Beim Manhattan-Projekt planten sie ursprünglich, Plutonium für ihre Kanonenbombe zu verwenden, und gaben dem Design den Namen "Thin Man". Später wurde jedoch festgestellt, dass reaktorgezüchtetes Pu-239 unweigerlich mit Pu-240 kontaminiert sein würde, dessen hohe spontane Spaltungsrate dazu geführt hätte, dass eine Kanonenbombe vorgezündet und zischte und nur einen kleinen Teil ihrer Energie freigesetzt hätte, es sei denn, die beiden Plutoniumstücke sollten mit unpraktisch hohen Geschwindigkeiten zusammengebracht werden und hätten ein zu langes Fass benötigt, um in einen Bomber zu passen. Als solches stellten sie die Entwicklung von Kanonenbomben auf die Verwendung von U-235 um, was schließlich zu Little Boy führen würde, während die Verwendung von Plutonium auf Implosionswaffen beschränkt war und das spaltbare Material war, das in Trinity und Fat Man verwendet wurde.
Die Logik hinter der Unbrauchbarkeit von Thin Man war, dass die Pu-240-Verunreinigungen eine hohe spontane Spaltungsrate hatten und bei jeder spontanen Spaltung schnelle Neutronen erzeugten. Diese Neutronen könnten dann eine nukleare Kettenreaktion auslösen, wenn die beiden Plutoniumstücke nahe genug wären, um eine kritische Masse zu bilden, aber bevor sie ihre optimale Position erreicht hätten. Die Energie aus dieser Reaktion würde die beiden Plutoniumstücke auseinander sprengen und die Reaktion schnell beenden, bevor mehr als ein winziger Bruchteil des Plutoniums gespalten worden wäre, was ein Zischen erzeugt hätte, das eine nach den Maßstäben chemischer Sprengstoffe beeindruckende Energiemenge freigesetzt hätte, aber weit unter den Kilotonnen einer richtigen Detonation.
U-235, das in Little Boy verwendete Material, unterliegt jedoch ebenfalls einer spontanen Spaltung und setzt Neutronen frei, wenn auch mit einer viel geringeren Rate, da es eine viel geringere Wahrscheinlichkeit hat, durch spontane Spaltung zu zerfallen, und eine viel längere Halbwertszeit, die Zerfälle jeglicher Art verursacht viel seltener als bei Plutonium.
Meine Frage ist, war es möglich, dass Little Boy oder jede U-235-Waffe die gleiche Art von Prädetonation und Zischen durchmachte, die Thin Man unbrauchbar machte, wenn sie das Pech hatten, ein U-235-Atom zu haben während des Fensters, in dem die beiden Uranmassen nahe genug beieinander liegen, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, einer spontanen Spaltung unterliegen, aber noch nicht die Konfiguration erreicht haben, in der eine solche Reaktion die meisten Atome spalten und die meiste Energie freisetzen würde?
Im Little Boy fand die spontane Spaltung innerhalb des U-235 kontinuierlich statt, aber die beiden U-235-Teile wurden beide sorgfältig entworfen, um unterkritisch zu sein – das heißt, sie wurden absichtlich geformt und so weit voneinander entfernt, dass die Neutronen spontan freigesetzt wurden Spaltungen entkamen dem Großteil des U-235, ohne weitere Spaltungen auszulösen, wodurch eine vorzeitige außer Kontrolle geratene Kettenreaktion und Explosion vermieden wurde. Sie wurden auch bewusst so geformt, dass beim Zusammenbau des Geschützes die resultierende Form und Größe der U-235-Masse sicherlich kritisch sein würde.
Bei diesen Bemühungen wurde den Bombenkonstrukteuren durch die Tatsache geholfen, dass das U-235, das aus der U-235/U-238-Mischung gereinigt worden war, keine Verunreinigungen enthielt, die eine spontane Spaltungsrate hatten, die hoch genug war, um die Machbarkeit der Bombe auszuschließen Waffendesign. Sie hatten genug Vertrauen in ihr Design, dass sie es für unnötig hielten, den Little Boy zu testen, und so explodierte ein Little Boy-Design zum ersten Mal, als es auf Hiroshima abgeworfen wurde.
Innerhalb einer bestimmten Zeit ist die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung für die Isotopenzusammensetzung von Uran in einer Waffe sehr gering im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung für die Isotopenzusammensetzung von Plutonium in einer Waffe. Die langsamere Montagezeit für eine Waffe vom Typ U-Kanone wurde aufgrund der geringen Wahrscheinlichkeit einer Vorzündung aufgrund spontaner Spaltung akzeptiert. Für eine Pu-Waffe ist die Wahrscheinlichkeit einer Vorzündung für die langsamere Kanonenanordnung zu hoch, daher wurde das schnellere explosionsgetriebene Implosionsdesign entwickelt. Sowohl für U- als auch für Pu-Waffen besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit eines Zischens durch Vorzündung durch spontane Spaltung.
Die Isotopenzusammensetzung von Plutonium in einer Waffe umfasst Pu-240, das eine relativ hohe spontane Spaltungsrate aufweist. Das Vorhandensein von Pu-240 ist unvermeidlich für Pu, das in einem Kernreaktor hergestellt wird. Pu-Produktionsreaktoren in Hanford und Savannah River verwendeten relativ kurze Expositionszeiten für den Brennstoff, bevor er zur Wiederaufbereitung entfernt wurde, um das Pu zurückzugewinnen, um eine übermäßige Ansammlung von Pu-240 zu vermeiden.
Im Gegensatz zu dem U in einer Waffe, das stark angereichert – und daher „gereinigt“ – ist, wird das aus der Wiederaufbereitung gewonnene Pu nicht angereichert, sodass das Pu-240 vor der Verwendung in einer Waffe nicht entfernt wird.
Ja, es war tatsächlich möglich, dass Little Boy vorgezündet wurde. Das Problem ist weniger die spontane Spaltung des U235, sondern dass fast 20% des Urans noch U238 waren. Zitat von Carey Sublette of Nuclear Weapons Archive:
„Bei Little Boy wurde eine kritische Konfiguration erreicht, als das Projektil und das Ziel noch 25 cm voneinander entfernt waren. Die Einführgeschwindigkeit betrug 300 m/s, was eine Gesamteinführzeit von 1,35 Millisekunden ergibt.
Lange Einsetzzeiten wie diese setzen den Materialien, die in der Bombe verwendet werden können, einige ernsthafte Einschränkungen, da es wesentlich ist, die Neutronenhintergrundpegel sehr niedrig zu halten. Plutonium ist ganz ausgeschlossen, nur U-235 und U-233 dürfen verwendet werden. Bestimmte Konstruktionen können auch etwas empfindlich auf die Isotopenzusammensetzung des Urans reagieren. Hohe Prozentsätze geradzahliger Isotope können die Wahrscheinlichkeit einer Prädetonation unannehmbar hoch machen.
Die 64 kg Uran in Little Boy hatten eine Isotopenreinheit von etwa 80 % U-235. Die 12,8 kg U-238 und U-234 erzeugten einen Neutronenhintergrund von etwa 1 Spaltung/14 Millisekunden, was Little Boy eine Prädetonationswahrscheinlichkeit von 8-9 % verleiht. Im Gegensatz zur Fat-Man-Bombe würde die Prädetonation in einer Bombe vom Typ Little Boy in fast allen Fällen zu einem vernachlässigbaren Ergebnis führen.
rfl