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 "iniciar" la reacción en cadena en el momento óptimo cuando la configuración es pronto crítica . También se le conoce como iniciador de neutrones interno . El iniciador normalmente se coloca en el centro del pozo de plutonio y se activa mediante el impacto de la onda de choque convergente .
Uno de los elementos clave para el funcionamiento adecuado 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 escaso ", muy por debajo de las especificaciones de diseño. Si ocurre demasiado tarde, el núcleo habrá comenzado a expandirse y desmontarse a un estado menos denso, lo que provocará un menor rendimiento (menos material del núcleo sufre fisión) o ningún rendimiento (el núcleo ya no es una masa crítica). ). Por lo tanto, es crucial una baja emisión espontánea de neutrones del material de la fosa.
Para 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 rendimientos variables.
El diseño habitual se basa en una combinación de berilio -9 y polonio-210 , separados hasta su activación y luego puestos en íntimo contacto por la onda de choque. El polonio-208 y el actinio-227 también se consideraron fuentes alfa. El isótopo utilizado debe tener fuertes emisiones alfa y débiles emisiones gamma, ya que los fotones gamma también pueden soltar neutrones y no pueden protegerse tan eficazmente como las partículas alfa. [1] Se desarrollaron varias variantes, que se diferencian por las dimensiones y la configuración mecánica del sistema, lo que garantiza una mezcla adecuada de los metales.
Urchin era el nombre en clave del iniciador de neutrones interno utilizado por el Laboratorio de Los Álamos como dispositivo generador de neutrones para desencadenar la detonación nuclear de las primeras bombas atómicas de plutonio , como The Gadget y Fat Man , una vez que la masa crítica había sido "ensamblada" por la fuerza de los explosivos convencionales.
El iniciador utilizado en los primeros dispositivos, ubicado en el centro del pozo de plutonio de la bomba , consistía en una bolita de berilio y una cápsula de berilio con polonio entre los dos. La bolita, de 0,8 cm de diámetro, se recubrió con níquel y luego con una capa de oro . La cáscara de berilio tenía un diámetro exterior de 2 cm y un espesor de pared de 0,6 cm. La superficie interior de esa concha tenía 15 surcos latitudinales concéntricos 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 curies, 11 mg) fue depositada en las ranuras de la concha y en la esfera central: las capas de oro y níquel sirvieron para proteger el berilio de las partículas alfa emitidas por el polonio. El erizo entero pesaba unos 7 gramos y estaba sujeto a soportes de montaje en una cavidad interior de 2,5 cm de diámetro en el pozo. [4]
Cuando llega la onda de choque de la implosión del núcleo de plutonio, aplasta al iniciador. Las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre la cáscara ranurada mezclan completamente y casi instantáneamente el berilio y el polonio, permitiendo que las partículas alfa del polonio incidan sobre 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 a 10 nanosegundos (ver 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 de choque no funciona bien.
Los 50 curios de polonio generaron alrededor de 0,1 vatios de calor de desintegración , calentando notablemente la pequeña esfera. [5]
Las ranuras en la superficie interior del caparazón moldearon la onda de choque en chorros mediante el efecto Munroe , similar a una carga moldeada , para una mezcla rápida y completa del berilio y el polonio. Como el efecto Munroe es menos fiable en la geometría lineal, los diseños posteriores utilizaron una esfera con hendiduras interiores cónicas o piramidales en lugar de ranuras lineales. Algunos diseños de iniciadores omiten la esfera central y, en cambio, son huecos. La ventaja de un diseño hueco es posiblemente lograr un tamaño más pequeño manteniendo la confiabilidad.
La corta vida media del polonio (138,376 días) requirió el reemplazo frecuente de los iniciadores y un suministro continuo de polonio para su fabricación, ya que su vida útil era de sólo 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 se mencionó como una posibilidad en las conferencias " Los Alamos Primer " dadas en abril de 1943. El iniciador en sí fue diseñado por James L. Tuck , [ 8] y su desarrollo y pruebas se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en el grupo iniciador de la división " Gadget " dirigido por Charles Critchfield . [9]
Se utilizó un iniciador diferente (nombre en código ABNER) para la bomba de uranio Little Boy . Su diseño era más sencillo y contenía menos polonio. Fue activado por el impacto del proyectil de uranio en el objetivo. Se añadió al diseño como una ocurrencia tardía y no era esencial para la función 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 probó en mayo de 1951. El diseño TOM utilizó menos polonio, ya que el número de neutrones por miligramo de polonio era mayor que la de Urchin. Su diámetro exterior era de sólo 1 cm. La primera prueba con fuego real de un iniciador TOM se produjo el 28 de enero de 1951 durante el disparo del Baker-1 de la Operación Ranger . [11] Durante la Operación Snapper , durante la prueba Fox el 25 de mayo de 1952 , se realizó una serie de experimentos de calibración para el tiempo de iniciación versus los datos de rendimiento de los iniciadores TOM .
En 1974, la India realizó la prueba nuclear del Buda Sonriente . El iniciador, cuyo nombre en código es "Flor", se basó en el mismo principio que el Erizo. Se cree que el polonio fue depositado sobre una gasa de platino en forma de loto para maximizar su superficie y encerrado en una esfera de tantalio rodeada por una cáscara de uranio con bolitas de berilio incrustadas. Según otras fuentes, el diseño era aún más similar al Urchin, con un caparazón de berilio formado para crear chorros de berilio en caso de implosión. Se informa que el diámetro exterior del iniciador es de 1,5 cm, o "aproximadamente 2 cm". [12]
Se puede utilizar deuteruro de uranio (UD 3 ) para construir un multiplicador de neutrones. [13] [14]
Las armas de fisión potenciada y las armas que utilizan generadores de neutrones externos ofrecen la posibilidad de rendimiento variable , lo que permite seleccionar la potencia del arma en función de las necesidades tácticas.
El polonio utilizado en el iniciador erizo se creó en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y luego se extrajo y purificó como parte del Proyecto Dayton bajo el liderazgo de Charles Allen Thomas . El Proyecto Dayton fue uno de los diversos sitios que componen el Proyecto Manhattan .
En 1949, se abrieron Mound Laboratories en la cercana Miamisburg, Ohio, como reemplazo del Proyecto Dayton y el nuevo hogar de investigación y desarrollo de iniciadores nucleares. El polonio-210 se produjo mediante irradiación de neutrones de bismuto . La producción e investigación de polonio en Mound se eliminó gradualmente en 1971. [15]
La División G de Los Álamos utilizó polonio de Dayton en estudios de diseño de iniciadores en un sitio de prueba en Sandia Canyon. El grupo iniciador construyó conjuntos de prueba perforando orificios en grandes cojinetes de bolas de turbinas, insertando el material activo y tapando los orificios con pernos. Estos conjuntos de prueba se conocían como chiflados . Los conjuntos de prueba implosionaron y se estudiaron sus restos para examinar qué tan bien se mezclaban el polonio y el berilio. [dieciséis]
La producción de los iniciadores TOM de berilio-polonio finalizó en 1953. Los iniciadores fueron reemplazados por un diseño diferente, lo que redujo ligeramente el rendimiento del arma, pero su mayor vida útil redujo la complejidad de la logística. [17] El iniciador de neutrones sellado , incluido en el inventario a finales de 1954, todavía requería un desmontaje periódico para acceder a su cápsula y realizar comprobaciones de mantenimiento. Las cápsulas se eliminaron por completo en 1962. [18]
Los iniciadores estilo erizo fueron posteriormente reemplazados 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, el intervalo de sustitución es mucho más largo. Estos se montan fuera de la fosa y se controlan eléctricamente, ya que los neutrones atraviesan fácilmente una masa considerable sin interacciones. Estos iniciadores eran más controlables y permitían una confiabilidad del arma mucho mejor.