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Los diseños de armas nucleares son disposiciones físicas, químicas y de ingeniería que hacen que el paquete físico [1] de un arma nuclear detone. Hay tres tipos de diseño básicos existentes:
Las armas de fisión pura han sido el primer tipo construido por las nuevas potencias nucleares. Los grandes estados industriales con arsenales nucleares bien desarrollados tienen armas termonucleares de dos etapas, que son la opción más compacta, escalable y rentable, una vez que se construye la base técnica y la infraestructura industrial necesarias.
La mayoría de las innovaciones conocidas en el diseño de armas nucleares se originaron en los Estados Unidos, aunque algunas fueron desarrolladas posteriormente de forma independiente por otros estados. [3]
En las primeras noticias, las armas de fisión pura se llamaban bombas atómicas o bombas A y las armas de fusión se llamaban bombas de hidrógeno o bombas H. Sin embargo, quienes practican la política nuclear favorecen los términos nuclear y termonuclear, respectivamente.
La fisión nuclear separa o divide átomos más pesados para formar átomos más ligeros. La fusión nuclear combina átomos más ligeros para formar átomos más pesados. Ambas reacciones generan aproximadamente un millón de veces más energía que reacciones químicas comparables, lo que hace que las bombas nucleares sean un millón de veces más poderosas que las bombas no nucleares, como reivindica una patente francesa en mayo de 1939. [4]
En cierto modo, la fisión y la fusión son reacciones opuestas y complementarias, pero los detalles son únicos para cada una. Para comprender cómo se diseñan las armas nucleares, es útil conocer las importantes similitudes y diferencias entre fisión y fusión. La siguiente explicación utiliza números redondeados y aproximaciones. [5]
Cuando un neutrón libre golpea el núcleo de un átomo fisionable como el uranio-235 ( 235 U), el núcleo de uranio se divide en dos núcleos más pequeños llamados fragmentos de fisión, además de más neutrones (para 235 U, tres con tanta frecuencia como dos; un promedio de apenas menos de 2,5 por fisión). La reacción en cadena de fisión en una masa supercrítica de combustible puede ser autosostenida porque produce suficientes neutrones excedentes para compensar las pérdidas de neutrones que escapan del conjunto supercrítico. La mayoría de ellos tienen la velocidad (energía cinética) necesaria para provocar nuevas fisiones en los núcleos de uranio vecinos. [6]
El núcleo de uranio-235 se puede dividir de muchas maneras, siempre que los números de carga sumen 92 y los números de masa sumen 236 (uranio-235 más el neutrón que causó la división). La siguiente ecuación muestra una posible división, concretamente en estroncio-95 ( 95 Sr), xenón-139 ( 139 Xe) y dos neutrones (n), más energía: [7]
La liberación inmediata de energía por átomo es de unos 180 millones de electronvoltios (MeV); es decir, 74 TJ/kg. Sólo el 7% de esto es radiación gamma y energía cinética de neutrones de fisión. El 93% restante es energía cinética (o energía de movimiento) de los fragmentos de fisión cargados que se alejan unos de otros repelidos mutuamente por la carga positiva de sus protones (38 para el estroncio, 54 para el xenón). Esta energía cinética inicial es de 67 TJ/kg, lo que imparte una velocidad inicial de unos 12.000 kilómetros por segundo. La alta carga eléctrica de los fragmentos cargados provoca muchas colisiones de culombio inelásticas con núcleos cercanos, y estos fragmentos permanecen atrapados dentro del pozo fisible de la bomba y se manipulan hasta que su movimiento se convierte en calor. Dada la velocidad de los fragmentos y el camino libre medio entre los núcleos en el conjunto combustible comprimido (para el diseño de implosión), esto toma aproximadamente una millonésima de segundo (un microsegundo), momento en el cual el núcleo y el támper de la bomba se han expandido. plasmar varios metros de diámetro y una temperatura de decenas de millones de grados centígrados.
Esto es lo suficientemente caliente como para emitir radiación de cuerpo negro en el espectro de rayos X. Estos rayos X son absorbidos por el aire circundante, produciendo la bola de fuego y la explosión de una explosión nuclear.
La mayoría de los productos de fisión tienen demasiados neutrones para ser estables, por lo que son radiactivos por desintegración beta , convirtiendo neutrones en protones al desprender partículas beta (electrones) y rayos gamma. Su vida media oscila entre milisegundos y unos 200.000 años. Muchos se desintegran en isótopos que son en sí mismos radiactivos, por lo que pueden ser necesarias de 1 a 6 (en promedio, 3) desintegraciones para alcanzar la estabilidad. [8] En los reactores, los productos radiactivos son los residuos nucleares contenidos en el combustible gastado. En las bombas, se convierten en lluvia radioactiva, tanto local como global. [9]
Mientras tanto, dentro de la bomba que explota, los neutrones libres liberados por la fisión se llevan alrededor del 3% de la energía de fisión inicial. La energía cinética de los neutrones se suma a la energía de explosión de una bomba, pero no tan eficazmente como la energía de los fragmentos cargados, ya que los neutrones no ceden su energía cinética tan rápidamente en colisiones con núcleos o electrones cargados. La contribución dominante de los neutrones de fisión a la potencia de la bomba es el inicio de fisiones posteriores. Más de la mitad de los neutrones escapan del núcleo de la bomba, pero el resto golpea 235 núcleos U, provocando su fisión en una reacción en cadena que crece exponencialmente (1, 2, 4, 8, 16, etc.). A partir de un átomo, el número de fisiones puede teóricamente duplicarse cien veces en un microsegundo, lo que podría consumir todo el uranio o el plutonio hasta cientos de toneladas por el centésimo eslabón de la cadena. Normalmente, en un arma moderna, la fosa del arma contiene de 3,5 a 4,5 kilogramos (7,7 a 9,9 libras) de plutonio y en la detonación produce aproximadamente de 5 a 10 kilotones de TNT (21 a 42 TJ), lo que representa la fisión de aproximadamente 0,5 kilogramos (1,1 lb) de plutonio. [10] [11]
Los materiales que pueden sufrir una reacción en cadena se llaman fisibles . Los dos materiales fisibles utilizados en las armas nucleares son: 235 U, también conocido como uranio altamente enriquecido (UME), "oraalloy" que significa "aleación de Oak Ridge", [12] o "25" (una combinación del último dígito de la número de uranio-235, que es 92, y el último dígito de su número másico, que es 235); y 239 Pu, también conocido como plutonio-239 o "49" (de "94" y "239"). [13]
El isótopo más común del uranio, el 238 U, es fisionable pero no fisible, lo que significa que no puede sostener una reacción en cadena porque sus neutrones de fisión hijos no son (en promedio) lo suficientemente energéticos como para causar fisiones posteriores del 238 U. Sin embargo, los neutrones liberados por la fusión de los isótopos pesados de hidrógeno, deuterio y tritio , fisionarán 238 U. Esta reacción de fisión de 238 U en la envoltura exterior del conjunto secundario de una bomba termonuclear de dos etapas produce, con diferencia, la mayor fracción de la energía de la bomba. rendimiento, así como la mayoría de sus desechos radiactivos.
Para las potencias nacionales involucradas en una carrera de armamentos nucleares, este hecho de la capacidad del 238 U para fisionarse rápidamente a partir del bombardeo de neutrones termonucleares es de importancia central. La plenitud y el bajo costo tanto del combustible de fusión seco a granel (deuteruro de litio) como del 238 U (un subproducto del enriquecimiento de uranio) permiten la producción económica de arsenales nucleares muy grandes, en comparación con las armas de fisión pura que requieren los costosos combustibles 235 U o 239 Pu.
La fusión produce neutrones que disipan la energía de la reacción. [14] En las armas, la reacción de fusión más importante se llama reacción DT. Usando el calor y la presión de la fisión, el hidrógeno-2 o deuterio ( 2 D) se fusiona con el hidrógeno-3 o tritio ( 3 T) para formar helio-4 ( 4 He) más un neutrón (n) y energía: [15]
La producción total de energía, 17,6 MeV, es una décima parte de la de la fisión, pero los ingredientes tienen sólo una quincuagésima parte de su masa, por lo que la producción de energía por unidad de masa es aproximadamente cinco veces mayor. En esta reacción de fusión, 14 de los 17,6 MeV (80% de la energía liberada en la reacción) se manifiestan como energía cinética del neutrón, que, al no tener carga eléctrica y ser casi tan masivo como los núcleos de hidrógeno que lo crearon, puede escapar de la escena sin dejar atrás su energía para ayudar a mantener la reacción, o para generar rayos X para explosiones y incendios. [ cita necesaria ]
La única forma práctica de capturar la mayor parte de la energía de fusión es atrapar los neutrones dentro de una enorme botella de material pesado como plomo, uranio o plutonio. Si el neutrón de 14 MeV es capturado por uranio (de cualquier isótopo; 14 MeV es lo suficientemente alto como para fisionar 235 U y 238 U) o plutonio, el resultado es la fisión y la liberación de 180 MeV de energía de fisión, multiplicando diez veces la producción de energía. . [ cita necesaria ]
Para el uso de armas, la fisión es necesaria para iniciar la fusión, ayuda a mantener la fusión y captura y multiplica la energía transportada por los neutrones de fusión. En el caso de una bomba de neutrones (ver más abajo), el último factor mencionado no se aplica, ya que el objetivo es facilitar el escape de los neutrones, en lugar de utilizarlos para aumentar la potencia bruta del arma. [ cita necesaria ]
Una reacción nuclear esencial es la que crea tritio o hidrógeno-3. El tritio se emplea de dos maneras. En primer lugar, se produce gas tritio puro para colocarlo dentro de los núcleos de los dispositivos de fisión potenciados con el fin de aumentar su rendimiento energético. Esto es especialmente cierto en el caso de los primarios de fisión de las armas termonucleares. La segunda forma es indirecta y aprovecha el hecho de que los neutrones emitidos por una "bujía" de fisión supercrítica en el ensamblaje secundario de una bomba termonuclear de dos etapas producirán tritio in situ cuando estos neutrones colisionen con los núcleos de litio en el suministro de combustible de deuteruro de litio de la bomba.
El tritio gaseoso elemental para los primarios de fisión también se produce bombardeando litio-6 ( 6 Li) con neutrones (n), sólo en un reactor nuclear. Este bombardeo de neutrones provocará que el núcleo de litio-6 se divida, produciendo una partícula alfa, o helio -4 ( 4 He), más un tritón ( 3 T) y energía: [15]
Los neutrones son suministrados por el reactor nuclear de una manera similar a la producción de plutonio 239 Pu a partir de materia prima de 238 U: las barras objetivo de la materia prima de 6 Li se disponen alrededor de un núcleo alimentado con uranio y se retiran para su procesamiento una vez que se ha calculado que la mayoría de los núcleos de litio se han transmutado en tritio.
De los cuatro tipos básicos de armas nucleares, el primero, la fisión pura, utiliza la primera de las tres reacciones nucleares anteriores. La segunda, la fisión impulsada por la fusión, utiliza las dos primeras. El tercero, termonuclear de dos etapas, utiliza los tres.
La primera tarea del diseño de un arma nuclear es ensamblar rápidamente una masa supercrítica de uranio o plutonio fisible (grado para armas). Una masa supercrítica es aquella en la que el porcentaje de neutrones producidos por la fisión capturados por otros núcleos fisionables vecinos es lo suficientemente grande como para que cada evento de fisión, en promedio, cause más de un evento de fisión posterior. Los neutrones liberados por los primeros eventos de fisión inducen eventos de fisión posteriores a un ritmo exponencialmente acelerado. Cada fisión subsiguiente continúa una secuencia de estas reacciones que se abre camino a través de la masa supercrítica de los núcleos de combustible. Este proceso es concebido y descrito coloquialmente como reacción nuclear en cadena .
Para iniciar la reacción en cadena en un conjunto supercrítico, se debe inyectar al menos un neutrón libre y colisionar con un núcleo de combustible fisionable. El neutrón se une al núcleo (técnicamente un evento de fusión) y desestabiliza el núcleo, que explota en dos fragmentos nucleares de peso mediano (de la ruptura de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones mutuamente repulsivos), más dos o tres neutrones libres. Estos se alejan y chocan con los núcleos de combustible vecinos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que el conjunto combustible se vuelve subcrítico (debido a la expansión térmica), después de lo cual la reacción en cadena se detiene porque los neutrones hijos ya no pueden encontrar nuevos núcleos de combustible para golpear antes de escapar de la masa de combustible menos densa. Cada siguiente evento de fisión en la cadena duplica aproximadamente la población de neutrones (neta, después de las pérdidas debidas a que algunos neutrones escapan de la masa de combustible y otros que chocan con cualquier núcleo de impureza presente que no sea combustible).
Para el método de ensamblaje de pistola (ver más abajo) de formación de masa supercrítica, se puede confiar en que el combustible mismo inicie la reacción en cadena. Esto se debe a que incluso el uranio mejor apto para armas contiene un número significativo de núcleos de 238 U. Estos son susceptibles a eventos de fisión espontánea , que ocurren de forma aleatoria (es un fenómeno de la mecánica cuántica). Debido a que el material fisible en una masa crítica ensamblada en un arma no está comprimido, el diseño solo necesita garantizar que las dos masas subcríticas permanezcan lo suficientemente cerca entre sí durante el tiempo suficiente para que se produzca una fisión espontánea de 238 U mientras el arma está cerca del objetivo. . Esto no es difícil de lograr, ya que solo se necesitan uno o dos segundos en una masa de combustible de tamaño típico para que esto ocurra. (Aun así, muchas de estas bombas destinadas a ser lanzadas por aire (bombas de gravedad, proyectiles de artillería o cohetes) utilizan neutrones inyectados para obtener un control más preciso sobre la altitud exacta de detonación, importante para la eficacia destructiva de las explosiones aéreas).
Esta condición de fisión espontánea resalta la necesidad de ensamblar la masa supercrítica de combustible muy rápidamente. El tiempo necesario para lograr esto se denomina tiempo crítico de inserción del arma . Si se produjera una fisión espontánea cuando la masa supercrítica solo estaba parcialmente ensamblada, la reacción en cadena comenzaría prematuramente. Las pérdidas de neutrones a través del vacío entre las dos masas subcríticas (conjunto del cañón) o los huecos entre núcleos de combustible no completamente comprimidos (conjunto de implosión) restarían a la bomba la cantidad de eventos de fisión necesarios para alcanzar el rendimiento total del diseño. Además, el calor resultante de las fisiones que ocurren actuaría en contra del ensamblaje continuo de la masa supercrítica, debido a la expansión térmica del combustible. Este fallo se llama predetonación . Los ingenieros de bombas y los usuarios de armas llamarían a la explosión resultante un "fracaso". La alta tasa de fisión espontánea del plutonio hace que el combustible de uranio sea una necesidad para las bombas ensambladas con armas, con un tiempo de inserción mucho mayor y una masa de combustible mucho mayor requerida (debido a la falta de compresión del combustible).
Existe otra fuente de neutrones libres que pueden estropear una explosión de fisión. Todos los núcleos de uranio y plutonio tienen un modo de desintegración que da como resultado partículas alfa energéticas . Si la masa de combustible contiene elementos de impureza de bajo número atómico (Z), estos alfa cargados pueden atravesar la barrera de culombio de estos núcleos de impureza y sufrir una reacción que produce un neutrón libre. La tasa de emisión alfa de los núcleos fisibles es de uno a dos millones de veces mayor que la de la fisión espontánea, por lo que los ingenieros de armas tienen cuidado de utilizar combustible de alta pureza.
Las armas de fisión utilizadas en las proximidades de otras explosiones nucleares deben protegerse de la intrusión de neutrones libres procedentes del exterior. Sin embargo, dicho material de protección casi siempre será penetrado si el flujo de neutrones exterior es lo suficientemente intenso. Cuando un arma falla o fracasa debido a los efectos de otras detonaciones nucleares, se llama fratricidio nuclear .
Para el diseño ensamblado por implosión, una vez que la masa crítica se ensambla a la densidad máxima, se debe suministrar una ráfaga de neutrones para iniciar la reacción en cadena. Las primeras armas utilizaban un generador de neutrones modulados con nombre en código " Urchin " dentro del pozo que contenía polonio -210 y berilio separados por una delgada barrera. La implosión del pozo aplasta el generador de neutrones, mezclando los dos metales, permitiendo así que las partículas alfa del polonio interactúen con el berilio para producir neutrones libres. En las armas modernas, el generador de neutrones es un tubo de vacío de alto voltaje que contiene un acelerador de partículas que bombardea un objetivo de hidruro metálico de deuterio/tritio con iones de deuterio y tritio . La fusión a pequeña escala resultante produce neutrones en un lugar protegido fuera del paquete físico, desde donde penetran en el pozo. Este método permite sincronizar mejor los primeros eventos de fisión en la reacción en cadena, que de manera óptima debería ocurrir en el punto de máxima compresión/supercriticidad. El momento de la inyección de neutrones es un parámetro más importante que el número de neutrones inyectados: las primeras generaciones de la reacción en cadena son mucho más efectivas debido a la función exponencial mediante la cual evoluciona la multiplicación de neutrones.
La masa crítica de una esfera de metal desnudo sin comprimir es de 50 kg (110 lb) para el uranio-235 y de 16 kg (35 lb) para el plutonio-239 en fase delta. En aplicaciones prácticas, la cantidad de material requerida para la criticidad se modifica por la forma, la pureza, la densidad y la proximidad al material reflectante de neutrones , todo lo cual afecta el escape o la captura de neutrones.
Para evitar una reacción en cadena prematura durante la manipulación, el material fisionable del arma debe mantenerse subcrítico. Puede constar de uno o más componentes que contengan menos de una masa crítica sin comprimir cada uno. Una capa delgada y hueca puede tener una masa crítica superior a la de la esfera desnuda, al igual que un cilindro, que puede tener una longitud arbitraria sin alcanzar nunca la criticidad. Otro método para reducir el riesgo de criticidad es incorporar material de gran sección para la captura de neutrones, como el boro (en concreto 10 B que comprende un 20% de boro natural). Naturalmente, este absorbente de neutrones debe retirarse antes de que se detone el arma. Esto es fácil para una bomba montada con un arma: la masa del proyectil simplemente empuja al absorbente fuera del vacío entre las dos masas subcríticas por la fuerza de su movimiento.
El uso de plutonio afecta al diseño de armas debido a su alta tasa de emisión alfa. Esto da como resultado que el metal Pu produzca espontáneamente una cantidad significativa de calor; una masa de 5 kilogramos produce 9,68 vatios de potencia térmica. Una pieza así se sentiría cálida al tacto, lo cual no es problema si ese calor se disipa rápidamente y no se permite que aumente la temperatura. Pero éste es un problema dentro de una bomba nuclear. Por esta razón, las bombas que utilizan combustible Pu utilizan piezas de aluminio para eliminar el exceso de calor, lo que complica el diseño de la bomba porque el Al no desempeña ningún papel activo en los procesos de explosión.
Un pisón es una capa opcional de material denso que rodea el material fisionable. Debido a su inercia retrasa la expansión térmica de la masa de combustible de fisión, manteniéndola supercrítica durante más tiempo. A menudo [ ¿ cuándo? ] la misma capa sirve a la vez como tamper y como reflector de neutrones.
Little Boy , la bomba de Hiroshima, utilizó 64 kg (141 lb) de uranio con un enriquecimiento promedio de alrededor del 80%, o 51 kg (112 lb) de uranio-235, aproximadamente la masa crítica del metal desnudo. (Consulte el artículo de Little Boy para obtener un dibujo detallado). Cuando se montó dentro de su apisonador/reflector de carburo de tungsteno , los 64 kg (141 lb) tenían más del doble de masa crítica. Antes de la detonación, el uranio-235 se formó en dos piezas subcríticas, una de las cuales luego fue disparada por el cañón de un arma para unirse a la otra, iniciando la explosión nuclear. El análisis muestra que menos del 2% de la masa de uranio sufrió fisión; [16] el resto, que representa la mayor parte de la producción total durante la guerra de las gigantescas fábricas Y-12 en Oak Ridge, se dispersó inútilmente. [17]
La ineficiencia fue causada por la velocidad con la que el uranio fisionado sin comprimir se expandió y se volvió subcrítico en virtud de la disminución de la densidad. A pesar de su ineficiencia, este diseño, debido a su forma, se adaptó para su uso en proyectiles de artillería cilíndricos de pequeño diámetro (una ojiva tipo arma disparada desde el cañón de un arma mucho más grande). [ cita necesaria ] Estas ojivas fueron desplegadas por Estados Unidos hasta 1992, lo que representa una fracción significativa de las 235 U en el arsenal [ cita necesaria ] , y fueron algunas de las primeras armas desmanteladas para cumplir con los tratados que limitan el número de ojivas. [ cita necesaria ] El motivo de esta decisión fue sin duda una combinación del menor rendimiento y los graves problemas de seguridad asociados con el diseño del tipo de arma. [ cita necesaria ]
Tanto para el dispositivo Trinity como para el Fat Man , la bomba de Nagasaki, se utilizaron diseños de fisión de plutonio mediante implosión casi idénticos. El dispositivo Fat Man utilizó específicamente 6,2 kg (14 lb), aproximadamente 350 ml o 12 onzas líquidas estadounidenses de volumen, de Pu-239 , que es sólo el 41% de la masa crítica de la esfera desnuda. (Consulte el artículo de Fat Man para obtener un dibujo detallado). Rodeado por un reflector/sabotador del U-238 , el foso del Fat Man se acercó a la masa crítica gracias a las propiedades reflectantes de neutrones del U-238. Durante la detonación, la criticidad se logró por implosión. El pozo de plutonio fue comprimido para aumentar su densidad mediante la detonación simultánea, como en la detonación de prueba "Trinity" tres semanas antes, de los explosivos convencionales colocados uniformemente alrededor del pozo. Los explosivos fueron detonados mediante múltiples detonadores de alambre de puente explosivo . Se estima que sólo alrededor del 20% del plutonio sufrió fisión; el resto, unos 5 kg (11 libras), quedó esparcido.
Una onda de choque de implosión podría tener una duración tan corta que sólo una parte del pozo se comprime en cualquier instante a medida que la onda lo atraviesa. Para evitar esto, es posible que se necesite una carcasa empujadora. El empujador está situado entre la lente explosiva y el manipulador. Funciona reflejando parte de la onda de choque hacia atrás, lo que tiene el efecto de alargar su duración. Está hecho de un metal de baja densidad , como aluminio , berilio o una aleación de ambos metales (el aluminio es más fácil y seguro de moldear, y es dos órdenes de magnitud más barato; el berilio tiene una alta capacidad reflectante de neutrones). Fat Man usó un empujador de aluminio.
La serie de pruebas del Experimento RaLa de conceptos de diseño de armas de fisión de tipo implosión, llevadas a cabo desde julio de 1944 hasta febrero de 1945 en el Laboratorio de Los Álamos y un sitio remoto a 14,3 km (8,9 millas) al este en Bayo Canyon, demostró la practicidad del diseño de implosión para un dispositivo de fisión, y las pruebas de febrero de 1945 determinaron positivamente su utilidad para el diseño final de implosión de plutonio Trinity/Fat Man. [18]
La clave para la mayor eficiencia de Fat Man fue el impulso hacia adentro del enorme manipulador U-238. (El uranio natural no sufrió fisión por neutrones térmicos, pero contribuyó quizás con el 20% del rendimiento total de la fisión por neutrones rápidos). Después de que comenzó la reacción en cadena en el plutonio, continuó hasta que la explosión invirtió el impulso de la implosión y se expandió lo suficiente como para detener la reacción en cadena. Al mantener todo junto durante unos cientos de nanosegundos más, la manipulación aumentó la eficiencia.
El núcleo de un arma de implosión (el material fisionable y cualquier reflector o elemento de manipulación adherido a él) se conoce como pozo . Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron fosas hechas solo con U-235 o en un compuesto con plutonio , [19] pero las fosas totalmente de plutonio son las más pequeñas en diámetro y han sido el estándar desde principios de la década de 1960. [ cita necesaria ]
Fundir y luego mecanizar plutonio es difícil no sólo por su toxicidad, sino también porque el plutonio tiene muchas fases metálicas diferentes . A medida que el plutonio se enfría, los cambios de fase provocan distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera aleándolo con 30 a 35 mmol (0,9 a 1,0 % en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , lo que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperaturas. [20] Cuando se enfría desde fundido, solo tiene un cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios por los que pasaría de otro modo. Otros metales trivalentes también funcionarían, pero el galio tiene una pequeña sección transversal de absorción de neutrones y ayuda a proteger el plutonio contra la corrosión . Un inconveniente es que los compuestos de galio son corrosivos y, por lo tanto, si el plutonio se recupera de armas desmanteladas para convertirlo en dióxido de plutonio para reactores de potencia , existe la dificultad de eliminar el galio. [ cita necesaria ]
Debido a que el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir la mina terminada con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el peligro tóxico. [21] El dispositivo utilizaba un baño de plata galvánico; posteriormente se utilizó el níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , [21] durante muchos años se prefirió el oro . [ cita necesaria ] Los diseños recientes mejoran la seguridad al revestir las fosas con vanadio para hacerlas más resistentes al fuego. [ cita necesaria ]
La primera mejora en el diseño de Fat Man fue colocar un espacio de aire entre el pisón y el hoyo para crear un impacto de martillo sobre clavo. La fosa, sostenida sobre un cono hueco dentro de la cavidad del pisón, fue dicha [ ¿ por quién? ] para ser levitado. Las tres pruebas de la Operación Sandstone , en 1948, utilizaron diseños de Fat Man con fosas levitadas. El mayor rendimiento fue de 49 kilotones, más del doble del rendimiento del Fat Man no levitado. [22]
Inmediatamente quedó claro [ ¿ según quién? ] esa implosión fue el mejor diseño para un arma de fisión. Su único inconveniente parecía ser su diámetro. Fat Man medía 1,5 metros (5 pies) de ancho frente a 61 centímetros (2 pies) de Little Boy.
El pozo de Pu-239 de Fat Man tenía sólo 9,1 centímetros (3,6 pulgadas) de diámetro, el tamaño de una pelota de softbol. La mayor parte de la circunferencia de Fat Man era el mecanismo de implosión, es decir, capas concéntricas de U-238, aluminio y explosivos de alta potencia. La clave para reducir esa circunferencia fue el diseño de implosión de dos puntos. [ cita necesaria ]
En la implosión lineal de dos puntos, el combustible nuclear se moldea en una forma sólida y se coloca dentro del centro de un cilindro de alto explosivo. Los detonadores se colocan en cada extremo del cilindro explosivo y se coloca un inserto en forma de placa, o moldeador , en el explosivo justo dentro de los detonadores. Cuando se disparan los detonadores, la detonación inicial queda atrapada entre el moldeador y el extremo del cilindro, lo que hace que se desplace hacia los bordes del moldeador, donde se difracta alrededor de los bordes hacia la masa principal de explosivo. Esto hace que la detonación forme un anillo que avanza hacia adentro desde el moldeador. [23]
Debido a la falta de pisón o lentes para dar forma a la progresión, la detonación no llega al foso en forma esférica. Para producir la implosión esférica deseada, el propio material fisionable se moldea para producir el mismo efecto. Debido a la física de la propagación de la onda de choque dentro de la masa explosiva, esto requiere que el pozo sea un esferoide alargado , es decir, con forma aproximada de huevo. La onda de choque alcanza primero el hoyo en sus puntas, empujándolas hacia adentro y haciendo que la masa se vuelva esférica. El choque también puede cambiar el plutonio de la fase delta a la fase alfa, aumentando su densidad en un 23%, pero sin el impulso hacia adentro de una verdadera implosión. [ cita necesaria ]
La falta de compresión hace que estos diseños sean ineficientes, pero la simplicidad y el pequeño diámetro los hacen adecuados para su uso en proyectiles de artillería y municiones de demolición atómica (ADM), también conocidas como armas nucleares de mochila o de maleta ; un ejemplo es el proyectil de artillería W48 , el arma nuclear más pequeña jamás construida o desplegada. Todas estas armas de campo de batalla de bajo rendimiento, ya sean diseños de tipo cañón U-235 o diseños de implosión lineal Pu-239, pagan un alto precio en material fisible para alcanzar diámetros de entre seis y diez pulgadas (15 y 25 cm). [ cita necesaria ]
Un sistema de implosión más eficiente utiliza un pozo hueco. [ cita necesaria ]
El plan original para la bomba Fat Man de 1945 era un pozo hueco de plutonio, pero no hubo tiempo suficiente para desarrollar y probar el sistema de implosión. Un diseño más simple de pozo sólido se consideró más confiable, dadas las limitaciones de tiempo, pero requirió un pesado apisonador U-238, un grueso empujador de aluminio y tres toneladas de explosivos de alta potencia. [ cita necesaria ]
Después de la guerra, se reavivó el interés por el diseño de pozos huecos. Su ventaja obvia es que una capa hueca de plutonio, deformada por un impacto y empujada hacia su centro vacío, transmitiría impulso a su violento ensamblaje como una esfera sólida. Sería autoapisonante, lo que requeriría un apisonador U-238 más pequeño, sin empujador de aluminio y con menos explosivos. [ cita necesaria ]
El siguiente paso en la miniaturización fue acelerar la fisión del pozo para reducir el tiempo mínimo de confinamiento inercial. Esto permitiría la fisión eficiente del combustible con menos masa en forma de pisón o del propio combustible. La clave para lograr una fisión más rápida sería introducir más neutrones y, entre las muchas formas de hacerlo, añadir una reacción de fusión era relativamente fácil en el caso de un pozo hueco. [ cita necesaria ]
La reacción de fusión más fácil de lograr se encuentra en una mezcla 50-50 de tritio y deuterio. [24] Para experimentos de energía de fusión, esta mezcla debe mantenerse a altas temperaturas durante tiempos relativamente prolongados para tener una reacción eficiente. Sin embargo, para el uso de explosivos, el objetivo no es producir una fusión eficiente, sino simplemente proporcionar neutrones adicionales en las primeras etapas del proceso. [ cita necesaria ] Dado que una explosión nuclear es supercrítica, los neutrones adicionales se multiplicarán por la reacción en cadena, por lo que incluso pequeñas cantidades introducidas temprano pueden tener un gran efecto en el resultado. Por esta razón, incluso las presiones y tiempos de compresión relativamente bajos (en términos de fusión) que se encuentran en el centro de una ojiva de pozo hueco son suficientes para crear el efecto deseado. [ cita necesaria ]
En el diseño impulsado, el combustible de fusión en forma de gas se bombea al pozo durante el armado. Esto se fusionará en helio y liberará neutrones libres poco después de que comience la fisión. [ cita necesaria ] Los neutrones iniciarán una gran cantidad de nuevas reacciones en cadena mientras el pozo aún sea crítico o casi crítico. Una vez que se perfecciona el pozo hueco, hay pocas razones para no impulsarlo; El deuterio y el tritio se producen fácilmente en las pequeñas cantidades necesarias y los aspectos técnicos son triviales. [24]
El concepto de fisión impulsada por fusión se probó por primera vez el 25 de mayo de 1951, en la toma de la Operación Invernadero , Eniwetok , con un rendimiento de 45,5 kilotones. [ cita necesaria ]
El impulso reduce el diámetro de tres maneras, todo ello como resultado de una fisión más rápida:
[ cita necesaria ]
El primer dispositivo cuyas dimensiones sugieren el empleo de todas estas características (implosión de dos puntos, pozo hueco, impulsada por fusión) fue el dispositivo Swan . Tenía forma cilíndrica con un diámetro de 29 cm (11,6 pulgadas) y una longitud de 58 cm (22,8 pulgadas). [ cita necesaria ]
Primero se probó de forma independiente y luego como dispositivo principal de un dispositivo termonuclear de dos etapas durante la Operación Redwing . Se convirtió en un arma como el Robin primario y se convirtió en el primer primario multiusos disponible en el mercado, y en el prototipo de todo lo que siguió. [ cita necesaria ]
Después del éxito de Swan, 11 o 12 pulgadas (28 o 30 cm) parecieron convertirse en el diámetro estándar de los dispositivos impulsados de una sola etapa probados durante la década de 1950. [ cita necesaria ] La longitud solía ser el doble del diámetro, pero uno de esos dispositivos, que se convirtió en la ojiva W54 , estaba más cerca de una esfera, solo 15 pulgadas (38 cm) de largo.
Una de las aplicaciones del W54 fue el proyectil de rifle sin retroceso Davy Crockett XM-388 . Tenía unas dimensiones de sólo 28 cm (11 pulgadas) y aquí se muestra en comparación con su predecesor Fat Man (150 cm (60 pulgadas)).
Otro beneficio del impulso, además de hacer que las armas sean más pequeñas, más ligeras y con menos material fisionable para un rendimiento determinado, es que las vuelve inmunes a la predetonación. [ cita necesaria ] A mediados de la década de 1950 se descubrió que los pozos de plutonio serían particularmente susceptibles a una predetonación parcial si se expusieran a la intensa radiación de una explosión nuclear cercana (la electrónica también podría dañarse, pero este era un problema aparte). [ cita necesaria ] RI era un problema particular antes de los sistemas de radar de alerta temprana efectivos porque un ataque de primer ataque podría inutilizar las armas de represalia. El refuerzo reduce la cantidad de plutonio necesaria en un arma por debajo de la cantidad que sería vulnerable a este efecto. [ cita necesaria ]
Se pueden fabricar armas de fisión pura o de fisión impulsada por fusión para producir cientos de kilotones, con un gran gasto en material fisionable y tritio, pero, con diferencia, la forma más eficiente de aumentar el rendimiento de las armas nucleares más allá de los diez kilotones aproximadamente es añadir una segunda etapa independiente. , llamado secundario. [ cita necesaria ]
En la década de 1940, los diseñadores de bombas en Los Álamos pensaron que la secundaria sería un bote de deuterio en forma licuada o hidruro. La reacción de fusión sería DD, más difícil de lograr que DT, pero más asequible. Una bomba de fisión en un extremo comprimiría y calentaría el extremo más cercano, y la fusión se propagaría a través del recipiente hasta el otro extremo. Las simulaciones matemáticas demostraron que no funcionaría, incluso con grandes cantidades de tritio, que es muy caro. [ cita necesaria ]
Todo el recipiente de combustible de fusión tendría que estar envuelto por energía de fisión, para comprimirlo y calentarlo, como ocurre con la carga de refuerzo en un primario reforzado. El gran avance en el diseño se produjo en enero de 1951, cuando Edward Teller y Stanislaw Ulam inventaron la implosión por radiación, conocida públicamente durante casi tres décadas sólo como el secreto de la bomba H de Teller-Ulam . [25] [26]
El concepto de implosión de radiación se probó por primera vez el 9 de mayo de 1951, en el disparo de George de la Operación Invernadero , Eniwetok, con un rendimiento de 225 kilotones. La primera prueba completa fue el 1 de noviembre de 1952, el disparo de Mike de la Operación Ivy , Eniwetok, produjo 10,4 megatones. [ cita necesaria ]
En la implosión de radiación, el estallido de energía de rayos X proveniente de la explosión de un primario es capturado y contenido dentro de un canal de radiación de paredes opacas que rodea los componentes de energía nuclear del secundario. La radiación convierte rápidamente la espuma plástica que había estado llenando el canal en un plasma que es en su mayor parte transparente a los rayos X, y la radiación se absorbe en las capas más externas del empujador/apisonador que rodea el secundario, que realiza la ablación y aplica una fuerza masiva. [27] (muy parecido a un motor de cohete al revés) provocando que la cápsula de combustible de fusión implosione de forma muy parecida al pozo del primario. A medida que el secundario implosiona, una "bujía" fisionable en su centro se enciende y proporciona neutrones y calor que permiten que el combustible de fusión de deuteruro de litio produzca tritio y también se encienda. Las reacciones en cadena de fisión y fusión intercambian neutrones entre sí y aumentan la eficiencia de ambas reacciones. La mayor fuerza implosiva, la eficiencia mejorada de la "bujía" fisionable debido al impulso a través de neutrones de fusión y la propia explosión de fusión proporcionan un rendimiento explosivo significativamente mayor del secundario a pesar de que a menudo no es mucho más grande que el primario. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, para la prueba Redwing Mohawk del 3 de julio de 1956, se adjuntó una secundaria llamada Flute a la primaria Swan. La flauta tenía 38 cm (15 pulgadas) de diámetro y 59 cm (23,4 pulgadas) de largo, aproximadamente del tamaño del cisne. Pero pesaba diez veces más y producía 24 veces más energía (355 kilotones, frente a 15 kilotones). [ cita necesaria ]
Igualmente importante es que los ingredientes activos de la Flauta probablemente no cuesten más que los del Cisne. La mayor parte de la fisión provino del barato U-238 y el tritio se fabricó en el lugar durante la explosión. Sólo la bujía en el eje del secundario tenía que ser fisible. [ cita necesaria ]
Un secundario esférico puede alcanzar densidades de implosión más altas que un secundario cilíndrico, porque la implosión esférica empuja desde todas las direcciones hacia el mismo lugar. Sin embargo, en ojivas que produzcan más de un megatón, el diámetro de una secundaria esférica sería demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones. En tales casos es necesaria una secundaria cilíndrica. Los pequeños vehículos de reentrada en forma de cono de los misiles balísticos con ojivas múltiples después de 1970 tendían a tener ojivas con secundarios esféricos y rendimientos de unos pocos cientos de kilotones. [ cita necesaria ]
Al igual que con el impulso, las ventajas del diseño termonuclear de dos etapas son tan grandes que hay pocos incentivos para no utilizarlo, una vez que una nación ha dominado la tecnología. [ cita necesaria ]
En términos de ingeniería, la implosión por radiación permite la explotación de varias características conocidas de los materiales de las bombas nucleares que hasta ahora habían eludido la aplicación práctica. Por ejemplo:
En los cincuenta años siguientes, a nadie se le ocurrió una manera más eficiente de construir una bomba termonuclear. Es el diseño elegido por Estados Unidos, Rusia, el Reino Unido, China y Francia, las cinco potencias termonucleares. El 3 de septiembre de 2017, Corea del Norte llevó a cabo lo que informó como su primera prueba de "arma termonuclear de dos etapas". [30] Según el Dr. Theodore Taylor , después de revisar fotografías filtradas de componentes de armas desmontadas tomadas antes de 1986, Israel poseía armas potenciadas y requeriría supercomputadoras de esa época para avanzar más hacia armas completas de dos etapas en el rango de megatones sin detonaciones de pruebas nucleares. . [31] Las otras naciones con armas nucleares, India y Pakistán, probablemente tengan armas de una sola etapa, posiblemente potenciadas. [29]
En un arma termonuclear de dos etapas, la energía de la primaria impacta en la secundaria. Un modulador de transferencia de energía esencial [ cita necesaria ] llamado interetapa, entre el primario y el secundario, protege el combustible de fusión del secundario para que no se caliente demasiado rápido, lo que podría provocar que explote en una explosión de calor convencional (y pequeña) antes de la fusión y fisión. las reacciones tienen la oportunidad de comenzar. [ cita necesaria ]
Hay muy poca información en la literatura abierta sobre el mecanismo de la interetapa. [ cita necesaria ] Su primera mención en un documento del gobierno de EE. UU. publicado formalmente al público parece ser un título en un gráfico que promueve el Programa de ojivas de reemplazo confiable en 2007. Si se construye, este nuevo diseño reemplazaría el "material tóxico y frágil" y " "material 'especial' caro" en el intermedio. [32] Esta afirmación sugiere que la etapa intermedia puede contener berilio para moderar el flujo de neutrones del primario, y tal vez algo para absorber y volver a irradiar los rayos X de una manera particular. [33] También se especula que este material entre etapas, que puede tener el nombre en código Fogbank , podría ser un aerogel , posiblemente dopado con berilio y/u otras sustancias. [34] [35]
La etapa intermedia y la secundaria están encerradas juntas dentro de una membrana de acero inoxidable para formar el subconjunto enlatado (CSA), una disposición que nunca se ha representado en ningún dibujo de código abierto. [36] La ilustración más detallada de una etapa intermedia muestra un arma termonuclear británica con un grupo de elementos entre su primario y un secundario cilíndrico. Están etiquetados como "lente de enfoque de neutrones y tapa de extremo", "carro de pistola de neutrones/reflector" y "envoltura de reflector". El origen del dibujo, publicado en Internet por Greenpeace, es incierto y no va acompañado de ninguna explicación. [37]
Si bien cada diseño de arma nuclear cae dentro de una de las categorías anteriores, en ocasiones diseños específicos se han convertido en tema de noticias y debate público, a menudo con descripciones incorrectas sobre cómo funcionan y qué hacen. Ejemplos:
El primer intento de explotar la relación simbiótica entre fisión y fusión fue un diseño de la década de 1940 que mezclaba combustible de fisión y fusión en capas delgadas alternas. Como dispositivo de una sola etapa, habría sido una aplicación engorrosa de fisión potenciada. Se volvió práctico por primera vez cuando se incorporó al secundario de un arma termonuclear de dos etapas. [38]
El nombre estadounidense, Alarm Clock, proviene de Teller: lo llamó así porque podría "despertar al mundo" a la posibilidad del potencial del Super. [39] El nombre ruso para el mismo diseño era más descriptivo: Sloika ( ruso : Слойка ), un pastel de hojaldre en capas. El 12 de agosto de 1953 se probó un Sloika soviético de una sola etapa. No se probó ninguna versión estadounidense de una sola etapa, pero la toma con el nombre en código Castle Union de la Operación Castle , el 26 de abril de 1954, era un dispositivo termonuclear de dos etapas con el nombre en código Alarma. Reloj. Su rendimiento, en Bikini , fue de 6,9 megatones. [ cita necesaria ]
Debido a que la prueba soviética de Sloika utilizó deuteruro de litio-6 seco ocho meses antes de la primera prueba estadounidense en la que se utilizó (Castle Bravo, 1 de marzo de 1954), a veces se afirmó que la URSS ganó la carrera de la bomba H, a pesar de que los Estados Unidos Probó y desarrolló la primera bomba de hidrógeno: la prueba de la bomba H de Ivy Mike. La prueba estadounidense Ivy Mike de 1952 utilizó deuterio líquido enfriado criogénicamente como combustible de fusión en el secundario y empleó la reacción de fusión DD. Sin embargo, la primera prueba soviética que utilizó una secundaria implosionada por radiación, la característica esencial de una verdadera bomba H, fue el 23 de noviembre de 1955, tres años después de Ivy Mike. De hecho, el trabajo real sobre el plan de implosión en la Unión Soviética no comenzó hasta principios de 1953, varios meses después de las pruebas exitosas de Sloika. [ cita necesaria ]
El 1 de marzo de 1954, la mayor explosión de prueba nuclear jamás realizada en Estados Unidos, la toma de 15 megatones Castle Bravo de la Operación Castle en el atolón Bikini, arrojó rápidamente una dosis letal de lluvia radiactiva de productos de fisión en más de 6.000 millas cuadradas (16.000 km 2 ). de la superficie del Océano Pacífico. [40] Las lesiones por radiación sufridas por habitantes de las Islas Marshall y pescadores japoneses hicieron público ese hecho y revelaron el papel de la fisión en las bombas de hidrógeno.
En respuesta a la alarma pública por las consecuencias, se hizo un esfuerzo para diseñar un arma limpia de varios megatones, basada casi exclusivamente en la fusión. La energía producida por la fisión del uranio natural no enriquecido , cuando se utiliza como material de manipulación en las etapas secundarias y posteriores del diseño Teller-Ulam, puede exceder con creces la energía liberada por la fusión, como fue el caso en la prueba de Castle Bravo. Reemplazar el material fisionable del pisón con otro material es esencial para producir una bomba "limpia". En un dispositivo de este tipo, el pisón ya no aporta energía, por lo que, para cualquier peso determinado, una bomba limpia tendrá menos rendimiento. El primer incidente conocido en el que se probó un dispositivo de tres etapas, con la tercera etapa, llamada terciaria, encendida por la secundaria, fue el 27 de mayo de 1956, en el dispositivo Bassoon. Este dispositivo fue probado en la toma Zuni de la Operación Redwing . Este disparo utilizó pisones no fisionables; Se utilizó un material sustituto inerte como tungsteno o plomo. Su rendimiento fue de 3,5 megatones, 85% de fusión y sólo 15% de fisión. [ cita necesaria ]
Los registros públicos de dispositivos que produjeron la mayor proporción de su rendimiento a través de reacciones de fusión son las explosiones nucleares pacíficas de los años 1970. Otros incluyen la Tsar Bomba de 50 megatones con una fusión del 97%, [41] la prueba Hardtack Poplar de 9,3 megatones con una fusión del 95%, [42] y la prueba Redwing Navajo de 4,5 megatones con una fusión del 95%. [43]
La aplicación pacífica más ambiciosa de las explosiones nucleares la llevó a cabo la URSS con el objetivo de crear un canal de 112 km de longitud entre las cuencas de los ríos Pechora y Kama , del cual aproximadamente la mitad debía construirse mediante una serie de explosiones nucleares subterráneas. Se informó que para alcanzar el objetivo final se podrían utilizar unos 250 artefactos nucleares. La prueba de Taiga tenía como objetivo demostrar la viabilidad del proyecto. Tres de estos dispositivos "limpios" de 15 kilotones de rendimiento cada uno se colocaron en pozos separados espaciados unos 165 m entre sí y a una profundidad de 127 m. Fueron detonados simultáneamente el 23 de marzo de 1971, catapultando al aire una columna radiactiva que fue arrastrada hacia el este por el viento. La trinchera resultante tenía unos 700 m de largo y 340 m de ancho, con una profundidad nada impresionante de sólo 10 a 15 m. [44] A pesar de su naturaleza "limpia", el área todavía exhibe una concentración notablemente mayor (aunque en su mayoría inofensiva) de productos de fisión, el intenso bombardeo de neutrones del suelo, el propio dispositivo y las estructuras de soporte también activaron sus elementos estables para crear un cantidad significativa de elementos radiactivos artificiales como el 60 Co. El peligro general que plantea la concentración de elementos radiactivos presentes en el lugar creado por estos tres dispositivos sigue siendo insignificante, pero un proyecto a mayor escala como el previsto habría tenido consecuencias importantes tanto desde el punto de vista la lluvia radiactiva y los elementos radiactivos creados por el bombardeo de neutrones. [45]
El 19 de julio de 1956, el presidente de la AEC, Lewis Strauss, dijo que la prueba de bomba limpia del Redwing Zuni "produjo mucha importancia... desde un aspecto humanitario". Sin embargo, menos de dos días después de este anuncio, la versión sucia de Bassoon, llamada Bassoon Prime, con un manipulador de uranio-238 instalado, fue probada en una barcaza frente a la costa del atolón Bikini mientras disparaba el Redwing Tewa . El Bassoon Prime produjo una potencia de 5 megatones, de los cuales el 87% provino de fisión. Los datos obtenidos de esta y otras pruebas culminaron con el eventual despliegue del arma nuclear estadounidense de mayor rendimiento conocida, y el arma de mayor relación peso-relación jamás fabricada , un arma termonuclear de tres etapas con un rendimiento "sucio" máximo de 25 megatones, denominada bomba nuclear B41 , que debía ser transportada por los bombarderos de la Fuerza Aérea estadounidense hasta su desmantelamiento; Esta arma nunca fue probada completamente. [ cita necesaria ]
Las armas nucleares de primera y segunda generación liberan energía en forma de explosiones omnidireccionales. Las armas nucleares de tercera generación [46] [47] [48] son ojivas y dispositivos experimentales de efectos especiales que pueden liberar energía de manera dirigida, algunos de los cuales fueron probados durante la Guerra Fría pero nunca fueron implementados. Éstas incluyen:
La idea de armas nucleares de "cuarta generación" se ha propuesto como posible sucesora de los ejemplos de diseños de armas enumerados anteriormente. Estos métodos tienden a girar en torno al uso de primarios no nucleares para desencadenar más reacciones de fisión o fusión. Por ejemplo, si la antimateria fuera utilizable y controlable en cantidades macroscópicas, una reacción entre una pequeña cantidad de antimateria y una cantidad equivalente de materia podría liberar energía comparable a la de una pequeña arma de fisión y, a su vez, podría usarse como la primera etapa de un proceso muy complejo. Arma termonuclear compacta. Láseres extremadamente potentes también podrían usarse de esta manera, si pudieran hacerse lo suficientemente potentes y compactos como para ser viables como arma. La mayoría de estas ideas son versiones de armas de fusión pura y comparten la propiedad común de que implican tecnologías hasta ahora no realizadas como sus etapas "primarias". [50]
Si bien muchas naciones han invertido significativamente en programas de investigación sobre fusión por confinamiento inercial , desde la década de 1970 no se la ha considerado prometedora para el uso directo de armas, sino más bien como una herramienta para la investigación relacionada con armas y energía que puede usarse en ausencia de una investigación completa. ensayos nucleares a escala. No está claro si alguna nación está buscando agresivamente armas de "cuarta generación". En muchos casos (como ocurre con la antimateria), actualmente se cree que la tecnología subyacente está muy lejos de ser viable, y si fuera viable sería un arma poderosa en sí misma, fuera del contexto de las armas nucleares, y sin proporcionar ninguna ventaja significativa. por encima de los diseños de armas nucleares existentes [51]
Desde la década de 1950, Estados Unidos y la Unión Soviética investigaron la posibilidad de liberar cantidades significativas de energía de fusión nuclear sin el uso de una fisión primaria. Estas "armas de fusión pura" se imaginaron principalmente como armas nucleares tácticas de bajo rendimiento cuya ventaja sería su capacidad de usarse sin producir consecuencias a la escala de las armas que liberan productos de fisión. En 1998, el Departamento de Energía de los Estados Unidos desclasificó lo siguiente:
(1) Hecho de que el DOE realizó una inversión sustancial en el pasado para desarrollar un arma de fusión pura.
(2) Que Estados Unidos no tiene ni está desarrollando un arma de fusión pura; y
(3) Que de la inversión del DOE no resultó ningún diseño creíble para un arma de fusión pura. [52]
El mercurio rojo , una sustancia probablemente engañosa, ha sido promocionado como catalizador para un arma de fusión pura.
Una bomba apocalíptica, popularizada por la novela de Nevil Shute de 1957 y la posterior película de 1959, On the Beach , la bomba de cobalto es una bomba de hidrógeno con una envoltura de cobalto. El cobalto activado por neutrones habría maximizado el daño ambiental causado por la lluvia radioactiva. Estas bombas se popularizaron en la película de 1964 Dr. Strangelove o: Cómo aprendí a dejar de preocuparme y amar la bomba ; En la película se hace referencia al material añadido a las bombas como "cobalto-torio G". [ cita necesaria ]
Estas armas "saladas" fueron investigadas por el Departamento de Defensa de Estados Unidos. [53] Los productos de fisión son tan mortales como el cobalto activado por neutrones. El arma termonuclear estándar de alta fisión es automáticamente un arma de guerra radiológica, tan sucia como una bomba de cobalto. [ cita necesaria ]
Inicialmente, la radiación gamma de los productos de fisión de una bomba de fisión-fusión-fisión de tamaño equivalente es mucho más intensa que la del Co-60 : 15.000 veces más intensa en 1 hora; 35 veces más intenso en 1 semana; 5 veces más intenso al mes; y aproximadamente igual a los 6 meses. A partir de entonces, la fisión disminuye rápidamente, de modo que la precipitación de Co-60 es 8 veces más intensa que la fisión al año y 150 veces más intensa a los 5 años. Los isótopos de muy larga vida producidos por fisión volverían a superar al 60 Co después de unos 75 años. [54]
La triple prueba de salva nuclear "taiga" , como parte del proyecto preliminar del canal Pechora-Kama de marzo de 1971 , produjo una pequeña cantidad de productos de fisión y, por lo tanto, una cantidad comparativamente grande de material de caso, productos activados son responsables de la mayor parte de la actividad residual en el sitio hoy, concretamente Co-60. En 2011, la activación de neutrones generada por fusión fue responsable de aproximadamente la mitad de la dosis gamma en el sitio de prueba. Esa dosis es demasiado pequeña para causar efectos nocivos y existe vegetación verde normal alrededor del lago que se formó. [55] [56]
La idea de un dispositivo que tenga un número arbitrariamente grande de etapas de Teller-Ulam, cada una de las cuales provoque una implosión impulsada por radiación más grande que la etapa anterior, se sugiere con frecuencia, [57] [58] pero técnicamente se discute. [59] Hay "esbozos bien conocidos y algunos cálculos de apariencia razonable en la literatura abierta sobre armas de dos etapas, pero no hay descripciones igualmente precisas de conceptos verdaderos de tres etapas". [59]
Desde mediados de la década de 1950 hasta principios de la de 1960, los científicos que trabajaban en los laboratorios de armas de los Estados Unidos investigaron conceptos de armas de hasta 1.000 megatones, [60] y Edward Teller informó sobre el trabajo sobre un arma de 10.000 megatones cuyo nombre en código era SUNDIAL en una reunión del Comité Asesor General de la Comisión de Energía Atómica. [61] Gran parte de la información sobre estos esfuerzos permanece clasificada, [62] [63] pero las ideas sobre armas no parecen haber ido más allá de las investigaciones teóricas. Si bien tanto los EE.UU. como la Unión Soviética investigaron (y en el caso de los soviéticos, probaron) diseños de armas de "muy alto rendimiento" (por ejemplo, +50-100 megatones) en los años cincuenta y principios de los sesenta, [64] estos parecen representar el nivel superior -Se persigue seriamente el límite de producción de armas de la Guerra Fría. Las tendencias de desarrollo de ojivas de la Guerra Fría desde mediados de la década de 1960 en adelante, y especialmente después del Tratado de Prohibición Limitada de Ensayos Nucleares , dieron como resultado ojivas altamente compactas y de menor rendimiento que ofrecían mayores opciones de capacidad de entrega.
Tras la preocupación suscitada por la escala estimada de gigatones de los impactos del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994 sobre el planeta Júpiter , en una reunión en 1995 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), Edward Teller propuso a un colectivo de ex- guerras frías estadounidenses y rusos diseñadores de armas que colaboran en el diseño de un dispositivo explosivo nuclear de 1.000 megatones para desviar asteroides en extinción (más de 10 km de diámetro), que se emplearía en el caso de que uno de estos asteroides estuviera en una trayectoria de impacto con la Tierra. [65] [66] [67]
Una bomba de neutrones, técnicamente denominada arma de radiación mejorada (ERW), es un tipo de arma nuclear táctica diseñada específicamente para liberar una gran parte de su energía en forma de radiación de neutrones energética. Esto contrasta con las armas termonucleares estándar, que están diseñadas para capturar esta intensa radiación de neutrones para aumentar su rendimiento explosivo general. En términos de rendimiento, los REG suelen producir alrededor de una décima parte del de un arma atómica de fisión. Incluso con su poder explosivo significativamente menor, los REG siguen siendo capaces de provocar una destrucción mucho mayor que cualquier bomba convencional. Mientras tanto, en comparación con otras armas nucleares, los daños se centran más en el material biológico que en la infraestructura material (aunque no se eliminan los efectos extremos de las explosiones y el calor). [ cita necesaria ]
Los REG se describen más exactamente como armas de rendimiento suprimido. Cuando el rendimiento de un arma nuclear es inferior a un kilotón, su radio letal de explosión, 700 m (2300 pies), es menor que el de su radiación de neutrones. Sin embargo, la explosión es lo suficientemente potente como para destruir la mayoría de las estructuras, que son menos resistentes a los efectos de la explosión que incluso los seres humanos desprotegidos. Se puede sobrevivir a presiones de explosión de más de 20 PSI, mientras que la mayoría de los edificios colapsarán con una presión de sólo 5 PSI. [ cita necesaria ]
Comúnmente concebidas erróneamente como un arma diseñada para matar poblaciones y dejar la infraestructura intacta, estas bombas (como se mencionó anteriormente) todavía son muy capaces de arrasar edificios en un radio grande. La intención de su diseño era matar a las tripulaciones de los tanques: tanques que brindaban una excelente protección contra las explosiones y el calor y sobrevivían (relativamente) muy cerca de una detonación. Dadas las enormes fuerzas de tanques de los soviéticos durante la Guerra Fría, ésta era el arma perfecta para contrarrestarlos. La radiación de neutrones podría incapacitar instantáneamente a la tripulación de un tanque a aproximadamente la misma distancia que el calor y la explosión incapacitarían a un humano desprotegido (según el diseño). El chasis del tanque también se volvería altamente radiactivo, lo que impediría temporalmente su reutilización por parte de una nueva tripulación. [ cita necesaria ]
Sin embargo, las armas de neutrones también estaban destinadas a otras aplicaciones. Por ejemplo, son eficaces en las defensas antinucleares: el flujo de neutrones es capaz de neutralizar una ojiva entrante a una distancia mayor que el calor o la explosión. Las ojivas nucleares son muy resistentes al daño físico, pero son muy difíciles de endurecer contra un flujo de neutrones extremo. [ cita necesaria ]
Los REG eran termonucleares de dos etapas a los que se les eliminaba todo el uranio no esencial para minimizar el rendimiento de la fisión. La fusión proporcionó los neutrones. Desarrollados en la década de 1950, fueron desplegados por primera vez en la década de 1970 por las fuerzas estadounidenses en Europa. Los últimos fueron retirados en la década de 1990. [ cita necesaria ]
Una bomba de neutrones sólo es factible si el rendimiento es lo suficientemente alto como para que sea posible una ignición eficiente de la etapa de fusión, y si el rendimiento es lo suficientemente bajo como para que el espesor de la carcasa no absorba demasiados neutrones. Esto significa que las bombas de neutrones tienen un rendimiento de 1 a 10 kilotones, con una proporción de fisión que varía del 50% a 1 kilotón al 25% a 10 kilotones (todo lo cual proviene de la etapa primaria). La producción de neutrones por kilotón es entonces entre 10 y 15 veces mayor que la de un arma de implosión de fisión pura o de una ojiva estratégica como una W87 o W88 . [68]
Todas las innovaciones en el diseño de armas nucleares analizadas en este artículo se originaron en los siguientes tres laboratorios de la manera descrita. Otros laboratorios de diseño de armas nucleares en otros países duplicaron esas innovaciones de diseño de forma independiente, les aplicaron ingeniería inversa a partir de análisis de lluvia radiactiva o las adquirieron mediante espionaje. [69]
La primera exploración sistemática de conceptos de diseño de armas nucleares tuvo lugar a mediados de 1942 en la Universidad de California, Berkeley . Se habían realizado importantes descubrimientos tempranos en el adyacente Laboratorio Lawrence Berkeley , como la producción y el aislamiento de plutonio mediante ciclotrón en 1940. Un profesor de Berkeley, J. Robert Oppenheimer , acababa de ser contratado para dirigir el esfuerzo secreto de diseño de bombas en la nación. Su primer acto fue convocar la conferencia de verano de 1942. [ cita necesaria ]
Cuando trasladó su operación a la nueva ciudad secreta de Los Álamos, Nuevo México, en la primavera de 1943, la sabiduría acumulada sobre el diseño de armas nucleares consistía en cinco conferencias del profesor de Berkeley, Robert Serber , transcritas y distribuidas como (clasificadas pero ahora completamente desclasificado y ampliamente disponible en línea como PDF) Los Alamos Primer . [70] El Manual abordó la energía de fisión, la producción y captura de neutrones , las reacciones nucleares en cadena , la masa crítica , las manipulaciones, la predetonación y tres métodos para ensamblar una bomba: ensamblaje de armas, implosión y "métodos autocatalíticos", el único enfoque que resultó. ser un callejón sin salida. [ cita necesaria ]
En Los Álamos, Emilio Segrè descubrió en abril de 1944 que la bomba tipo ensamblaje Thin Man Gun propuesta no funcionaría con plutonio debido a problemas de predetonación causados por impurezas de Pu-240 . Así que a Fat Man, la bomba de tipo implosión, se le dio alta prioridad como única opción para el plutonio. Las discusiones de Berkeley habían generado estimaciones teóricas de la masa crítica, pero nada preciso. El principal trabajo en tiempos de guerra en Los Álamos fue la determinación experimental de la masa crítica, que tuvo que esperar hasta que llegaran cantidades suficientes de material fisionable de las plantas de producción: uranio de Oak Ridge, Tennessee , y plutonio del sitio Hanford en Washington. [ cita necesaria ]
En 1945, utilizando los resultados de experimentos de masa crítica, los técnicos de Los Alamos fabricaron y ensamblaron componentes para cuatro bombas: Trinity Gadget , Little Boy, Fat Man y un Fat Man de repuesto sin usar. Después de la guerra, aquellos que pudieron, incluido Oppenheimer, regresaron a puestos docentes universitarios. Los que se quedaron trabajaron en pozos huecos y levitados y realizaron pruebas de efectos de armas como Crossroads Able y Baker en Bikini Atoll en 1946. [ cita necesaria ]
Todas las ideas esenciales para incorporar la fusión a las armas nucleares se originaron en Los Álamos entre 1946 y 1952. Después de la implosión radiactiva de Teller-Ulam en 1951, se exploraron plenamente las implicaciones y posibilidades técnicas, pero las ideas no eran directamente relevantes para lograr la mayor potencia posible. Se dejaron de lado las bombas para bombarderos de largo alcance de la Fuerza Aérea. [ cita necesaria ]
Debido a la posición inicial de Oppenheimer en el debate sobre la bomba H, en oposición a las grandes armas termonucleares, y a la suposición de que todavía tenía influencia sobre Los Álamos a pesar de su partida, los aliados políticos de Edward Teller decidieron que necesitaba su propio laboratorio para poder perseguir la bomba H. -bombas. Cuando se inauguró en 1952, en Livermore , California, Los Álamos había terminado el trabajo para el que fue diseñado Livermore. [ cita necesaria ]
Al no estar disponible su misión original, el laboratorio de Livermore intentó nuevos diseños radicales que fracasaron. Sus tres primeras pruebas nucleares fracasaron : en 1953, dos dispositivos de fisión de una sola etapa con pozos de hidruro de uranio , y en 1954, un dispositivo termonuclear de dos etapas en el que el secundario se calentó prematuramente, demasiado rápido para que la implosión de radiación funcionara correctamente. [ cita necesaria ]
Cambiando de tema, Livermore se conformó con tomar ideas que Los Álamos había dejado de lado y desarrollarlas para el Ejército y la Armada. Esto llevó a Livermore a especializarse en armas tácticas de pequeño diámetro, particularmente aquellas que utilizan sistemas de implosión de dos puntos, como el Swan. Las armas tácticas de pequeño diámetro se convirtieron en primarias para las secundarias de pequeño diámetro. Alrededor de 1960, cuando la carrera armamentista de las superpotencias se convirtió en una carrera de misiles balísticos, las ojivas Livermore eran más útiles que las grandes y pesadas ojivas de Los Alamos. Las ojivas de Los Alamos se utilizaron en los primeros misiles balísticos de alcance intermedio , IRBM, pero se utilizaron ojivas Livermore más pequeñas en los primeros misiles balísticos intercontinentales , ICBM y misiles balísticos lanzados desde submarinos , SLBM, así como en los primeros sistemas de ojivas múltiples en tales misiles. [71]
En 1957 y 1958, ambos laboratorios construyeron y probaron tantos diseños como fue posible, anticipando que la prohibición de pruebas prevista para 1958 podría volverse permanente. Cuando se reanudaron las pruebas en 1961, los dos laboratorios se habían convertido en duplicados entre sí, y los trabajos de diseño se asignaban más por consideraciones de carga de trabajo que por la especialidad del laboratorio. Algunos diseños fueron regateados. Por ejemplo, la ojiva W38 para el misil Titan I comenzó como un proyecto de Livermore, fue entregada a Los Alamos cuando se convirtió en la ojiva del misil Atlas , y en 1959 fue devuelta a Livermore, a cambio de la ojiva W54 Davy Crockett , que Fue de Livermore a Los Álamos. [ cita necesaria ]
Los diseños de ojivas posteriores a 1960 adquirieron el carácter de cambios de modelo, y cada nuevo misil recibía una nueva ojiva por razones de marketing. El principal cambio sustancial implicó empaquetar más uranio fisible-235 en el secundario, a medida que estuvo disponible con el enriquecimiento continuo de uranio y el desmantelamiento de las grandes bombas de alto rendimiento. [ cita necesaria ]
Comenzando con las instalaciones de Nova en Livermore a mediados de la década de 1980, la actividad de diseño nuclear relacionada con la implosión impulsada por radiación se basó en investigaciones con fusión láser de impulso indirecto . Este trabajo fue parte del esfuerzo por investigar la fusión por confinamiento inercial . Un trabajo similar continúa en la más poderosa Instalación Nacional de Ignición . El Programa de Gestión y Administración de Existencias también se benefició de la investigación realizada en el NIF . [ cita necesaria ]
Las armas nucleares se diseñan en gran medida mediante prueba y error. Las pruebas a menudo implican la explosión de prueba de un prototipo.
En una explosión nuclear, una gran cantidad de eventos discretos, con diversas probabilidades, se agregan en flujos de energía caóticos y de corta duración dentro de la carcasa del dispositivo. Se requieren modelos matemáticos complejos para aproximar los procesos, y en la década de 1950 no había computadoras lo suficientemente potentes para ejecutarlos adecuadamente. Ni siquiera los ordenadores y los programas de simulación actuales son adecuados. [72]
Fue bastante fácil diseñar armas fiables para el arsenal. Si el prototipo funcionara, podría convertirse en un arma y producirse en masa. [ cita necesaria ]
Fue mucho más difícil entender cómo funcionó o por qué falló. Los diseñadores reunieron la mayor cantidad de datos posible durante la explosión, antes de que el dispositivo se destruyera, y utilizaron los datos para calibrar sus modelos, a menudo insertando factores manipulados en las ecuaciones para que las simulaciones coincidieran con los resultados experimentales. También analizaron los restos de armas en la lluvia radiactiva para ver en qué medida se había producido una posible reacción nuclear. [ cita necesaria ]
Una herramienta importante para el análisis de las pruebas fue el tubo de luz de diagnóstico. Una sonda dentro de un dispositivo de prueba podría transmitir información calentando una placa de metal hasta alcanzar la incandescencia, un evento que podría registrarse mediante instrumentos ubicados en el extremo más alejado de un tubo largo y muy recto. [ cita necesaria ]
La siguiente imagen muestra el dispositivo Shrimp, detonado el 1 de marzo de 1954 en Bikini, como prueba de Castle Bravo . Su explosión de 15 megatones fue la mayor jamás realizada por Estados Unidos. La silueta de un hombre se muestra a escala. El dispositivo se sostiene desde abajo, por los extremos. Los tubos que van hasta el techo de la cabina de disparo, que parecen ser soportes, en realidad son tubos de luz de diagnóstico. Los ocho tubos del extremo derecho (1) enviaban información sobre la detonación del primario. Dos en el medio (2) marcaron el momento en que los rayos X del primario alcanzaron el canal de radiación alrededor del secundario. Los dos últimos tubos (3) anotaron el tiempo en que la radiación llegó al extremo más alejado del canal de radiación, siendo la diferencia entre (2) y (3) el tiempo de tránsito de la radiación por el canal. [73]
Desde la cabina de disparo, las tuberías giraron horizontalmente y viajaron 7500 pies (2,3 km) a lo largo de una calzada construida en el arrecife Bikini hasta un búnker de recopilación de datos controlado remotamente en la isla Namu. [ cita necesaria ]
Si bien los rayos X normalmente viajarían a la velocidad de la luz a través de un material de baja densidad como el relleno de espuma plástica del canal entre (2) y (3), la intensidad de la radiación del primario que explota crea un frente de radiación relativamente opaco en el canal. relleno, que actúa como un atasco de movimiento lento para retardar el paso de la energía radiante . Mientras el secundario se comprime mediante ablación inducida por radiación, los neutrones del primario alcanzan los rayos X, penetran en el secundario y comienzan a generar tritio a través de la tercera reacción observada en la primera sección anterior. Esta reacción de Li-6+n es exotérmica y produce 5 MeV por evento. La bujía aún no se ha comprimido y, por lo tanto, sigue siendo subcrítica, por lo que no se produce ninguna fisión o fusión importante. Sin embargo, si llegan suficientes neutrones antes de que se complete la implosión del secundario, el diferencial de temperatura crucial entre las partes exterior e interior del secundario puede degradarse, provocando potencialmente que el secundario no se encienda. La primera arma termonuclear diseñada por Livermore, el dispositivo Morgenstern, falló de esta manera cuando fue probada como Castle Koon el 7 de abril de 1954. La primaria se encendió, pero la secundaria, precalentada por la onda de neutrones de la primaria, sufrió lo que se denominó como una detonación ineficiente ; [74] : 165 así, un arma con un rendimiento previsto de un megatón produjo sólo 110 kilotones, de los cuales sólo 10 kt se atribuyeron a la fusión. [75] : 316
Estos efectos de sincronización, y cualquier problema que causen, se miden mediante datos de tubos de luz. Las simulaciones matemáticas que calibran se denominan códigos hidrodinámicos de flujo de radiación o códigos de canal. Se utilizan para predecir el efecto de futuras modificaciones de diseño. [ cita necesaria ]
No queda claro en los registros públicos qué tan exitosas fueron las pipas de luz Shrimp. El búnker de datos no tripulado estaba lo suficientemente atrás como para permanecer fuera del cráter de una milla de ancho, pero la explosión de 15 megatones, dos veces y media más poderosa de lo esperado, atravesó el búnker al volar su puerta de 20 toneladas de las bisagras y atravesar el dentro del búnker. (Las personas más cercanas estaban a 32 kilómetros (20 millas) más lejos, en un búnker que sobrevivió intacto.) [76]
Los datos más interesantes de Castle Bravo provienen del análisis radioquímico de restos de armas en la lluvia radiactiva. Debido a la escasez de litio-6 enriquecido, el 60% del litio en la secundaria Shrimp era litio-7 ordinario, que no genera tritio tan fácilmente como lo hace el litio-6. Pero genera litio-6 como producto de una reacción (n, 2n) (un neutrón entra, dos neutrones salen), un hecho conocido, pero con probabilidad desconocida. La probabilidad resultó ser alta. [ cita necesaria ]
El análisis de las consecuencias reveló a los diseñadores que, con la reacción (n, 2n), la secundaria Shrimp efectivamente tenía dos veces y media más litio-6 de lo esperado. En consecuencia, el tritio, el rendimiento de la fusión, los neutrones y el rendimiento de la fisión aumentaron. [77]
Como se señaló anteriormente, el análisis de las consecuencias de Bravo también le dijo al mundo exterior, por primera vez, que las bombas termonucleares son más dispositivos de fisión que de fusión. Un barco pesquero japonés, Daigo Fukuryū Maru , zarpó a casa con suficiente lluvia radiactiva en sus cubiertas para permitir a los científicos en Japón y otros lugares determinar, y anunciar, que la mayor parte de la lluvia radiactiva procedía de la fisión del U-238 mediante fusión de 14 MeV. neutrones. [ cita necesaria ]
La alarma mundial sobre la lluvia radioactiva, que comenzó con el suceso de Castle Bravo, acabó llevando a que los ensayos nucleares se hicieran literalmente bajo tierra. La última prueba estadounidense sobre la superficie tuvo lugar en la isla Johnston el 4 de noviembre de 1962. Durante las siguientes tres décadas, hasta el 23 de septiembre de 1992, Estados Unidos llevó a cabo un promedio de 2,4 explosiones nucleares subterráneas por mes, todas menos unas pocas al mes. Sitio de pruebas de Nevada (NTS) al noroeste de Las Vegas. [ cita necesaria ]
La sección Yucca Flat del NTS está cubierta de cráteres de hundimiento resultantes del colapso del terreno sobre cavernas radiactivas creadas por explosiones nucleares (ver foto).
Después del Tratado de Prohibición Umbral de Ensayos (TTBT) de 1974, que limitó las explosiones subterráneas a 150 kilotones o menos, ojivas como la W88 de medio megatón tuvieron que probarse con un rendimiento inferior al total. Dado que el primario debe detonarse a pleno rendimiento para generar datos sobre la implosión del secundario, la reducción del rendimiento tenía que provenir del secundario. Reemplazar gran parte del combustible de fusión de deuteruro de litio-6 por hidruro de litio-7 limitó el tritio disponible para la fusión y, por lo tanto, el rendimiento general, sin cambiar la dinámica de la implosión. El funcionamiento del dispositivo podría evaluarse mediante tubos de luz, otros dispositivos sensores y análisis de restos de armas atrapadas. El rendimiento total del arma almacenada podría calcularse mediante extrapolación. [ cita necesaria ]
Cuando las armas de dos etapas se convirtieron en estándar a principios de la década de 1950, el diseño de las armas determinó el diseño de las nuevas instalaciones de producción estadounidenses, ampliamente dispersas, y viceversa.
Como las primarias tienden a ser voluminosas, especialmente en diámetro, el plutonio es el material fisionable elegido para las fosas, con reflectores de berilio. Tiene una masa crítica menor que el uranio. La planta de Rocky Flats cerca de Boulder, Colorado, se construyó en 1952 para la producción en minas y, en consecuencia, se convirtió en la instalación de fabricación de plutonio y berilio. [ cita necesaria ]
La planta Y-12 en Oak Ridge , Tennessee , donde los espectrómetros de masas llamados calutrones habían enriquecido uranio para el Proyecto Manhattan , fue rediseñada para fabricar secundarios. Fissile U-235 fabrica las mejores bujías porque su masa crítica es mayor, especialmente en la forma cilíndrica de los primeros secundarios termonucleares. Los primeros experimentos utilizaron los dos materiales fisibles en combinación, como pozos compuestos de Pu-Oy y bujías, pero para la producción en masa era más fácil dejar que las fábricas se especializaran: pozos de plutonio en los primarios, bujías de uranio y empujadores en los secundarios. [ cita necesaria ]
Y-12 produjo combustible de fusión de deuteruro de litio-6 y piezas de U-238, los otros dos ingredientes de los secundarios. [ cita necesaria ]
El sitio de Hanford, cerca de Richland WA, operó reactores nucleares de producción de plutonio e instalaciones de separación durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra Fría. Allí se construyeron y operaron nueve reactores de producción de plutonio. El primero fue el Reactor B que comenzó a operar en septiembre de 1944 y el último fue el Reactor N que cesó sus operaciones en enero de 1987. [ cita necesaria ]
El sitio del río Savannah en Aiken , Carolina del Sur , también construido en 1952, operaba reactores nucleares que convertían U-238 en Pu-239 para pozos y convertían litio-6 (producido en Y-12) en tritio para gas de refuerzo. Dado que sus reactores fueron moderados con agua pesada, óxido de deuterio, también produjo deuterio para gas de refuerzo y para que Y-12 lo usara en la fabricación de deuteruro de litio-6. [ cita necesaria ]
Dado que incluso las ojivas nucleares de bajo rendimiento tienen un poder destructivo asombroso, los diseñadores de armas siempre han reconocido la necesidad de incorporar mecanismos y procedimientos asociados destinados a evitar la detonación accidental. [ cita necesaria ]
Es intrínsecamente peligroso tener un arma que contenga una cantidad y forma de material fisionable que pueda formar una masa crítica mediante un accidente relativamente simple. Debido a este peligro, el propulsor de Little Boy (cuatro bolsas de cordita ) se insertó en la bomba en vuelo, poco después del despegue, el 6 de agosto de 1945. Esta fue la primera vez que se montó completamente un arma nuclear tipo pistola. [ cita necesaria ]
Si el arma cae al agua, el efecto moderador del agua también puede provocar un accidente de criticidad , incluso sin que el arma sufra daños físicos. De manera similar, un incendio provocado por el accidente de un avión podría fácilmente encender el propulsor, con resultados catastróficos. Las armas tipo pistola siempre han sido intrínsecamente inseguras. [ cita necesaria ]
Ninguno de estos efectos es probable con las armas de implosión, ya que normalmente no hay suficiente material fisionable para formar una masa crítica sin la detonación correcta de las lentes. Sin embargo, las primeras armas de implosión tenían pozos tan cercanos a la criticidad que la detonación accidental con cierto rendimiento nuclear era motivo de preocupación. [ cita necesaria ]
El 9 de agosto de 1945, Fat Man fue cargado en su avión completamente ensamblado, pero más tarde, cuando los fosos levitados crearon un espacio entre el foso y el pisón, fue factible utilizar la inserción del foso durante el vuelo. El bombardero despegaría sin material fisionable en la bomba. Algunas armas más antiguas de tipo implosión, como las Mark 4 y Mark 5 estadounidenses , utilizaban este sistema. [ cita necesaria ]
La inserción de una fosa durante el vuelo no funcionará con una fosa hueca en contacto con su apisonador. [ cita necesaria ]
Como se muestra en el diagrama anterior, un método utilizado para disminuir la probabilidad de detonación accidental empleaba bolas de metal . Las bolas se vaciaron en el pozo: esto evitó la detonación al aumentar la densidad del pozo hueco, evitando así una implosión simétrica en caso de accidente. Este diseño se utilizó en el arma Green Grass, también conocida como Arma Interim Megaton, que se utilizó en las bombas Violet Club y Yellow Sun Mk.1 . [ cita necesaria ]
Alternativamente, la fosa puede "protegerse" llenando su núcleo normalmente hueco con un material inerte, como una cadena metálica fina, posiblemente hecha de cadmio para absorber neutrones. Mientras la cadena está en el centro del hoyo, el hoyo no se puede comprimir en una forma apropiada para fisionarse; cuando se va a armar el arma, se quita la cadena. Del mismo modo, aunque un incendio grave podría detonar los explosivos, destruir el pozo y esparcir plutonio para contaminar los alrededores como ha ocurrido en varios accidentes con armas , no podría provocar una explosión nuclear. [ cita necesaria ]
Si bien el disparo de un detonador entre muchos no hará que un pozo hueco se vuelva crítico, especialmente un pozo hueco de baja masa que requiere impulso, la introducción de sistemas de implosión de dos puntos hizo que esa posibilidad se convirtiera en una preocupación real. [ cita necesaria ]
En un sistema de dos puntos, si se dispara un detonador, todo un hemisferio del pozo implosionará según lo diseñado. La carga altamente explosiva que rodea el otro hemisferio explotará progresivamente, desde el ecuador hacia el polo opuesto. Idealmente, esto pellizcará el ecuador y alejará el segundo hemisferio del primero, como pasta de dientes en un tubo. Cuando la explosión lo envuelva, su implosión estará separada tanto en el tiempo como en el espacio de la implosión del primer hemisferio. La forma resultante de la mancuerna, en la que cada extremo alcanza la densidad máxima en un momento diferente, puede no resultar crítica. [ cita necesaria ]
No es posible decir en la mesa de dibujo cómo se desarrollará esto. Tampoco es posible utilizar un pozo simulado de U-238 y cámaras de rayos X de alta velocidad, aunque tales pruebas son útiles. Para una determinación final es necesario realizar una prueba con material fisionable real. En consecuencia, a partir de 1957, un año después de Swan, ambos laboratorios comenzaron pruebas de seguridad de un punto. [ cita necesaria ]
De 25 pruebas de seguridad de un punto realizadas en 1957 y 1958, siete tuvieron un rendimiento nuclear nulo o leve (éxito), tres tuvieron rendimientos elevados de 300 a 500 t (fracaso grave) y el resto tuvieron rendimientos inaceptables entre esos extremos. [ cita necesaria ]
De particular preocupación fue el W47 de Livermore , que generó rendimientos inaceptablemente altos en pruebas de un punto. Para evitar una detonación accidental, Livermore decidió utilizar un seguro mecánico en el W47. El resultado fue el esquema de seguridad de cables que se describe a continuación. [ cita necesaria ]
Cuando las pruebas se reanudaron en 1961, y continuaron durante tres décadas, hubo tiempo suficiente para hacer que todos los diseños de ojivas fueran inherentemente seguros en un punto, sin necesidad de seguridad mecánica. [ cita necesaria ]
En la última prueba antes de la moratoria de 1958, se descubrió que la ojiva W47 del Polaris SLBM no era segura en un solo punto, lo que producía un rendimiento nuclear inaceptablemente alto de 400 lb (180 kg) de equivalente de TNT (Hardtack II Titania). Con la moratoria de pruebas vigente, no había manera de refinar el diseño y hacerlo inherentemente seguro en un punto. Se ideó una solución que consistía en un alambre recubierto de boro insertado en el hueco del arma durante la fabricación. La ojiva se armaba retirando el cable sobre un carrete accionado por un motor eléctrico. Una vez retirado, el cable no se pudo volver a insertar. [78] El cable tenía tendencia a volverse quebradizo durante el almacenamiento y a romperse o atascarse durante el armado, lo que impedía su extracción completa y hacía que la ojiva fracasara. [79] Se estimó que entre el 50% y el 75% de las ojivas fallarían. Esto requirió una reconstrucción completa de todos los primarios del W47. [80] El aceite utilizado para lubricar el alambre también promovió la corrosión de la fosa. [81]
Según el sistema de vínculo fuerte/vínculo débil, se construyen "vínculos débiles" entre componentes críticos de armas nucleares (los "vínculos duros"). En caso de accidente, los eslabones débiles están diseñados para fallar primero de manera que impida la transferencia de energía entre ellos. Entonces, si un enlace duro falla de una manera que transfiera o libere energía, la energía no podrá transferirse a otros sistemas de armas, lo que podría iniciar una detonación nuclear. Los enlaces duros suelen ser componentes críticos de armas que se han reforzado para sobrevivir en entornos extremos, mientras que los enlaces débiles pueden ser tanto componentes insertados deliberadamente en el sistema para actuar como un enlace débil como componentes nucleares críticos que pueden fallar de manera predecible. [ cita necesaria ]
Un ejemplo de eslabón débil sería un conector eléctrico que contiene cables eléctricos hechos de una aleación de bajo punto de fusión. Durante un incendio, esos cables se derretirían, rompiendo cualquier conexión eléctrica. [ cita necesaria ]
Un enlace de acción permisivo es un dispositivo de control de acceso diseñado para impedir el uso no autorizado de armas nucleares. Los primeros PAL eran interruptores electromecánicos simples y han evolucionado hasta convertirse en sistemas de armado complejos que incluyen opciones integradas de control de rendimiento, dispositivos de bloqueo y dispositivos antimanipulación.
Los modernos disparadores de fisión potenciados llevan al extremo esta evolución hacia una mayor relación peso, un volumen más pequeño y una mayor facilidad de escape de la radiación.
Un núcleo que consta de 3,5 a 4,5 kg de plutonio, 5 a 6 kg de reflector de berilio y unos 20 kilogramos de explosivo potente que prácticamente no contiene material de alto Z produce rendimientos explosivos comparables.
Un cálculo simplista del trabajo realizado al implosionar un secundario de 10 litros en el "W-80"... el primario realmente producido (5 kt)...
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Este artículo incorpora texto de un trabajo de contenido gratuito . . Texto tomado de Preguntas frecuentes sobre armas nucleares: 1.6, Carey Sublette, .
