¿Es una bomba atómica de plutonio tipo pistola realmente "imposible"?

Question

Ayer vi un documental de 2 horas sobre la historia de la bomba atómica en la estación local de PBS. En él, repasan los caminos tomados para el diseño de las primeras bombas, incluyendo la Hombre delgado El diseño del arma basada en el Pu239. Después de Segrè encontró que la tasa de fisión espontánea del Pu producido en el reactor era demasiado alta (por la contaminación del Pu240), ese diseño fue abandonado.

Lo afirma uno de los oradores del documental (podría haber sido Rodas ) que tal diseño es "imposible" (no "era imposible"), lo que implica que no es factible en absoluto .

Hice un rápido cálculo de vuelta al sobre de la siguiente manera (soy un tipo de matemáticas, no un físico, de ahí la pregunta...):

Tomando los ~60Kg de U235 del Niño, y 3*10^-4 neutrones/gramo-segundo, ~18 neutrones/segundo.

Adivinando (ya que no será tan eficiente como la implosión) 2,5X la masa de 6Kg del Hombre Gordo Pu239 para ser usada en el hipotético cañón y 0,022 neutrones/gramo-segundo, ~330 neutrones/segundo.

Tomando el tiempo de inserción como 1 milisegundo (que asumo podría ser mejorado con la tecnología actual), obtengo ~0,018 y ~0,33 neutrones/ms de promedio para la masa de U235 y la masa de Pu239 respectivamente.

Asumiendo la distribución de las llegadas de Poisson, termino con ~0,98 y ~0,72 probabilidades de que no haya neutrones perdidos durante el ensamblaje para la masa U235 y la masa Pu239 respectivamente.

Si bien esto muestra una posibilidad mucho mayor de una efervescencia en este último, parece lejos de ser "imposible".

Mi pregunta: Dada una masa suficiente de Pu239 "puro" (digamos ciclotrón producido, o lo que sea el estado actual de la técnica para producirlo), y las tecnologías actuales de punta para acelerar un proyectil, es tal diseño realmente imposible (costo de la producción de Pu, eficiencia, practicidad aparte). Por ejemplo, ¿se podría producir un dispositivo de alto rendimiento real (en lugar de un rendimiento de efervescencia)?

Answer 1

Esto es del Archivo de Armas Nucleares:

2.1.4.1.2 Ensamblaje del arma

El ensamblaje de una masa crítica disparando una pieza de material fisionable a otra es una idea obvia y fue el primer enfoque desarrollado para diseñar bombas atómicas. Pero probablemente no es obvio cómo se toman dos masas subcríticas y se obtiene el equivalente a tres masas críticas al juntarlas.

Esto se puede aclarar realizando un experimento de pensamiento. Imaginen una fosa esférica compuesta por unas tres masas críticas de material fisionable. Ahora saque un núcleo (como el de una manzana) de la fosa con una masa ligeramente inferior a la crítica. Como el centro de la fosa es ahora hueco, su densidad efectiva se ha reducido a 2/3 de la densidad original. Dado que ahora tenemos dos masas críticas restantes en la fosa, y la reducción de la densidad lleva a una mayor reducción de (2/3)^2 = 4/9, la fosa ahora contiene sólo 2*(4/9) = 8/9 de una masa crítica.

Las dos piezas subcríticas pueden unirse disparando el núcleo cilíndrico por el cañón de un arma en el centro del hueco. El tiempo de inserción es grande, más de 1 milisegundo. Este es el diseño utilizado en Little Boy, la bomba lanzada sobre Hiroshima (excepto que se utilizó un cilindro de cuclillas ligeramente menos eficiente, en lugar de un foso esférico).

La principal ventaja del montaje del arma es la simplicidad. Es lo más parecido a un diseño a prueba de tontos que permite la tecnología de ordenanzas.

Los inconvenientes son:

a. la falta de compresión, que requiere grandes cantidades de material fisionable, y conduce a una baja eficiencia;

b. sólo el uranio-235 (y posiblemente el U-233) puede ser utilizado debido a la lenta velocidad de inserción;

c. el peso y la longitud del cañón del arma hace que el arma sea pesada y bastante larga.

Su sitio web es aquí.

Y esto es de "Diseño de Armas Nucleares" en este sitio web:

Si el plutonio - incluso de grado armamentístico - se utilizara en un diseño de ensamblaje de armas, los neutrones liberados por la fisión espontánea de sus isótopos pares probablemente desencadenarían la reacción nuclear en cadena demasiado pronto, dando lugar a una "efervescencia" de rendimiento dramáticamente reducido.

Yo otra vez: así parece podría sería posible conseguir que un dispositivo de ensamblaje de un arma a base de plutonio explotara en realidad en lugar de fallar, pero el momento sería tan crítico que si fallara más a menudo explotaría.

Answer 2

La "bala" en el Hombre Delgado era un proyectil cónico, que pasaría *sobre* el objetivo, reduciendo increíblemente el tiempo de contacto. Fue moldeada en un viejo diseño de embrague cónico de un automóvil, con dos anillos cónicos de plutonio que se juntan a alta velocidad.

El problema era la contaminación. En efecto, tendrían que fundir las piezas del núcleo, instalarlas y dejarlas caer en un plazo de 28 días, si no se arriesgan a que se produzcan eventos fisibles espontáneos. Esta falta de capacidad de reserva hace que el Hombre Delgado no sirva para nada más que para un ataque sorpresa y espontáneo. Como hacer un ataque a Moscú desde las bases de bombarderos de avanzada en Polonia usando bombarderos Lancaster, como Churchill propuso.

Answer 3

Un típico ensamblaje de implosión de un pozo Pu es limitado en el tiempo por la máxima velocidad de detonación del alto explosivo utilizado. Como figura de un parque de pelota, no se va a obtener un choque con una tasa de compresión de más de 10 km/s debido a ese límite. Así que en teoría un ensamblaje de cañón podría funcionar si pudieras acelerar el proyectil al doble de esa velocidad (la implosión viene a un máximo de 10 km/s desde todos los lados). Tal vez podrías reducirlo a la mitad con un cañón de "doble extremo", con cada proyectil moviéndose hacia el centro de masa a esa velocidad. Básicamente, es probablemente posible, pero es una pesadilla de ingeniería. Lo más cercano que podrías conseguir son dos placas separadas de Pu, cada una cubierta con una carga explosiva, pero eso es un ensamblaje de implosión plana y no lo que cualquiera reconocería como un "arma".