Tamper (arma nuclear)

Componente de arma nuclear

Un pisón es una capa opcional de material denso que rodea el material fisionable . Se utiliza en el diseño de armas nucleares para reducir la masa crítica de un arma nuclear y retrasar la expansión del material reactivo a través de su inercia . Debido a su inercia, retrasa la expansión térmica de la masa de combustible de fisión, manteniéndola supercrítica por más tiempo. A menudo, la misma capa sirve a la vez como tamper y como reflector de neutrones . El arma se desintegra a medida que avanza la reacción y esto detiene la reacción, por lo que el uso de un pisón genera una explosión más duradera, más enérgica y más eficiente. El rendimiento se puede mejorar aún más utilizando un pisón fisionable .

Las primeras armas nucleares utilizaban manipuladores pesados ​​de uranio natural o carburo de tungsteno , pero un manipulador pesado requiere un sistema de implosión altamente explosivo más grande y hace que todo el dispositivo sea más grande y pesado. En cambio, la etapa primaria de un arma termonuclear moderna puede usar un reflector de berilio liviano , que también es transparente a los rayos X cuando se ioniza , lo que permite que la producción de energía primaria escape rápidamente para usarse en la compresión de la etapa secundaria. Materiales de manipulación más exóticos, como el oro, se utilizan para fines especiales, como emitir grandes cantidades de rayos X o maximizar o minimizar la lluvia radioactiva .

Si bien el efecto de una manipulación es aumentar la eficiencia, reflejando neutrones y retrasando la expansión de la bomba, el efecto sobre la masa crítica no es tan grande. La razón de esto es que el proceso de reflexión lleva mucho tiempo. Para cuando los neutrones reflejados regresan al núcleo, ya han pasado varias generaciones de la reacción en cadena , lo que significa que la contribución de la generación anterior es una pequeña fracción de la población de neutrones.

Función

En Energía atómica para fines militares (1945), el físico Henry DeWolf Smyth describió la función de un manipulador en el diseño de armas nucleares como similar al reflector de neutrones utilizado en un reactor nuclear :

Se puede utilizar una envoltura similar para reducir el tamaño crítico de la bomba, pero aquí la envoltura tiene un papel adicional: su propia inercia retrasa la expansión del material reactivo. Por este motivo, a un sobre de este tipo se le suele denominar manipulación. El uso de un pisón claramente produce una explosión más duradera, más enérgica y más eficiente. ^[1]

Historia

El concepto de rodear el núcleo de un arma nuclear con un manipulador fue introducido por Robert Serber en su Los Alamos Primer , una serie de conferencias pronunciadas en abril de 1943 como parte del Proyecto Manhattan , que construyó las primeras armas nucleares . Observó que, dado que la inercia era la clave, los materiales más densos eran preferibles e identificó el oro , el renio , el tungsteno y el uranio como los mejores candidatos. Creía que también tenían buenas propiedades reflectantes de neutrones , aunque advirtió que era necesario trabajar mucho más en este ámbito. Utilizando la teoría de la difusión elemental , predijo que la masa crítica de un arma nuclear con un manipulador sería un octavo de la de un arma idéntica pero sin manipular. Añadió que en la práctica esto sería sólo alrededor de un cuarto en lugar de un octavo. ^{[2] [3]}

Serber notó que la propiedad de reflexión de neutrones no era tan buena como podría parecer a primera vista, porque los neutrones que regresaban de las colisiones en el manipulador tardarían tiempo en hacerlo. Estimó que para una manipulación de uranio podrían tardar unos 10 ⁻⁷ segundos. Para cuando los neutrones reflejados regresan al núcleo, ya han pasado varias generaciones de la reacción en cadena , lo que significa que la contribución de la generación anterior es una pequeña fracción de la población de neutrones. Los neutrones que regresan también se verían frenados por la colisión. De ello se deduce que se necesitaba un 15% más de material fisionable para obtener la misma liberación de energía con un pisón de oro que con uno de uranio, a pesar de que las masas críticas diferían en un 50%. ^[4] En aquel momento, las masas críticas de uranio (y más concretamente de plutonio ) no se conocían con precisión. Se pensaba que el uranio con un pisón de uranio podría pesar unos 25 kg, mientras que el del plutonio sería de unos 5 kg. ^[3]

La bomba de uranio Little Boy utilizada en el bombardeo atómico de Hiroshima tenía un tampón de carburo de tungsteno (WC). Esto era importante no sólo por la reflexión de neutrones sino también por su fuerza para evitar que el proyectil atraviese el objetivo. ^[5] El pisón tenía un radio de 17,5 centímetros (6,9 pulgadas) y un espesor de 11,3 centímetros (4,4 pulgadas), para una masa de 317 kilogramos (699 libras). Esto era aproximadamente 3,5 veces la masa del material fisionable utilizado. El carburo de tungsteno tiene una alta densidad y una sección transversal de baja absorbencia de neutrones. La razón por la que no se utilizó uranio empobrecido, a pesar de estar disponible en cantidad para el Proyecto Manhattan, es que todavía tiene una tasa relativamente alta de fisión espontánea de alrededor de 675 por kg por segundo. Por lo tanto, una manipulación de 300 kg de uranio empobrecido tendría una probabilidad inaceptable de iniciar una predetonación . ^[6] El carburo de tungsteno se usaba comúnmente en armas nucleares tipo pistola de uranio-233 utilizadas con piezas de artillería por la misma razón. ^{[7] [8]}

En la ojiva W88 , la primaria utiliza un manipulador liviano de berilio , mientras que la secundaria tiene uno pesado de uranio-235 .

Existen ventajas al utilizar un pisón fisionable para aumentar el rendimiento. El uranio-238 se fisionará cuando sea golpeado por un neutrón de 1,6 megaelectronvoltios (0,26  pJ ), y aproximadamente la mitad de los neutrones producidos por la fisión del uranio-235 superarán este umbral. Sin embargo, un neutrón rápido que choca contra un núcleo de uranio-238 tiene ocho veces más probabilidades de dispersarse inelásticamente que de producir una fisión, y cuando lo hace, se ralentiza hasta un punto por debajo del umbral de fisión del uranio-238. ^[9] En el tipo Fat Man utilizado en la prueba Trinity y en Nagasaki, el manipulador consistía en proyectiles de 7,0 centímetros (2,75 pulgadas) de uranio natural y aluminio. ^{[5] [10]} Se estima que hasta el 30% del rendimiento provino de la fisión del uranio natural. ^{[11] [12]} De esto, se estima que 14,5 toneladas de TNT (61 GJ) de los 21 kilotones de TNT (88 TJ) producidos fueron aportados por la fotofisión del pisón. ^[13]

En un arma de fisión potenciada o en un arma termonuclear , los neutrones de 14,1 megaelectrones voltios (2,26 pJ) producidos por una reacción deuterio - tritio pueden permanecer lo suficientemente energéticos para fisionar uranio-238 incluso después de tres colisiones con deuterio, pero los 2,45 megaelectrones voltios (0,393 pJ) ) los producidos por la fusión deuterio-deuterio ya no tienen suficiente energía después de una sola colisión. Una manipulación de uranio-235 se fisionará incluso con neutrones lentos. Por lo tanto, una manipulación con uranio altamente enriquecido es más eficiente que una con uranio empobrecido, y se puede utilizar una manipulación más pequeña para lograr el mismo rendimiento. Por lo tanto, el uso de manipuladores de uranio enriquecido se volvió más común una vez que el uranio enriquecido se hizo más abundante. El torio también se puede utilizar como apisonador fisionable. Tiene un peso atómico casi tan alto como el del uranio y una menor propensión a fisionarse, lo que significa que el pisón tiene que ser mucho más grueso. ^[14]

Un avance importante después de la Segunda Guerra Mundial fue el apisonador ligero de berilio . En un dispositivo potenciado, las reacciones termonucleares aumentan considerablemente la producción de neutrones, lo que hace que la propiedad inercial de los manipuladores sea menos importante. El berilio tiene una sección transversal de baja absorbencia de neutrones lentos, pero una sección transversal de dispersión muy alta. Cuando es golpeado por neutrones de alta energía producidos por reacciones de fisión, el berilio emite neutrones. Con un reflector de berilio de 10 centímetros (4 pulgadas), la masa crítica de uranio altamente enriquecido es de 14,1 kg, en comparación con los 52,5 kg en una esfera sin apisonar. Una manipulación de berilio también minimiza la pérdida de rayos X, lo cual es importante para una etapa termonuclear primaria, que utiliza sus rayos X para comprimir la etapa secundaria. ^[15]

El Proyecto Manhattan había considerado la manipulación de berilio, pero el berilio escaseaba y los experimentos con una manipulación de berilio no comenzaron hasta después de la guerra. El físico Louis Slotin murió en mayo de 1946 en un accidente de criticidad que afectó a una persona. Un dispositivo con un dispositivo de manipulación de berilio se probó con éxito en la Operación Tumbler-Snapper How, que tuvo lugar el 5 de junio de 1952, y desde entonces el berilio se ha utilizado ampliamente como dispositivo de manipulación en primarias termonucleares. ^[15]

En los dispositivos termonucleares, el manipulador secundario (o "empujador") no sólo funciona para reflejar neutrones, confinar el combustible de fusión con su masa inercial y mejorar el rendimiento con sus fisiones producidas por los neutrones emitidos por las reacciones termonucleares, sino que también ayuda a impulsar el implosión de radiación y evitar la pérdida de energía térmica. Por esta razón, se sigue prefiriendo la manipulación fuerte. ^[14]

Materiales alternativos

El torio también se puede utilizar como apisonador fisionable. Tiene un peso atómico casi tan alto como el del uranio y una menor propensión a fisionarse, lo que significa que el pisón tiene que ser mucho más grueso. También es posible que un Estado que busque desarrollar capacidad de armas nucleares agregue plutonio apto para reactores a una manipulación de uranio natural. Esto causaría problemas con las emisiones de neutrones del plutonio, pero podría ser posible solucionarlo con una capa de boro-10 , ^[14] que tiene una sección transversal de neutrones alta para la absorción de los neutrones lentos que fisionan el uranio-235. y plutonio-239 , pero una sección transversal baja para la absorción de los neutrones rápidos que fisionan el uranio-238. Se utilizó en armas termonucleares para proteger la bujía de plutonio de los neutrones perdidos emitidos por el manipulador de uranio-238. ^[16] En el tipo Fat Man, el manipulador de uranio natural estaba recubierto con boro . ^[17]

También se pueden utilizar materiales no fisionables como pisón. A veces estos eran sustituidos por fisionables en pruebas nucleares , donde un alto rendimiento era innecesario. ^[18] El material de manipulación no fisionable más utilizado es el plomo , que está ampliamente disponible y es barato. Los diseños británicos utilizaban a menudo una aleación de plomo y bismuto . El bismuto tiene el número atómico más alto de cualquier material de manipulación no fisionable. El uso de plomo y bismuto reduce la lluvia radiactiva, ya que ninguno de los dos produce isótopos que emiten cantidades significativas de radiación gamma cuando se irradian con neutrones. ^[14]

La ojiva W71 utilizada en el misil antibalístico Spartan LIM-49 tenía un tapón dorado alrededor de su secundaria para maximizar su producción de rayos X, que utilizaba para incapacitar las ojivas nucleares entrantes. ^{[14] [19]} La irradiación de oro-197 produce oro-198, que tiene una vida media de 2,697 días y emite rayos gamma de 0,412 megaelectrones (0,0660 pJ) y partículas beta de 0,96 megaelectrones (0,154 pJ) . Por lo tanto, produce una radiación intensa pero de corta duración, que puede tener usos en el campo de batalla, aunque ese no era su propósito en el W71. Otro elemento evaluado por Estados Unidos para tal fin fue el tantalio . El tantalio natural es casi en su totalidad tantalio-181, que cuando se irradia con neutrones se convierte en tantalio-182, un emisor de rayos beta y gamma con una vida media de 115 días.

Un concepto bien conocido para el uso de un material alternativo es la bomba de cobalto . ^[14] El cobalto es una mala perspectiva para una manipulación porque es relativamente liviano y se ioniza a 9,9 kiloelectronvoltios (1,59 fJ), pero el cobalto natural es enteramente cobalto-59, que se convierte en cobalto-60 cuando se irradia con neutrones. Con una vida media de 5,26 años, esto podría producir una contaminación radiactiva duradera. ^{[14] La} prueba nuclear británica Tadje en Maralinga utilizó bolitas de cobalto como "trazador" para determinar el rendimiento. ^[20] Esto alimentó los rumores de que Gran Bretaña había estado desarrollando una bomba de cobalto. ^[21]

Física

La ecuación de difusión para el número de neutrones dentro del núcleo de una bomba viene dada por: ^[22]

${\displaystyle {\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {v_{n}}{\lambda _{f}^{core}}}(\nu -1)N+{\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)}$

donde es la densidad numérica de neutrones, es la velocidad promedio de los neutrones, es el número de neutrones secundarios producidos por fisión, es el camino libre medio de la fisión y es el camino libre medio de transporte para los neutrones en el núcleo. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle v_{n}}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \lambda _{f}^{core}}$ ${\displaystyle \lambda _{t}^{core}}$

${\displaystyle N}$no depende de la dirección, por lo que podemos usar esta forma del operador de Laplace en coordenadas esféricas:

${\displaystyle \nabla ^{2}N={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}{\bigl (}r^{2}{\frac {\partial N}{\partial r}}{\bigr )}}$

Resolver la ecuación diferencial parcial separable nos da: ^[23]

${\displaystyle N_{core}(r,t)=N_{0}e^{(\alpha /\tau )t}{\Bigl [}{\frac {sin(r/d_{core})}{r}}{\Bigr ]}}$

dónde

${\displaystyle \tau =\lambda _{f}^{core}/v_{n}}$

y

${\displaystyle d_{core}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3(-\alpha +\nu -1)}}}}$

Para la manipulación, se puede ignorar el primer término de la primera ecuación relacionado con la producción de neutrones, quedando:

${\displaystyle {\frac {\partial N}{\partial t}}={\frac {\lambda _{t}^{core}v_{n}}{3}}(\nabla ^{2}N)}$

Establezca la constante de separación como . Si (lo que significa que la densidad de neutrones en el támper es constante) la solución se convierte en: ${\displaystyle \delta /\tau }$ ${\displaystyle \delta =0}$

${\displaystyle N_{tamper}={\frac {A}{r}}+B}$

Donde y son constantes de integración . ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$

Si (lo que significa que la densidad de neutrones en el támper está aumentando) la solución se convierte en: ^[24] ${\displaystyle \delta >0}$

${\displaystyle N_{tamper}=e^{(\delta /\tau )t}{\Bigl [}A{\frac {e^{r/d_{tamper}}}{r}}+B{\frac {e^{-r/d_{tamper}}}{r}}{\Bigr ]}}$

dónde

${\displaystyle d_{tamper}={\sqrt {\frac {\lambda _{f}^{core}\lambda _{t}^{core}}{3}}}}$

Serber señaló que en el límite entre el núcleo y el manipulador, la corriente de difusión de neutrones debe ser continua, ^[2] por lo que si el núcleo tiene radio entonces: ^[24] ${\displaystyle R_{core}}$

${\displaystyle N_{core}(R_{core})=N_{tamper}(R_{core})}$

Si la velocidad del neutrón en el núcleo y en el manipulador es la misma, entonces y: ^[24] ${\displaystyle \alpha =\delta }$

${\displaystyle \lambda _{t}^{core}{{\Bigl (}{\frac {\partial N_{core}}{\partial r}}{\Bigr )}}_{R_{core}}=\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}}$

De lo contrario, cada lado tendría que multiplicarse por la velocidad del neutrón correspondiente. También: ^[24]

${\displaystyle N_{tamper}(R_{tamper})=-{\frac {2}{3}}\lambda _{t}^{tamper}{\Bigl (}{\frac {\partial N_{tamper}}{\partial r}}{\Bigr )}_{R_{core}}}$

Para el caso donde : ${\displaystyle \alpha =\delta =0}$

${\displaystyle {\Bigl [}1+{\frac {2R_{tamper}^{threshold}\lambda _{t}^{tamper}}{3R_{tamper}^{2}}}-{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{R_{tamper}}}{\Bigr ]}{\Bigl [}{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}-1{\Bigr ]}+{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}=0}$

Si el pisón es muy grueso, es decir, esto se puede aproximar como: ${\displaystyle R_{tamper}\gg R_{tamper}^{threshold}}$

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=1-{\frac {\lambda _{t}^{tamper}}{\lambda _{t}^{core}}}}$

Si el manipulador (de manera poco realista) es un vacío, entonces la sección transversal de dispersión de neutrones sería cero y . La ecuación se convierte en: ${\displaystyle \lambda _{t}^{tamper}=\infty }$

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=-\infty }$

que se satisface con:

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=\pi }$

Si el pisón es muy grueso y tiene propiedades de dispersión de neutrones similares a las del núcleo, es decir:

${\displaystyle \lambda _{t}^{tamper}\sim \lambda _{t}^{core}}$

Entonces la ecuación queda:

${\displaystyle {\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}cot{\Bigl (}{\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}{\Bigr )}=0}$

que se satisface cuando:

${\displaystyle {\frac {R_{tamper}^{threshold}}{d_{core}}}=\pi /2}$

En este caso, el radio crítico es el doble de lo que sería si no hubiera manipulación. Dado que el volumen es proporcional al cubo del radio, llegamos a la conclusión de Serber de que teóricamente es posible reducir ocho veces la masa crítica. ^{[2] [25]}

Notas

1. Smyth 1945, pág. 210.
2. Serber 1943, págs. 7–8.
3. Hoddeson y col. 1993, pág. 72.
4. Serbero 1943, págs. 14-15.
5. Reed 2011, pág. 46.
6. Caña 2017, pag. 57.
7. Hansen 1995a, pág. 273.
8. Hansen 1995e, pág. 108.
9. Reed 2017, págs. 30-31.
10. Hansen 1995a, pág. 292.
11. Wellerstein, Alex . "El uranio del gordo". Datos restringidos . Consultado el 17 de agosto de 2021 .
12. Semkow, Parekh y Haines 2005, págs. 142-159.
13. Khan 2020.
14. Sublette, Carey. "4.4 Elementos del diseño de armas termonucleares". Archivo de armas nucleares . Consultado el 18 de agosto de 2021 .
15. Hansen 1995a, págs. 293-296.
16. Hansen 1995c, pág. 179.
17. Rodas 1995, págs. 194-195.
18. Arnold y Smith 2006, pág. 17.
19. Hansen 1988, pág. 189.
20. Arnold y Smith 2006, págs. 198-199.
21. ""Bomba de cobalto "nunca intencionada". El Mercurio . vol. CLXXIII, núm. 25, 813. Tasmania, Australia. 10 de septiembre de 1953. pág. 1 . Consultado el 9 de julio de 2020 a través de la Biblioteca Nacional de Australia.
22. Caña 2011, pag. 52.
23. Caña 2009, pag. 730.
24. Reed 2009, pag. 732.
25. Caña 2011, pag. 56.

Referencias

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