Un iniciador de neutrones modulado es una fuente de neutrones capaz de producir una ráfaga de neutrones al activarse. Es una parte crucial de algunas armas nucleares , ya que su función es "dar inicio" a la reacción en cadena en el momento óptimo cuando la configuración es crítica . También se lo conoce como iniciador de neutrones interno . El iniciador se coloca típicamente en el centro del pozo de plutonio y se activa por el impacto de la onda de choque convergente .
Uno de los elementos clave para el correcto funcionamiento de un arma nuclear es el inicio de la reacción en cadena de fisión en el momento adecuado. Para obtener un rendimiento nuclear significativo, deben estar presentes suficientes neutrones dentro del núcleo supercrítico en el momento adecuado. Si la reacción en cadena comienza demasiado pronto (" predetonación "), el resultado será sólo un " rendimiento de fisión ", muy por debajo de la especificación de diseño. Si ocurre demasiado tarde, el núcleo habrá comenzado a expandirse y descomponerse en un estado menos denso, lo que conduce a un rendimiento menor (menos material del núcleo sufre fisión) o a ningún rendimiento en absoluto (el núcleo ya no tiene una masa crítica). Por lo tanto, es crucial que la emisión espontánea de neutrones del material de fisión sea baja.
En el caso de las armas de fisión potenciadas , el tamaño del iniciador colocado en el centro es fundamental y debe ser lo más pequeño posible. El uso de una fuente de neutrones externa permite una mayor flexibilidad, como por ejemplo rendimientos variables.
El diseño habitual se basa en una combinación de berilio -9 y polonio-210 , separados hasta la activación, y luego puestos en íntimo contacto por la onda de choque. El polonio-208 y el actinio-227 también se consideraron como fuentes alfa. El isótopo utilizado debe tener fuertes emisiones alfa y débiles emisiones gamma, ya que los fotones gamma también pueden desprender neutrones y no pueden ser protegidos tan eficientemente como las partículas alfa. [1] Se desarrollaron varias variantes, que se diferenciaban por las dimensiones y la configuración mecánica del sistema, lo que garantizaba una mezcla adecuada de los metales.
Urchin era el nombre clave del iniciador de neutrones interno utilizado por el Laboratorio de Los Álamos como dispositivo generador de neutrones para provocar la detonación nuclear de las primeras bombas atómicas de plutonio , como The Gadget y Fat Man , una vez que la masa crítica había sido "reunida" por la fuerza de explosivos convencionales.
El iniciador utilizado en los primeros dispositivos, situado en el centro del foso de plutonio de la bomba , consistía en una pastilla de berilio y una carcasa de berilio con polonio entre las dos. La pastilla, de 0,8 cm de diámetro, estaba recubierta de níquel y luego una capa de oro . La carcasa de berilio tenía un diámetro exterior de 2 cm con un espesor de pared de 0,6 cm. La superficie interior de esa carcasa tenía 15 ranuras latitudinales concéntricas en forma de cuña y estaba, al igual que la esfera interior, recubierta de oro y níquel. [2] [3] Una pequeña cantidad de polonio-210 (50 curios, 11 mg) se depositó en las ranuras de la carcasa y en la esfera central: las capas de oro y níquel sirvieron para proteger al berilio de las partículas alfa emitidas por el polonio. El erizo entero pesaba unos 7 gramos y estaba unido a soportes de montaje en una cavidad interior de 2,5 cm de diámetro en el foso. [4]
Cuando llega la onda expansiva de la implosión del núcleo de plutonio, aplasta el iniciador. Las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre la capa acanalada mezclan completamente y casi instantáneamente el berilio y el polonio, lo que permite que las partículas alfa del polonio choquen con los átomos de berilio. Al reaccionar al bombardeo de partículas alfa, los átomos de berilio emiten neutrones a una velocidad de aproximadamente 1 neutrón cada 5-10 nanosegundos (véase Berilio ). Estos neutrones desencadenan la reacción en cadena en el plutonio supercrítico comprimido . Colocar la capa de polonio entre dos grandes masas de berilio garantiza el contacto de los metales incluso si la turbulencia de la onda expansiva funciona mal.
Los 50 curies de polonio generaron aproximadamente 0,1 vatios de calor de desintegración , calentando notablemente la pequeña esfera. [5]
Las ranuras en la superficie interna de la carcasa moldearon la onda de choque en chorros por el efecto Munroe , similar a una carga moldeada , para mezclar de manera rápida y completa el berilio y el polonio. Como el efecto Munroe es menos confiable en la geometría lineal, los diseños posteriores utilizaron una esfera con hendiduras internas cónicas o piramidales en lugar de ranuras lineales. Algunos diseños de iniciadores omiten la esfera central y, en su lugar, son huecos. La ventaja de un diseño hueco es posiblemente la posibilidad de manejar un tamaño más pequeño y, al mismo tiempo, conservar la confiabilidad.
La corta vida media del polonio (138,376 días) requería el reemplazo frecuente de iniciadores y un suministro continuo de polonio para su fabricación, ya que su vida útil era de solo unos 4 meses. [6] Los diseños posteriores tenían una vida útil de hasta 1 año.
El gobierno de Estados Unidos utilizó Postum como nombre clave para el polonio. [7]
El uso de polonio como iniciador de neutrones fue propuesto en 1944 por Edward Condon , aunque el polonio como iniciador fue mencionado como una posibilidad en las conferencias " Los Alamos Primer " dictadas en abril de 1943. El iniciador en sí fue diseñado por James L. Tuck , [8] y su desarrollo y prueba se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en el grupo de iniciadores de la división " Gadget " dirigido por Charles Critchfield . [9]
Para la bomba de uranio Little Boy se utilizó un iniciador diferente (cuyo nombre en código era ABNER) . Su diseño era más simple y contenía menos polonio. Se activaba con el impacto del proyectil de uranio en el objetivo. Se añadió al diseño como una idea de último momento y no era esencial para el funcionamiento del arma. [10]
En 1948 se propuso una construcción mejorada del iniciador, probablemente basada en hendiduras cónicas o piramidales, que Los Alamos puso en producción en enero de 1950 y se probó en mayo de 1951. El diseño TOM utilizaba menos polonio, ya que el número de neutrones por miligramo de polonio era mayor que el del Urchin. Su diámetro exterior era de solo 1 cm. La primera prueba de fuego real de un iniciador TOM se produjo el 28 de enero de 1951 durante el disparo Baker-1 de la Operación Ranger . [11] Una serie de experimentos de calibración para el tiempo de iniciación frente a los datos de rendimiento de los iniciadores TOM se realizó durante la Operación Snapper , durante la prueba Fox el 25 de mayo de 1952.
En 1974, la India realizó la prueba nuclear Smiling Buddha . El iniciador, cuyo nombre en código era "Flor", se basaba en el mismo principio que el Urchin. Se cree que el polonio se depositó sobre una gasa de platino con forma de loto para maximizar su superficie y se encerró en una esfera de tantalio rodeada por una capa de uranio con bolitas de berilio incrustadas. Según otras fuentes, el diseño era aún más similar al del Urchin, con una capa de berilio diseñada para crear chorros de berilio al implosionar. Se informa que el diámetro exterior del iniciador es de 1,5 cm, o "unos 2 cm". [12]
El deuteruro de uranio (UD 3 ) se puede utilizar para la construcción de un multiplicador de neutrones. [13] [14]
Las armas de fisión potenciadas y las armas que utilizan generadores de neutrones externos ofrecen la posibilidad de un rendimiento variable , permitiendo seleccionar la potencia del arma en función de las necesidades tácticas.
El polonio utilizado en el iniciador de erizo se creó en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y luego se extrajo y purificó como parte del Proyecto Dayton bajo la dirección de Charles Allen Thomas . El Proyecto Dayton fue uno de los varios sitios que comprendían el Proyecto Manhattan .
En 1949, se abrieron los Laboratorios Mound en la cercana Miamisburg, Ohio, como reemplazo del Proyecto Dayton y como nuevo hogar de la investigación y el desarrollo de iniciadores nucleares. El polonio-210 se producía mediante la irradiación de bismuto con neutrones . La producción e investigación del polonio en Mound se suspendió gradualmente en 1971. [15]
La División G de Los Álamos utilizó el polonio de Dayton en estudios de diseño de iniciadores en un sitio de prueba en Sandia Canyon. El grupo de iniciadores construyó conjuntos de prueba perforando agujeros en grandes cojinetes de bolas de turbina, insertando el material activo y tapando los agujeros con pernos. Estos conjuntos de prueba se conocían como bolas de tornillo . Los conjuntos de prueba se hicieron implosionar y sus restos se estudiaron para examinar qué tan bien se mezclaban el polonio y el berilio. [16]
La producción de los iniciadores TOM de berilio-polonio terminó en 1953. Los iniciadores fueron reemplazados por un diseño diferente, que redujo ligeramente el rendimiento del arma, pero su mayor vida útil redujo la complejidad de la logística. [17] El iniciador de neutrones sellado , incorporado al inventario a fines de 1954, aún requería un desmontaje periódico para acceder a su cápsula para controles de mantenimiento. Las cápsulas se eliminaron por completo en 1962. [18]
Los iniciadores de tipo Urchin fueron reemplazados posteriormente por otros medios de generación de neutrones, como los emisores de neutrones pulsados que no utilizan polonio. Al utilizar tritio con una vida media de 12,3 años en lugar de polonio, tienen un intervalo de reemplazo mucho más largo. Estos se montan fuera del pozo y se controlan eléctricamente, ya que los neutrones pasan fácilmente a través de una masa considerable sin interacciones. Estos iniciadores eran más controlables y permiten una fiabilidad de las armas mucho mejor.