonio aptos para armas tienen métodos de producción fundamentalmente diferentes y se prestan a diseños de armas muy diferentes.

Las bombas de uranio requieren un porcentaje muy alto del isótopo U-235, que solo está presente en cantidades minúsculas en el uranio natural. Separar estos isótopos es una tarea difícil y que requiere mucho tiempo, especialmente con los métodos mucho menos eficientes que se utilizaron durante el Proyecto Manhattan. Las propiedades químicas de los dos isótopos son casi idénticas, con la única diferencia de que el U-235 es ~ 2% menos denso, lo que requiere el proceso altamente complejo y costoso de difusión gaseosa, y las centrífugas se utilizan en períodos posteriores. El plutonio, por otro lado, se puede producir con relativa facilidad en un reactor y, por lo tanto, está disponible en mayor cantidad.

En el diseño de armas. Little Boy, la primera bomba de uranio, era un arma tipo pistola, lo que significa que simplemente usaba un explosivo para disparar dos masas subcríticas de uranio juntas, formando una masa crítica que luego detonaría. Este fue un diseño (relativamente) simple y robusto que fue la primera forma teórica de crear un arma nuclear. Fat Man, la bomba de plutonio, utilizaba un diseño de implosión, que implicaba el uso de explosivos muy potentes alrededor de un núcleo esférico de plutonio que, al detonarse simultáneamente, lo comprimiría en una masa crítica. Esto requería tolerancias exactas en el tiempo y la fuerza de las explosiones, o de lo contrario, la forma irregular de la masa precrítica podría reaccionar de tal manera que el núcleo de plutonio explotara antes de que pudiera alcanzar la criticidad (dicho sea de paso, esta es básicamente la razón por la que un arma de fuego tipo arma de plutonio no funcionaría).

Entonces tenemos dos diseños de armas: uno ha estado en desarrollo durante más tiempo, es más simple y teóricamente más confiable, pero requiere una sustancia difícil de obtener. El otro es más nuevo y de eficacia incierta, pero si funciona, podría producirse en una cantidad mucho mayor. Cabe señalar que la prueba Trinity fue una bomba de implosión de plutonio, y nunca antes de los bombardeos atómicos se probó ningún arma tipo pistola, por la doble razón de que se consideró innecesaria y que simplemente no tenían suficiente uranio. Todo se reducía a elegir entre tener una pequeña cantidad de bombas confiables o muchas más de calidad incierta (al menos antes de la primera prueba), y construir ambas significaba que todos los resultados estaban cubiertos.

Wikipedia responde esto bastante bien. Básicamente, una bomba de plutonio es más complicada que una bomba de uranio. Sin embargo, el plutonio apto para armas también es más fácil de obtener que el uranio apto para armas, ya que el plutonio se puede separar químicamente del combustible quemado del reactor nuclear, mientras que el uranio debe enriquecerse en un proceso costoso. De hecho, todo el uranio enriquecido que se produjo durante el proyecto Manhattan se usó en Little Boy, la bomba de Hiroshima.

La fabricación de bombas nucleares era un nuevo esfuerzo y no estaba claro qué enfoque tendría éxito: más barato, más rápido, más potente, más pequeño, más fiable, etc. Realmente tenían que probar todos los enfoques factibles antes de decidirse por uno.

El diseño del arma a base de uranio fue el enfoque fundamental del proyecto desde el principio.

El diseño del "hombre gordo" usaba plutonio-239, una sustancia mucho más fácil de producir que el uranio-235, pero que requería una ojiva de implosión mucho más complicada. No estuvo claro hasta 1944 que el diseño de implosión funcionaría. John von Neumann esencialmente inventó una rama completamente nueva de la física, llamada teoría de ondas de choque, que se utilizó para diseñar las lentes de implosión para el dispositivo. Una vez que quedó claro que la técnica de implosión era factible y necesaria para el plutonio, se agregó el diseño del hombre gordo como un enfoque mejorado para una segunda (y todas las futuras) bombas.

Por lo tanto, el desarrollo del arma avanzó en dos vías.

Los beneficios eran tener un arma con una probabilidad de éxito relativamente alta (bomba de uranio) y una bomba más avanzada (plutonio) para el desarrollo futuro.