¿Por qué una bomba atómica de uranio es de tipo pistola y una de plutonio es de tipo implosión?

Answer 1

El plutonio siempre es un poco impuro debido a la forma en que se fabrica. Además de Pu239 también obtienes Pu-240, Pu-241, etc.

El Pu240 es un problema porque este núcleo tiene una tasa bastante alta de fisión espontánea. Un gramo producirá alrededor de 1000 neutrones por segundo debido a la fisión espontánea. Esto se debe comparar con U235 que produce solo aproximadamente 1/10000 de un neutrón por gramo-segundo, y U238 que produce solo aproximadamente 1/100 por gramo-segundo.

Los fabricantes de armas intentan reducir el contenido de Pu240 del plutonio para una bomba tanto como pueden, optimizando el tiempo de exposición de U238 en un reactor, pero solo hay mucho que se puede hacer, y la separación de isótopos sería prohibitivamente costosa que hacer.

Por lo tanto, una bomba de plutonio inevitablemente tendrá una gran cantidad de neutrones presentes a medida que se ensambla. Una masa crítica a una densidad normal es de aproximadamente 12 kg, lo que le permite hacer un cálculo aproximado de cuántos neutrones una vez que conoce el tiempo de ensamblaje. Si la bomba no se ensambla muy rápido, entonces detonará antes de que una densidad supercrítica esté completamente ensamblada, y esto causará que el arma se derrumbe, lo que resulta en una explosión de bajo rendimiento en el mejor de los casos. Un chisporroteo, por supuesto, es una afirmación relativa: con toda probabilidad, esto sería una gran liberación de energía.

Un arma tipo pistola no puede lograr el ensamblaje rápido requerido para una bomba de plutonio.

El diseño tipo pistola está bien para las bombas de uranio, pero para el plutonio es necesario hacer una implosión con lentes altamente explosivas.

Uno comienza con una masa esférica ligeramente subcrítica de plutonio y la comprime rápidamente con una onda de choque esféricamente simétrica. Esto coloca la masa lo suficientemente rápido sobre la densidad crítica y, de hecho, se hace necesario asegurarse de que habrá suficientes neutrones cuando la masa sea supercrítica, y se garantice que la explosión vaya correctamente, dentro de una probabilidad aceptable.

Para obtener la mayor eficiencia posible, el tiempo es bastante crítico, como lo es la simetría de la onda de choque.

Answer 2

A medida que se ensambla la masa crítica, la reacción en cadena comienza a generar calor. La masa crítica debe estar completamente ensamblada antes de que el calor simplemente derrita las partes en un desastre. Creo que lo llaman un fizzle. Esto es cierto para todas las bombas de fisión solamente. Los diferentes materiales fisibles utilizados tienen un tiempo de respuesta diferente. No intentaré explicar qué propiedad hace la diferencia porque realmente no lo entiendo muy bien.

La gente del Proyecto Manhattan pudo determinar con bastante anticipación que un mecanismo tipo arma sería lo suficientemente rápido para el uranio 235 pero no lo suficientemente rápido para el plutonio 239. Tenían tanta confianza en esto que ni siquiera quisieron probar la bomba 235U. El único problema era el enriquecimiento de suficiente uranio.

El problema que los dejó perplejos fue que el plutonio no solo debía ensamblarse, sino comprimirse. Así es, una esfera metálica sólida necesitaba ser comprimida muy rápidamente. Descubrir que la implosión podría funcionar y cómo hacerlo fue un gran logro.

Answer 3

El tipo de arma fue un primer método de ingeniería e histórico de “montaje”. Estoy tratando de recordar a quién se le ocurrió primero. Memoria distante pero está en la literatura.

El problema con el método de pistola era que no funcionaría con Pu (este intento de diseño se llamó The Thin Man (película recientemente en PBS) y existen fotos de tubos de pistola que nunca se usaron).

La implosión fue una idea conveniente de Neddermeyer, Kistakowsky (hizo las lentes explosivas y mucho más), Christy (patente general) y otros. (He conocido los últimos dos nombres. La cena y su hijo; fueron sus razones. Esta es una versión muy corta de la historia).

Otros métodos y variantes existen ahora. La mayoría de las personas no los conocen debido a la gran cantidad de literatura histórica y la falta de interés. Un montón de cosas se aprendieron más tarde sin presión en tiempos de guerra. Tenía que ser aprendido empíricamente (como la metalurgia de Pu).

Respuesta corta. Estas son personas inteligentes (físicos y químicos).

Answer 4

Porque el plutonio es más propenso a la detonación previa. Si intentara usarlo en un dispositivo tipo pistola, el plutonio reaccionaría demasiado pronto y se desgarraría con un “chisporroteo” de rendimiento inferior al kilotón en lugar de una explosión completa. Solo la implosión es lo suficientemente rápida como para superar esto. Los dispositivos de uranio podrían usar el dispositivo de tipo pistola más simple y fácil, pero finalmente se abandonó porque no era tan seguro como la implosión; siempre existía el riesgo de que un choque o una explosión pudieran reunir la masa crítica de uranio, mientras que la implosión solo funciona si todo sale bien.

Answer 5

Respuesta simple: la aceleración de un dispositivo de uranio es más lenta, por lo que puede llevarse a un impulso supercrítico más lento.
Y hay un cambio de fase metálica del plutonio que se puede aprovechar para permitir que se comprima, lo que no ocurre en el uranio.

Answer 6

El uranio es su propio generador de neutrones. Se escupe si solo están sentados allí. Entonces, una vez que consigues una pila de cierto tamaño, obtienes una reacción desbocada y BOOM. Pero una reacción de implosión depende de tener un elemento justo por debajo de la masa crítica que no emite netrones por sí solo. Por lo tanto, se sentará en silencio hasta que la implosión lo lleve a una masa crítica y luego un disparador de neutrones libere un neutrón en el momento justo y BOOM. Si intentaras usar uranio en una bomba de implosión, estaría demasiado caliente: estás tan cerca de la crítica que estarías peligrosamente radiactivo todo el tiempo.

Answer 7

El uranio podría usarse por implosión, pero tiene una masa crítica mucho más pesada y es una sustancia más dura que el plutonio.

Answer 8

depende de cómo fueron diseñados. Un ‘arma nuclear’ tipo ‘arma’ dispara ‘parte de un núcleo a la otra parte para que formen una reacción nuclear. Un tipo de implosión del núcleo está rodeado de explosivos convencionales que se disparan al mismo tipo forzando el núcleo juntos.

El tipo de implosión se usa más comúnmente en la actualidad.