Iniciador de nêutrons modulados - Modulated neutron initiator
Um iniciador de nêutrons modulado é uma fonte de nêutrons capaz de produzir uma explosão de nêutrons na ativação. É uma parte crucial de algumas armas nucleares , pois seu papel é "dar o pontapé inicial" na reação em cadeia no momento ideal, quando a configuração é crítica imediata . Ele também é conhecido como um iniciador de nêutrons interno . O iniciador é normalmente colocado no centro do poço de plutônio e é ativado pelo impacto da onda de choque convergente .
Um dos elementos-chave na operação adequada de uma arma nuclear é o início da reação em cadeia de fissão no momento adequado. Para obter um rendimento nuclear significativo, nêutrons suficientes devem estar presentes no núcleo supercrítico no momento certo. Se a reação em cadeia começar muito cedo (" pré-detonação "), o resultado será apenas um ' rendimento da fissura ', bem abaixo da especificação do projeto, portanto, a baixa emissão espontânea de nêutrons do material do fosso é crucial. Se ocorrer muito tarde, o núcleo terá começado a se expandir e desmontar em um estado menos denso, levando a um rendimento reduzido (menos do material do núcleo sofre fissão) ou nenhum rendimento (o núcleo não é mais uma massa crítica )
Para armas de fissão ampliada , o tamanho do iniciador colocado centralmente é crítico e deve ser o menor possível. O uso de uma fonte de nêutrons externa permite mais flexibilidade, como rendimentos variáveis.
Projeto
O desenho usual é baseado em uma combinação de berílio -9 e polônio-210 , separados até a ativação, e então colocados em contato íntimo pela onda de choque. Polônio-208 e actínio-227 também foram considerados fontes alfa. O isótopo usado deve ter fortes emissões alfa e fracas emissões gama, já que fótons gama também podem soltar nêutrons e não podem ser blindados com tanta eficiência como partículas alfa. Diversas variantes foram desenvolvidas, diferindo pelas dimensões e configuração mecânica do sistema garantindo a mistura adequada dos metais.
Urchin
Urchin era o codinome para o iniciador interno de nêutrons, um dispositivo gerador de nêutrons que disparava a detonação nuclear das primeiras bombas atômicas de plutônio , como The Gadget e Fat Man , uma vez que a massa crítica foi "montada" pela força de explosivos convencionais.
O iniciador usado nos primeiros dispositivos, localizado no centro do poço de plutônio da bomba , consistia em uma pelota de berílio e uma concha de berílio com polônio entre os dois. A pelota, de 0,8 cm de diâmetro, foi revestida com níquel e depois com uma camada de ouro . A concha de berílio tinha 2 cm de diâmetro externo e espessura de parede de 0,6 cm. A superfície interna dessa concha tinha 15 ranhuras latitudinais concêntricas em forma de cunha e era, como a esfera interna, revestida de ouro e níquel. Uma pequena quantidade de polônio-210 (50 curies, 11 mg) foi depositada nas ranhuras da concha e na esfera central: as camadas de ouro e níquel serviam para proteger o berílio das partículas alfa emitidas pelo polônio. O ouriço inteiro pesava cerca de 7 gramas e era preso a suportes de montagem em uma cavidade interna de 2,5 cm de diâmetro na cova.
Quando a onda de choque da implosão do núcleo de plutônio chega, ela esmaga o iniciador. As forças hidrodinâmicas que atuam na concha ranhurada misturam completa e virtualmente instantaneamente o berílio e o polônio, permitindo que as partículas alfa do polônio colidam com os átomos de berílio. Reagindo ao bombardeio de partículas alfa, os átomos de berílio emitem nêutrons a uma taxa de cerca de 1 nêutron a cada 5-10 nanossegundos (ver Beryllium # Nuclear properties ). Esses nêutrons desencadeiam a reação em cadeia no plutônio supercrítico comprimido . Colocar a camada de polônio entre duas grandes massas de berílio garante o contato dos metais, mesmo que a turbulência da onda de choque tenha um desempenho ruim.
As 50 curies de polônio geraram cerca de 0,1 watts de calor de decomposição , aquecendo visivelmente a pequena esfera.
As ranhuras na superfície interna da concha moldaram a onda de choque em jatos pelo efeito Munroe , semelhante a uma carga modelada , para uma mistura rápida e completa de berílio e polônio. Como o efeito Munroe é menos confiável na geometria linear, os projetos posteriores usaram uma esfera com recortes internos cônicos ou piramidais em vez de ranhuras lineares. Alguns projetos de iniciador omitem a esfera central, sendo oca em seu lugar. A vantagem de um projeto oco é possivelmente gerenciar um tamanho menor enquanto mantém a confiabilidade.
A curta meia-vida do polônio (138,376 dias) exigia a substituição frequente de iniciadores e um suprimento contínuo de polônio para sua fabricação, pois sua vida útil era de apenas 4 meses. Projetos posteriores tinham vida útil de até 1 ano.
O governo dos EUA usou Postum como um codinome para o polônio.
O uso de polônio para o iniciador de nêutrons foi proposto em 1944 por Edward Condon , embora o polônio como iniciador tenha sido mencionado como uma possibilidade nas palestras " Los Alamos Primer " ministradas em abril de 1943. O próprio iniciador foi projetado por James L. Tuck , e seu desenvolvimento e teste foram realizados no Laboratório Nacional de Los Alamos no grupo de iniciadores da divisão " Gadget " liderado por Charles Critchfield .
Abner
Um iniciador diferente (codinome ABNER ) foi usado para a bomba de urânio Little Boy . Seu design era mais simples e continha menos polônio. Foi ativado pelo impacto do projétil de urânio no alvo. Ele foi adicionado ao design como uma reflexão tardia e não era essencial para a função da arma.
Iniciador TOM
Uma construção melhorada do iniciador, provavelmente baseada em indentações cônicas ou piramidais, foi proposta em 1948, colocada em produção por Los Alamos em janeiro de 1950 e testada em maio de 1951. O projeto TOM usava menos polônio, como o número de nêutrons por miligrama de polônio era maior do que o do ouriço. Seu diâmetro externo era de apenas 1 cm. O primeiro teste de fogo ao vivo de um iniciador TOM ocorreu em 28 de janeiro de 1951 durante o tiro Baker-1 da Operação Ranger . Uma série de experimentos de calibração para tempo de iniciação vs dados de rendimento dos iniciadores TOM foi realizada durante a Operação Snapper , durante o teste Fox em 25 de maio de 1952.
Flor
Em 1974, a Índia realizou o teste nuclear do Buda Sorridente . O iniciador, com o codinome "Flor", foi baseado no mesmo princípio do Urchin. Acredita-se que o polônio foi depositado em uma gaze de platina em forma de lótus para maximizar sua superfície e encerrado em uma esfera de tântalo cercada por uma concha de urânio com pelotas de berílio embutidas. De acordo com outras fontes, o design era ainda mais semelhante ao do Urchin, com uma concha de berílio em forma de criar jatos de berílio após a implosão. O diâmetro externo do iniciador é relatado como 1,5 cm ou "cerca de 2 cm".
Outros designs
Deutereto de urânio (UD 3 ) pode ser usado para a construção de um multiplicador de nêutrons.
Armas de fissão reforçada e armas que usam geradores de nêutrons externos oferecem a possibilidade de rendimento variável , permitindo a seleção da potência da arma dependendo das necessidades táticas.
Desenvolvimento
O polônio usado no iniciador de ouriço foi criado no Oak Ridge National Laboratory e, em seguida, extraído e purificado como parte do Projeto Dayton sob a liderança de Charles Allen Thomas . O Projeto Dayton foi um dos vários locais que compõem o Projeto Manhattan .
Em 1949, os Laboratórios Mound nas proximidades de Miamisburg, Ohio, foram inaugurados como um substituto para o Projeto Dayton e o novo lar de pesquisa e desenvolvimento de iniciadores nucleares. O polônio-210 foi produzido por irradiação de nêutrons de bismuto . A produção e pesquisa de polônio em Mound foram descontinuadas em 1971.
O polônio de Dayton foi usado pela Divisão G de Los Alamos em estudos de design de iniciador em um local de teste em Sandia Canyon. O grupo de iniciadores construiu conjuntos de teste fazendo furos em grandes rolamentos de esferas da turbina, inserindo o material ativo e fechando os furos com parafusos. Essas montagens de teste eram conhecidas como malucas . Os conjuntos de teste foram implodidos e seus restos estudados para examinar o quão bem o polônio e o berílio se misturaram.
A produção dos iniciadores TOM berílio-polônio terminou em 1953. Os iniciadores foram substituídos por um design diferente, o que reduziu ligeiramente o rendimento da arma, mas sua vida útil mais longa reduziu a complexidade da logística. O iniciador de nêutrons selado , colocado em estoque no final de 1954, ainda exigia uma desmontagem periódica para acessar sua cápsula para verificações de manutenção. As cápsulas foram eliminadas completamente em 1962.
Os iniciadores do estilo Urchin foram posteriormente substituídos por outros meios de geração de nêutrons, como emissores de nêutrons pulsados que não usam polônio. Usando o trítio com meia-vida de 12,3 anos em vez do polônio, eles têm um intervalo de reposição muito mais longo. Eles são montados fora do fosso e controlados eletricamente, uma vez que os nêutrons passam facilmente por uma massa considerável sem interações. Esses iniciadores eram mais controláveis e permitiam uma confiabilidade de arma muito melhorada.