Tamper (arma nuclear) - Tamper (nuclear weapon)

Um adulterador é usado no projeto de armas nucleares para reduzir a massa crítica de uma arma nuclear e para atrasar a expansão do material reagente por meio de sua inércia . A arma se desintegra conforme a reação prossegue e isso interrompe a reação, então o uso de um adulterador torna a explosão mais duradoura, mais enérgica e mais eficiente. O rendimento pode ser aumentado ainda mais através do uso de um violador fissionável .

As primeiras armas nucleares usavam violadores pesados ​​de urânio natural ou carboneto de tungstênio , mas um violador pesado requer um sistema de implosão de alto explosivo maior e torna todo o dispositivo maior e mais pesado. O estágio primário de uma arma termonuclear moderna pode, em vez disso, usar um refletor de berílio leve , que também é transparente aos raios X quando ionizado , permitindo que a saída de energia do primário escape rapidamente para ser usada na compressão do estágio secundário. Materiais de violação mais exóticos, como ouro, são usados ​​para propósitos especiais, como emitir grandes quantidades de raios-X ou maximizar ou minimizar a precipitação radioativa .

Embora o efeito de uma violação seja aumentar a eficiência, tanto refletindo nêutrons quanto atrasando a expansão da bomba, o efeito sobre a massa crítica não é tão grande. A razão para isso é que o processo de reflexão é demorado. Quando os nêutrons refletidos voltam para o núcleo, várias gerações da reação em cadeia já se passaram, o que significa que a contribuição da geração anterior é uma pequena fração da população de nêutrons.

Função

Em Atomic Energy for Military Purposes (1945), o físico Henry DeWolf Smyth descreveu a função de um adulterador no projeto de uma arma nuclear como semelhante ao refletor de nêutrons usado em um reator nuclear :

Um envelope semelhante pode ser usado para reduzir o tamanho crítico da bomba, mas aqui o envelope tem uma função adicional: sua própria inércia retarda a expansão do material reagente. Por esse motivo, esse envelope é freqüentemente chamado de sabotagem. O uso de um tamper claramente contribui para uma explosão mais duradoura, mais enérgica e mais eficiente.

História

O conceito de cercar o núcleo de uma arma nuclear com um adulterador foi apresentado por Robert Serber em seu Los Alamos Primer , uma série de palestras proferidas em abril de 1943 como parte do Projeto Manhattan , que construiu as primeiras armas nucleares . Ele observou que, como a inércia era a chave, os materiais mais densos eram preferíveis e identificou ouro , rênio , tungstênio e urânio como os melhores candidatos. Ele acreditava que eles também tinham boas propriedades de reflexão de nêutrons , embora tenha alertado que muito mais trabalho precisava ser feito nessa área. Usando a teoria de difusão elementar , ele previu que a massa crítica de uma arma nuclear com um adulterador seria um oitavo da de uma arma idêntica, mas sem tamponamento. Ele acrescentou que, na prática, isso seria apenas cerca de um quarto em vez de um oitavo.

Serber notou que a propriedade de reflexão de nêutrons não era tão boa quanto poderia parecer à primeira vista, porque os nêutrons retornando de colisões no tamper levariam tempo para fazê-lo. Ele estimou que, para um adulterador de urânio, eles poderiam levar cerca de 10 a ⁷ segundos. Quando os nêutrons refletidos voltam para o núcleo, várias gerações da reação em cadeia já se passaram, o que significa que a contribuição da geração anterior é uma pequena fração da população de nêutrons. Os nêutrons retornando também seriam retardados pela colisão. Seguiu-se que 15% a mais de material físsil era necessário para obter a mesma liberação de energia com um adulterador de ouro em comparação com um de urânio, apesar do fato de que as massas críticas diferiam em 50%. Na época, as massas críticas do urânio (e mais particularmente do plutônio ) não eram conhecidas com precisão. Pensou-se que o urânio com um adulterador de urânio poderia pesar cerca de 25 kg, enquanto o de plutônio seria cerca de 5 kg.

A bomba de urânio Little Boy usada no bombardeio atômico de Hiroshima tinha um tamper de carboneto de tungstênio (WC). Isso era importante não apenas para a reflexão de nêutrons, mas também por sua força em evitar que o projétil atingisse o alvo. O tamper tinha um raio de 17,5 centímetros (6,9 pol.) E uma espessura de 11,3 centímetros (4,4 pol.), Para uma massa de 317 quilogramas (699 lb). Isso era cerca de 3,5 vezes a massa do material físsil usado. O carboneto de tungstênio tem alta densidade e baixa seção transversal de absorção de nêutrons. A razão pela qual o urânio empobrecido, apesar de estar disponível em quantidade para o Projeto Manhattan, não foi usado é que ele ainda tem uma taxa relativamente alta de fissão espontânea de cerca de 675 por kg por segundo. Um adulterador de urânio empobrecido de 300 kg teria, portanto, uma chance inaceitável de iniciar uma pré - detonação . O carboneto de tungstênio era comumente usado em armas nucleares do tipo canhão de urânio-233 usadas com peças de artilharia pela mesma razão.

Na ogiva W88 , o primário usa um adulterador de berílio leve , enquanto o secundário tem um pesado de urânio 235 .

Existem vantagens em usar um adulterador fissionável para aumentar o rendimento. O urânio-238 fissão quando atingido por um nêutron com 1,6 megaeletronvolts (0,26  pJ ), e cerca de metade dos nêutrons produzidos pela fissão do urânio-235 vai exceder esse limite. No entanto, um nêutron rápido atingindo um núcleo de urânio-238 tem oito vezes mais probabilidade de ser espalhado inelasticamente do que produzir uma fissão e, quando o faz, é desacelerado até o ponto abaixo do limiar de fissão do urânio-238. No tipo Fat Man usado no teste Trinity e em Nagasaki, a violação consistia em conchas de urânio natural e alumínio de 7,0 centímetros (2,75 pol.). Estima-se que até 30% do rendimento veio da fissão do adulterador de urânio natural. Destes, estima-se que 14,5 toneladas de TNT (61 GJ) das 21 quilotoneladas de TNT (88 TJ) produzidas foram contribuídas pela fotofissão do adulterador.

Em uma arma de fissão reforçada ou uma arma termonuclear , os nêutrons de 14,1 megaeletronvolt (2,26 pJ) produzidos por uma reação de deutério - trítio podem permanecer suficientemente energéticos para fissão de urânio-238 mesmo após três colisões com deutério, mas o 2,45 megaeletronvolt (0,393 pJ ) os produzidos pela fusão deutério-deutério não têm mais energia suficiente mesmo após uma única colisão. Um adulterador de urânio-235 fissão mesmo com nêutrons lentos. Um adulterador de urânio altamente enriquecido é, portanto, mais eficiente do que um adulterador de urânio empobrecido, e um adulterador menor pode ser usado para obter o mesmo rendimento. O uso de tampers de urânio enriquecido, portanto, tornou-se mais comum quando o urânio enriquecido se tornou mais abundante. O tório também pode ser usado como um adulterador fissionável. Ele tem um peso atômico quase tão alto quanto o do urânio e uma menor propensão à fissão, o que significa que o adulterador tem que ser muito mais espesso.

Um desenvolvimento importante após a Segunda Guerra Mundial foi o compactador de berílio leve . Em um dispositivo com reforço, as reações termonucleares aumentam muito a produção de nêutrons, o que torna a propriedade inercial dos tampers menos importante. O berílio tem uma seção transversal de baixa absorção de nêutrons lenta, mas uma seção transversal de espalhamento muito alta. Quando atingido por nêutrons de alta energia produzidos por reações de fissão, o berílio emite nêutrons. Com um refletor de berílio de 10 centímetros (4 pol.), A massa crítica do urânio altamente enriquecido é de 14,1 kg, em comparação com 52,5 kg em uma esfera sem tamponamento. Um adulterador de berílio também minimiza a perda de raios-X, o que é importante para um primário termonuclear, que usa seus raios-X para comprimir o estágio secundário.

O sabotador de berílio havia sido considerado pelo Projeto Manhattan, mas havia falta de berílio e os experimentos com um sabotador de berílio só começaram depois da guerra. O físico Louis Slotin foi morto em maio de 1946 em um acidente de gravidade envolvendo um deles. Um dispositivo com um adulterador de berílio foi testado com sucesso na Operação Tumbler-Snapper How disparado em 5 de junho de 1952 e, desde então, o berílio tem sido amplamente utilizado como adulterador termonuclear primário.

Em dispositivos termonucleares, o tamper do secundário (ou "empurrador") não só funciona para refletir nêutrons, confinar o combustível de fusão com sua massa inercial e aumentar o rendimento com suas fissões produzidas por nêutrons emitidos pelas reações termonucleares, mas também ajuda a impulsionar o implosão da radiação e evitar a perda de energia térmica. Por esta razão, a violação pesada ainda é preferida.

Materiais alternativos

O tório também pode ser usado como um adulterador fissionável. Ele tem um peso atômico quase tão alto quanto o do urânio e uma menor propensão à fissão, o que significa que o adulterador tem que ser muito mais espesso. Também é possível que um estado que busca desenvolver capacidade de armas nucleares possa adicionar plutônio de grau de reator a um adulterador de urânio natural. Isso causaria problemas com as emissões de nêutrons do plutônio, mas pode ser possível superar isso com uma camada de boro-10 , que tem uma seção transversal de nêutrons alta para a absorção dos nêutrons lentos que fissionam o urânio-238 e o plutônio- 239 , mas uma seção transversal baixa para a absorção dos nêutrons rápidos que fissionam o urânio-238. Foi usado em armas termonucleares para proteger a vela de ignição de plutônio de nêutrons perdidos emitidos pelo adulterador de urânio-238. No tipo Fat Man, o adulterador de urânio natural era revestido com boro .

Os materiais não fissionáveis ​​também podem ser usados ​​como tampers. Às vezes, eles eram substituídos por fissionáveis ​​em testes nucleares , onde um alto rendimento era desnecessário. O material de adulteração não fissionável mais comumente usado é o chumbo , que é amplamente disponível e barato. Os projetos britânicos costumavam usar uma liga de chumbo- bismuto . O bismuto tem o maior número atômico de qualquer material adulterável não fissionável. O uso de chumbo e bismuto reduz a precipitação radioativa, pois nenhum deles produz isótopos que emitem quantidades significativas de radiação gama quando irradiados com nêutrons.

A ogiva W71 usada no míssil antibalístico LIM-49 Spartan tinha uma adulteração de ouro em torno de seu secundário para maximizar sua produção de raios-X, que era usada para incapacitar as ogivas nucleares que chegavam. A irradiação de ouro-197 produz ouro-198, que tem meia-vida de 2.697 dias e emite partículas beta de 0,412 megaeletronvolt (0,0660 pJ) e 0,96 megaeletronvolt (0,154 pJ) . Portanto, ele produz radiação de curta duração, mas intensa, que pode ter usos no campo de batalha, embora esse não fosse seu objetivo no W71. Outro elemento avaliado pelos EUA para tal fim foi o tântalo . O tântalo natural é quase inteiramente o tântalo-181, que quando irradiado com nêutrons torna-se o tântalo-182, um emissor de raios gama e beta com meia-vida de 115 dias. Um conceito bem conhecido para o uso de um material alternativo é a bomba de cobalto .

O cobalto é uma perspectiva pobre de adulteração porque é relativamente leve e ioniza a 9,9 kiloeletronvolts (1,59 fJ), mas o cobalto natural é inteiramente cobalto-59, que se torna cobalto-60 quando irradiado com nêutrons. Com meia-vida de 5,26 anos, isso poderia produzir contaminação radioativa de longa duração. O teste nuclear britânico de Tadje em Maralinga usou pelotas de cobalto como um "marcador" para determinar o rendimento. Isso alimentou rumores de que a Grã-Bretanha estava desenvolvendo uma bomba de cobalto.

Física

A equação de difusão para o número de nêutrons dentro de um núcleo de bomba é dada por:

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

onde é a densidade do número de nêutrons, é a velocidade média dos nêutrons, é o número de nêutrons secundários produzidos por fissão, é o caminho livre médio da fissão e é o caminho livre médio do transporte para nêutrons no núcleo. ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle v_ {n}}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ lambda _ {f} ^ {core}}$${\ displaystyle \ lambda _ {t} ^ {core}}$

${\ displaystyle N}$não depende da direção, então podemos usar esta forma do operador Laplace em coordenadas esféricas:

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

Resolver a equação diferencial parcial separável nos dá:

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

Onde

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

e

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

Para o tamper, o primeiro termo no primeiro termo na primeira equação relativo à produção de nêutrons pode ser desconsiderado, deixando:

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

Defina a constante de separação como . Se (o que significa que a densidade de nêutrons no tamper é constante), a solução se torna: ${\ displaystyle \ delta / \ tau}$${\ displaystyle \ delta = 0}$

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

Onde e são constantes de integração . ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle B}$

Se (o que significa que a densidade de nêutrons no adulterador está crescendo), a solução se torna: ${\ displaystyle \ delta> 0}$

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

Onde

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

Serber notou que no limite entre o núcleo e o tamper, o fluxo de difusão de nêutrons deve ser contínuo, portanto, se o núcleo tem raio, então: ${\ displaystyle R_ {core}}$

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

Se a velocidade do nêutron no núcleo e no tamper for a mesma, então e: ${\ displaystyle \ alpha = \ delta}$

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

Caso contrário, cada lado teria que ser multiplicado pela velocidade do nêutron relevante. Também:

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

Para o caso em que : ${\ displaystyle \ alpha = \ delta = 0}$

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

Se o tamper for realmente espesso, isto pode ser aproximado como: ${\ displaystyle R_ {tamper} \ gg R_ {tamper} ^ {threshold}}$

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

Se o tamper (irrealisticamente) for um vácuo, então a seção transversal de espalhamento de nêutrons seria zero e . A equação se torna: ${\ displaystyle \ lambda _ {t} ^ {tamper} = \ infty}$

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

que é satisfeito por:

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

Se o tamper for muito espesso e tiver propriedades de dispersão de nêutrons semelhantes ao núcleo, ou seja:

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

Então a equação se torna:

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

que fica satisfeito quando:

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

Nesse caso, o raio crítico é o dobro do que seria se não houvesse violação. Como o volume é proporcional ao cubo do raio, chegamos à conclusão de Serber de que uma redução de oito vezes na massa crítica é teoricamente possível.

Notas

Referências