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El diseño de armas nucleares son disposiciones físicas, químicas y de ingeniería que hacen que el conjunto de elementos físicos [1] de un arma nuclear detone. Existen tres tipos básicos de diseño:
Las armas de fisión pura han sido el primer tipo de armamento que han construido las nuevas potencias nucleares. Los grandes estados industriales con arsenales nucleares bien desarrollados cuentan con armas termonucleares de dos etapas, que son la opción más compacta, escalable y rentable una vez que se han creado 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 los primeros artículos periodísticos, las armas de fisión pura se denominaban bombas atómicas o bombas A , y las armas que implicaban fusión, bombas de hidrógeno o bombas H. Sin embargo, los expertos en política nuclear prefieren 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 las reacciones químicas comparables, lo que hace que las bombas nucleares sean un millón de veces más potentes que las bombas no nucleares, como lo reivindicó una patente francesa en mayo de 1939. [4]
En cierto modo, la fisión y la fusión son reacciones opuestas y complementarias, pero las particularidades de cada una son únicas. Para entender cómo se diseñan las armas nucleares, es útil conocer las similitudes y diferencias importantes entre la fisión y la fusión. La siguiente explicación utiliza números redondeados y aproximaciones. [5]
Cuando un neutrón libre choca con 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 el 235 U, tres aproximadamente con la misma frecuencia que dos; un promedio de poco menos de 2,5 por fisión). La reacción en cadena de fisión en una masa supercrítica de combustible puede ser autosostenible porque produce suficientes neutrones excedentes para compensar las pérdidas de neutrones que escapan del conjunto supercrítico. La mayoría de estos tienen la velocidad (energía cinética) necesaria para causar nuevas fisiones en núcleos de uranio vecinos. [6]
El núcleo de uranio-235 puede dividirse de muchas maneras, siempre que los números atómicos sumen 92 y los números másicos 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 esta energía es radiación gamma y energía cinética de los 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 (es decir, 1,2 cm por nanosegundo). La alta carga eléctrica de los fragmentos cargados provoca muchas colisiones coulombianas inelásticas con los núcleos cercanos, y estos fragmentos quedan atrapados dentro del foso fisible de la bomba y se manipulan hasta que su energía cinética se convierte en calor . Dada la velocidad de los fragmentos y el camino libre medio entre los núcleos en el conjunto de combustible comprimido (para el diseño de implosión), esto toma alrededor de una millonésima de segundo (un microsegundo), momento en el cual el núcleo y el tamper de la bomba se han expandido a una bola de plasma de varios metros de diámetro con una temperatura de decenas de millones de grados Celsius.
Esta temperatura es lo suficientemente alta 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 los neutrones en protones mediante la expulsión de partículas beta (electrones), neutrinos y rayos gamma. Su vida media varía de milisegundos a unos 200.000 años. Muchos se desintegran en isótopos que son radiactivos, por lo que pueden ser necesarias de 1 a 6 desintegraciones (un promedio de 3) para alcanzar la estabilidad. [8] En los reactores, los productos radiactivos son los desechos nucleares en el combustible gastado . En las bombas, se convierten en lluvia radiactiva, tanto local como global. [9]
Mientras tanto, en el interior 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 la explosión de una bomba, pero no tan efectivamente como la energía de los fragmentos cargados, ya que los neutrones no ceden su energía cinética tan rápidamente en colisiones con núcleos cargados o electrones. 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 choca con núcleos de 235 U, lo que hace que se fisionen 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 plutonio hasta cientos de toneladas en el centésimo eslabón de la cadena. Por lo general, en un arma moderna, el núcleo del arma contiene entre 3,5 y 4,5 kilogramos (7,7 y 9,9 libras) de plutonio y en la detonación produce aproximadamente entre 5 y 10 kilotoneladas de TNT (21 a 42 TJ), lo que representa la fisión de aproximadamente 0,5 kilogramos (1,1 libras) de plutonio. [10] [11]
Los materiales que pueden provocar una reacción en cadena se denominan fisibles . Los dos materiales fisibles que se utilizan en las armas nucleares son: el 235 U, también conocido como uranio altamente enriquecido (HEU), "oralloy" que significa "aleación de Oak Ridge", [12] o "25" (una combinación del último dígito del número atómico del uranio-235, que es 92, y el último dígito de su número másico, que es 235); y el 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 subsiguientes de 238 U. Sin embargo, los neutrones liberados por la fusión de los isótopos pesados del hidrógeno deuterio y tritio fisionarán el 238 U. Esta reacción de fisión del 238 U en la cubierta exterior del ensamblaje secundario de una bomba termonuclear de dos etapas produce con diferencia la mayor fracción del rendimiento energético de la bomba, así como la mayor parte de sus restos radiactivos.
Para las potencias nacionales que participan en una carrera armamentista nuclear, este hecho de la capacidad del 238U de fisionarse rápidamente a partir del bombardeo de neutrones termonucleares es de importancia central. La abundancia y el bajo costo tanto del combustible de fusión seco a granel (deuteruro de litio) como del 238U (un subproducto del enriquecimiento del uranio) permiten la producción económica de arsenales nucleares muy grandes, en comparación con las armas de fisión pura que requieren los costosos combustibles 235U o 239Pu .
La fusión produce neutrones que disipan energía de la reacción. [14] En las armas, la reacción de fusión más importante se denomina reacción DT. Utilizando 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 energía total liberada, 17,6 MeV, es una décima parte de la que se genera con la fisión, pero los ingredientes tienen una masa de apenas una quincuagésima parte, por lo que la energía liberada por unidad de masa es aproximadamente cinco veces mayor. En esta reacción de fusión, 14 de los 17,6 MeV (el 80% de la energía liberada en la reacción) aparecen 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 su energía atrás para ayudar a sostener la reacción, o para generar rayos X para la explosión y el fuego. [ cita requerida ]
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 cualquiera de los dos isótopos; 14 MeV es suficiente para fisionar tanto el 235 U como el 238 U) o el plutonio, el resultado es la fisión y la liberación de 180 MeV de energía de fisión, multiplicando por diez la energía de salida. [ cita requerida ]
Para su uso en armas, la fisión es necesaria para iniciar la fusión, ayuda a mantenerla y captura y multiplica la energía transportada por los neutrones de fusión. En el caso de una bomba de neutrones (véase más adelante), el último factor mencionado no se aplica, ya que el objetivo es facilitar el escape de neutrones, en lugar de utilizarlos para aumentar la potencia bruta del arma. [ cita requerida ]
Una reacción nuclear esencial es la que crea tritio , o hidrógeno-3. El tritio se utiliza de dos maneras. En primer lugar, se produce gas de 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 así para los núcleos de fisión primarios de las armas termonucleares. La segunda manera es indirecta y aprovecha el hecho de que los neutrones emitidos por una "bujía" de fisión supercrítica en el conjunto 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 la fisión primaria también se obtiene bombardeando litio-6 ( 6 Li) con neutrones (n), solo que en un reactor nuclear. Este bombardeo de neutrones hará 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]
Pero como se descubrió en la primera prueba de este tipo de dispositivo, Castle Bravo , cuando hay litio-7 presente, también se producen algunas cantidades de las dos reacciones netas siguientes:
La mayor parte del litio es 7 Li, y esto le dio a Castle Bravo un rendimiento 2,5 veces mayor de lo esperado. [16]
Los neutrones son suministrados por el reactor nuclear de una manera similar a la producción de plutonio 239 Pu a partir de materia prima 238 U: barras de destino de la materia prima 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 mencionadas anteriormente. El segundo, la fisión impulsada por fusión, utiliza las dos primeras. El tercero, la termonuclear de dos etapas, utiliza las tres.
La primera tarea del diseño de un arma nuclear es ensamblar rápidamente una masa supercrítica de uranio o plutonio fisible (de grado armamentístico). Una masa supercrítica es aquella en la que el porcentaje de neutrones producidos por fisión capturados por otros núcleos fisibles 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 posterior continúa una secuencia de estas reacciones que se abre paso a través de la masa supercrítica de núcleos de combustible. Este proceso se concibe y se describe coloquialmente como la 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 fisible. El neutrón se une al núcleo (técnicamente, un evento de fusión) y desestabiliza el núcleo, que explota en dos fragmentos nucleares de peso medio (debido a 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 de 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 con los que chocar antes de escapar de la masa de combustible menos densa. Cada evento de fisión posterior en la cadena duplica aproximadamente la población de neutrones (neta, después de las pérdidas debido a algunos neutrones que escapan de la masa de combustible y otros que chocan con cualquier núcleo de impureza no combustible presente).
En el caso del método de formación de masa supercrítica mediante el ensamblaje del cañón (véase más abajo), se puede confiar en que el propio combustible iniciará la reacción en cadena. Esto se debe a que incluso el mejor uranio para armas contiene una cantidad significativa de núcleos de 238 U. Estos son susceptibles a eventos de fisión espontánea , que ocurren aleatoriamente (es un fenómeno de mecánica cuántica). Debido a que el material fisible en una masa crítica ensamblada en el cañón no está comprimido, el diseño solo necesita asegurar que las dos masas subcríticas permanezcan lo suficientemente cerca una de la otra 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 organizar, 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 diseñadas para 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 efectividad destructiva de las explosiones aéreas).
Esta condición de fisión espontánea resalta la necesidad de ensamblar la masa supercrítica de combustible muy rápidamente. El tiempo requerido para lograr esto se llama tiempo crítico de inserción del arma . Si la fisión espontánea ocurriera cuando la masa supercrítica estuviera ensamblada solo parcialmente, la reacción en cadena comenzaría prematuramente. Las pérdidas de neutrones a través del vacío entre las dos masas subcríticas (ensamblaje del cañón) o los vacíos entre los núcleos de combustible no completamente comprimidos (ensamblaje de implosión) privarían a la bomba del número de eventos de fisión necesarios para alcanzar el rendimiento de diseño completo. Además, el calor resultante de las fisiones que ocurren trabajaría en contra del ensamblaje continuo de la masa supercrítica, debido a la expansión térmica del combustible. Este fracaso se llama predetonación . La explosión resultante sería llamada "fizzle" por los ingenieros de bombas y los usuarios de armas. La alta tasa de fisión espontánea del plutonio hace que el combustible de uranio sea una necesidad para las bombas ensambladas en cañones, con su tiempo de inserción mucho mayor y una masa de combustible requerida mucho mayor (debido a la falta de compresión del combustible).
Existe otra fuente de neutrones libres que puede estropear una explosión de fisión. Todos los núcleos de uranio y plutonio tienen un modo de desintegración que da lugar a partículas alfa energéticas . Si la masa de combustible contiene elementos de impureza de bajo número atómico (Z), estas partículas alfa cargadas pueden atravesar la barrera de Coulomb de estos núcleos de impureza y experimentar una reacción que produce un neutrón libre. La tasa de emisión alfa de los núcleos fisionables es de uno a dos millones de veces la de la fisión espontánea, por lo que los ingenieros de armas tienen cuidado de utilizar combustible de alta pureza.
Las armas de fisión que se utilizan en las proximidades de otras explosiones nucleares deben protegerse de la intrusión de neutrones libres procedentes del exterior. Sin embargo, este material de protección casi siempre será penetrado si el flujo de neutrones del exterior es lo suficientemente intenso. Cuando un arma falla o falla debido a los efectos de otras detonaciones nucleares, se habla de fratricidio nuclear .
En el diseño de ensamblaje por implosión, una vez que la masa crítica se ha reunido hasta alcanzar la densidad máxima, se debe suministrar una ráfaga de neutrones para iniciar la reacción en cadena. Las primeras armas utilizaban un generador de neutrones modulado llamado en código " Urchin " dentro del pozo que contenía polonio -210 y berilio separados por una fina barrera. La implosión del pozo aplasta el generador de neutrones, mezclando los dos metales, lo que permite 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 resultante a pequeña escala produce neutrones en una ubicación protegida fuera del paquete de física, desde donde penetran en el pozo. Este método permite una mejor sincronización de los primeros eventos de fisión en la reacción en cadena, que óptimamente deberían 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 por la que 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 necesaria para la criticidad se modifica según la forma, la pureza, la densidad y la proximidad a material que refleje neutrones , todo lo cual afecta el escape o captura de neutrones.
Para evitar una reacción en cadena prematura durante la manipulación, el material fisionable del arma debe mantenerse subcrítico. Puede consistir en uno o más componentes que contengan menos de una masa crítica sin comprimir cada uno. Una carcasa hueca delgada puede tener más que la masa crítica de una esfera desnuda, al igual que un cilindro, que puede ser arbitrariamente largo sin alcanzar nunca la criticidad. Otro método para reducir el riesgo de criticidad es incorporar material con una gran sección transversal para la captura de neutrones, como el boro (en concreto, 10 B que comprende el 20% del boro natural). Naturalmente, este absorbedor de neutrones debe retirarse antes de que se detone el arma. Esto es fácil para una bomba ensamblada con un cañón: la masa del proyectil simplemente empuja al absorbedor 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 hace que el metal Pu produzca espontáneamente un calor significativo; una masa de 5 kilogramos produce 9,68 vatios de potencia térmica. Una pieza de este tipo estaría caliente al tacto, lo que no es un problema si ese calor se disipa rápidamente y no se permite que aumente la temperatura. Pero esto es un problema dentro de una bomba nuclear. Por esta razón, las bombas que utilizan combustible Pu utilizan piezas de aluminio para absorber el exceso de calor, y esto complica el diseño de la bomba porque el Al no juega un papel activo en los procesos de explosión.
Un tamper 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 fisionable, manteniéndola supercrítica durante más tiempo. A menudo [¿ cuándo? ] la misma capa sirve tanto como tamper 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, casi la masa crítica del metal desnudo . Cuando se ensambló dentro de su pisón/reflector de carburo de tungsteno , los 64 kg (141 lb) eran más del doble de la masa crítica. Antes de la detonación, el uranio-235 se formó en dos piezas subcríticas, una de las cuales fue disparada más tarde 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; [17] el resto, que representa la mayor parte de toda la producción de guerra de las gigantescas fábricas de Y-12 en Oak Ridge, se dispersó inútilmente. [18]
La ineficiencia se debió a la velocidad con la que el uranio fisionable 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, fue adaptado para su uso en proyectiles de artillería cilíndricos de diámetro pequeño (una ojiva tipo cañón disparada desde el cañón de un cañón mucho más grande). [ cita requerida ] Estados Unidos empleó dichas ojivas hasta 1992, lo que representa una fracción significativa del 235 U en el arsenal [ cita requerida ] y fueron algunas de las primeras armas desmanteladas para cumplir con los tratados que limitaban el número de ojivas. [ cita requerida ] La razón de esta decisión fue, sin duda, una combinación del menor rendimiento y los graves problemas de seguridad asociados con el diseño tipo cañón. [ cita requerida ]
Tanto para el dispositivo Trinity como para la bomba Fat Man (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 en volumen, de Pu-239 , que es solo el 41% de la masa crítica de la esfera desnuda . Rodeado por un reflector/apretón de U-238 , el pozo de Fat Man se acercó a la masa crítica por las propiedades de reflexión de neutrones del U-238. Durante la detonación, la criticidad se logró por implosión. El pozo de plutonio se comprimió 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 por múltiples detonadores de puente de alambre explosivo . Se estima que solo alrededor del 20% del plutonio experimentó fisión; El resto, unos 5 kg (11 lb), quedó disperso.
Una onda de choque de implosión puede tener una duración tan corta que solo una parte del pozo se comprime en cualquier instante mientras la onda pasa a través de él. Para evitar esto, puede ser necesario un propulsor. El propulsor está ubicado entre la lente explosiva y el tamper. 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 los dos metales (el aluminio es más fácil y seguro de moldear, y es dos órdenes de magnitud más barato; el berilio tiene una alta capacidad de reflexión de neutrones). Fat Man utilizó un propulsor 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 en un sitio remoto a 14,3 km (8,9 mi) al este de este en el Cañón Bayo, demostraron la viabilidad 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. [19]
La clave de la mayor eficiencia de Fat Man fue el impulso hacia adentro del gigantesco manipulador de U-238 (el manipulador de uranio natural no sufrió fisión por neutrones térmicos, pero contribuyó quizás con un 20% del rendimiento total de la fisión por neutrones rápidos). Después de que la reacción en cadena comenzara en el plutonio, continuó hasta que la explosión invirtió el impulso de la implosión y se expandió lo suficiente para detener la reacción en cadena. Al mantener todo junto durante unos pocos cientos de nanosegundos más, el manipulador aumentó la eficiencia.
El núcleo de un arma de implosión (el material fisible y cualquier reflector o dispositivo de manipulación adherido a él) se conoce como foso . Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron fosos hechos con U-235 solo, o en combinación con plutonio , [20] pero los fosos hechos completamente de plutonio son los de menor diámetro y han sido el estándar desde principios de la década de 1960. [ cita requerida ]
El moldeo y posterior mecanizado del plutonio es difícil no solo por su toxicidad, sino también porque el plutonio tiene muchas fases metálicas diferentes . A medida que el plutonio se enfría, los cambios de fase dan lugar a distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera al alearlo con 30–35 mMol (0,9–1,0% en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperaturas. [21] Cuando se enfría desde el estado fundido, entonces tiene solo un cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios por los que pasaría de otra manera. 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 su conversión en dióxido de plutonio para reactores de potencia , existe la dificultad de eliminar el galio. [ cita requerida ]
Como el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir el pozo terminado con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el riesgo tóxico. [22] El dispositivo utilizaba un revestimiento de plata galvánica; después, se utilizó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , [22] pero a partir de entonces y desde entonces, el oro se convirtió en el material preferido. [ cita requerida ] Los diseños recientes mejoran la seguridad al recubrir los pozos con vanadio para hacerlos más resistentes al fuego. [ cita requerida ]
La primera mejora del diseño de Fat Man fue colocar un espacio de aire entre el apisonador y el pozo para crear un impacto de martillo sobre clavo. Se decía que el pozo, apoyado sobre un cono hueco dentro de la cavidad del apisonador, estaba "levitado". Las tres pruebas de la Operación Sandstone , en 1948, utilizaron diseños de Fat Man con pozos levitados. El rendimiento más alto fue de 49 kilotones, más del doble del rendimiento del Fat Man sin levitar. [23]
De inmediato quedó claro (¿ según quién? ) que la implosión era el mejor diseño para un arma de fisión. Su único inconveniente parecía ser su diámetro. Fat Man medía 1,5 metros de ancho frente a los 61 centímetros de Little Boy.
El núcleo de Pu-239 de Fat Man tenía solo 9,1 centímetros (3,6 pulgadas) de diámetro, el tamaño de una pelota de béisbol. La mayor parte del grosor de Fat Man estaba formado por el mecanismo de implosión, es decir, capas concéntricas de U-238, aluminio y explosivos de alta potencia. La clave para reducir ese grosor era el diseño de implosión de dos puntos. [ cita requerida ]
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 un inserto en forma de placa, o moldeador , se coloca 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 en la masa principal del explosivo. Esto hace que la detonación forme un anillo que avanza hacia adentro desde el moldeador. [24]
Debido a la falta de un apisonador o lentes para dar forma a la progresión, la detonación no llega al pozo en forma esférica. Para producir la implosión esférica deseada, el material fisionable en sí mismo 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 llega primero al pozo 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 requerida ]
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, por sus siglas en inglés), también conocidas como bombas 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 tipo cañón U-235 o diseños de implosión lineal Pu-239, pagan un alto precio en material fisionable para lograr diámetros de entre seis y diez pulgadas (15 y 25 cm). [ cita requerida ]
Un sistema de implosión más eficiente utiliza un pozo hueco. [ cita requerida ]
El diseño original de 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. Se consideró que un diseño más simple con pozo sólido era más confiable, dadas las limitaciones de tiempo, pero requería un pesado pisón de U-238, un grueso propulsor de aluminio y tres toneladas de explosivos de alta potencia. [ cita requerida ]
Después de la guerra, el interés por el diseño de foso hueco se reavivó. Su ventaja obvia es que una carcasa hueca de plutonio, deformada por impacto y empujada hacia adentro, hacia su centro vacío, aportaría impulso a su violento ensamblaje como una esfera sólida. Sería autoapisonable, lo que requeriría un apisonador de U-238 más pequeño, ningún empujador de aluminio y menos explosivo de alta potencia. [ cita requerida ]
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 material de relleno 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 requerida ]
La reacción de fusión más fácil de lograr se encuentra en una mezcla 50-50 de tritio y deuterio. [25] Para los experimentos de energía de fusión, esta mezcla debe mantenerse a altas temperaturas durante tiempos relativamente largos para tener una reacción eficiente. Sin embargo, para el uso explosivo, el objetivo no es producir una fusión eficiente, sino simplemente proporcionar neutrones adicionales al principio del proceso. [ cita requerida ] Dado que una explosión nuclear es supercrítica, cualquier neutrón adicional se multiplicará por la reacción en cadena, por lo que incluso pequeñas cantidades introducidas al principio 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 requerida ]
En el diseño reforzado, 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 requerida ] Los neutrones iniciarán una gran cantidad de nuevas reacciones en cadena mientras el pozo aún esté en estado crítico o casi crítico. Una vez que se perfeccione el pozo hueco, hay pocas razones para no reforzarlo; el deuterio y el tritio se producen fácilmente en las pequeñas cantidades necesarias, y los aspectos técnicos son triviales. [25]
El concepto de fisión impulsada por fusión se probó por primera vez el 25 de mayo de 1951, en el reactor de la Operación Invernadero , Eniwetok , que produjo 45,5 kilotones. [ cita requerida ]
El impulso reduce el diámetro de tres maneras, todas ellas resultado de una fisión más rápida:
[ cita requerida ]
El primer dispositivo cuyas dimensiones sugieren el empleo de todas estas características (implosión de dos puntos, en cavidad hueca y potenciada por fusión) fue el dispositivo Swan . Tenía una forma cilíndrica con un diámetro de 29 cm (11,6 pulgadas) y una longitud de 58 cm (22,8 pulgadas). [ cita requerida ]
Primero se probó de manera independiente y luego como el proyectil principal de un dispositivo termonuclear de dos etapas durante la Operación Redwing . Se utilizó como arma principal Robin y se convirtió en el primer proyectil principal multiusos disponible en el mercado y en el prototipo de todos los que vinieron después. [ cita requerida ]
Después del éxito de Swan, 28 o 30 centímetros (11 o 12 pulgadas) parecieron convertirse en el diámetro estándar de los dispositivos monoetapa potenciados probados durante la década de 1950. [ cita requerida ] La longitud era generalmente el doble del diámetro, pero uno de esos dispositivos, que se convirtió en la ojiva W54 , estaba más cerca de una esfera, de solo 38 centímetros (15 pulgadas) de largo.
Una de las aplicaciones del W54 fue el proyectil sin retroceso Davy Crockett XM-388 para fusiles . Tenía unas dimensiones de tan solo 28 centímetros (11 pulgadas) y se muestra aquí en comparación con su predecesor Fat Man (150 centímetros o 60 pulgadas).
Otro beneficio de la potenciación, además de hacer que las armas sean más pequeñas, más ligeras y con menos material fisible para un rendimiento determinado, es que las vuelve inmunes a la predetonación. [ cita requerida ] A mediados de la década de 1950 se descubrió que las fosas de plutonio serían particularmente susceptibles a la predetonación parcial si se exponían a la intensa radiación de una explosión nuclear cercana (la electrónica también podría resultar dañada, pero este era un problema aparte). [ cita requerida ] La RI era un problema particular antes de que existieran sistemas de radar de alerta temprana eficaces porque un ataque de primer ataque podría hacer que las armas de represalia fueran inútiles. La potenciación reduce la cantidad de plutonio necesaria en un arma a un nivel inferior al que sería vulnerable a este efecto. [ cita requerida ]
Se pueden fabricar armas de fisión pura o de fisión potenciada por fusión para producir cientos de kilotones, con un gran gasto de material fisible y tritio, pero, con mucho, la forma más eficiente de aumentar el rendimiento de las armas nucleares más allá de unos diez kilotones es añadir una segunda etapa independiente, llamada secundaria. [ cita requerida ]
En la década de 1940, los diseñadores de bombas en Los Álamos pensaron que el secundario sería un recipiente 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 por choque y calentaría el extremo cercano, y la fusión se propagaría a través del recipiente hasta el extremo más alejado. Las simulaciones matemáticas demostraron que no funcionaría, incluso con grandes cantidades de tritio, un material costoso. [ cita requerida ]
Todo el recipiente de combustible de fusión tendría que estar envuelto por energía de fisión, tanto para comprimirlo como para calentarlo, como sucede con la carga de refuerzo en un reactor primario reforzado. El avance en el diseño se produjo en enero de 1951, cuando Edward Teller y Stanislaw Ulam inventaron la implosión por radiación, que durante casi tres décadas se conoció públicamente solo como el secreto de la bomba H de Teller-Ulam . [26] [27]
El concepto de implosión por radiación se probó por primera vez el 9 de mayo de 1951, en el lanzamiento de George de la Operación Greenhouse , en Eniwetok, que produjo 225 kilotones. La primera prueba completa se realizó el 1 de noviembre de 1952, en el lanzamiento de Mike de la Operación Ivy , en Eniwetok, que produjo 10,4 megatones. [ cita requerida ]
En la implosión por radiación, la explosión de energía de rayos X que proviene de un núcleo primario en explosión es capturada y contenida dentro de un canal de radiación de paredes opacas que rodea los componentes de energía nuclear del núcleo 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 es absorbida en las capas más externas del empujador/apretón que rodea al núcleo secundario, que se ablaciona y aplica una fuerza masiva [28] (muy similar a un motor de cohete al revés) haciendo que la cápsula de combustible de fusión implosione de manera muy similar a la cavidad del núcleo primario. A medida que el núcleo secundario implosiona, una "bujía" fisible en su centro se enciende y proporciona neutrones y calor que permiten que el combustible de fusión de deuteruro de litio produzca tritio y se encienda también. Las reacciones en cadena de fisión y fusión intercambian neutrones entre sí y aumentan la eficiencia de ambas reacciones. La mayor fuerza implosiva, la mayor eficiencia de la "bujía" fisible debido al impulso a través de neutrones de fusión y la explosión de fusión en sí misma proporcionan un rendimiento explosivo significativamente mayor del secundario a pesar de que a menudo no es mucho mayor que el primario. [ cita requerida ]
Por ejemplo, para la prueba del Redwing Mohawk del 3 de julio de 1956, se adjuntó un secundario llamado Flute al primario Swan. El Flute tenía 38 centímetros (15 pulgadas) de diámetro y 59 centímetros (23,4 pulgadas) de largo, aproximadamente el tamaño del Swan. Pero pesaba diez veces más y producía 24 veces más energía (355 kilotones frente a 15 kilotones). [ cita requerida ]
Igualmente importante es que los ingredientes activos del Flute probablemente no cuestan más que los del Swan. La mayor parte de la fisión se realizó a partir de U-238 barato, y el tritio se fabricó en el lugar durante la explosión. Solo la bujía en el eje del secundario necesitaba ser fisible. [ cita requerida ]
Un secundario esférico puede lograr densidades de implosión más altas que un secundario cilíndrico, porque la implosión esférica empuja desde todas las direcciones hacia el mismo punto. Sin embargo, en ojivas que producen más de un megatón, el diámetro de un secundario esférico sería demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones. En tales casos, es necesario un secundario cilíndrico. Los vehículos de reentrada pequeños y con forma de cono en los misiles balísticos de múltiples ojivas posteriores a 1970 tendían a tener ojivas con secundarios esféricos y producciones de unos pocos cientos de kilotones. [ cita requerida ]
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 requerida ]
En términos de ingeniería, la implosión por radiación permite aprovechar varias características conocidas de los materiales de las bombas nucleares que hasta ahora habían eludido su aplicación práctica. Por ejemplo:
En los cincuenta años siguientes, nadie ha encontrado una forma 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". [31] Según el Dr. Theodore Taylor , después de revisar fotografías filtradas de componentes de armas desmontados tomadas antes de 1986, Israel poseía armas potenciadas y necesitaría supercomputadoras de esa época para avanzar más hacia armas de dos etapas completas en el rango de megatones sin detonaciones de pruebas nucleares. [32] Las otras naciones con armas nucleares, India y Pakistán, probablemente tengan armas de una sola etapa, posiblemente potenciadas. [30]
En un arma termonuclear de dos etapas, la energía de la primaria impacta en la secundaria. Un modulador de transferencia de energía esencial [ cita requerida ] llamado interetapa, entre la primaria y la secundaria, protege el combustible de fusión de la secundaria de un calentamiento demasiado rápido, lo que podría provocar que explote en una explosión térmica convencional (y pequeña) antes de que las reacciones de fusión y fisión tengan la oportunidad de comenzar. [ cita requerida ]
Hay muy poca información en la literatura abierta sobre el mecanismo de la etapa intermedia. [ cita requerida ] Su primera mención en un documento del gobierno de EE. UU. publicado formalmente al público parece ser un título en un gráfico que promociona el Programa de ojivas de reemplazo confiable en 2007. Si se construye, este nuevo diseño reemplazaría "material tóxico y quebradizo" y "material 'especial' costoso" en la etapa intermedia. [33] Esta declaración 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. [34] También existe cierta especulación de que este material de la etapa intermedia, que puede tener el nombre en código Fogbank , podría ser un aerogel , posiblemente dopado con berilio y/u otras sustancias. [35] [36]
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. [37] La ilustración más detallada de una etapa intermedia muestra un arma termonuclear británica con un conjunto de elementos entre su primaria y una secundaria cilíndrica. Están etiquetados como "tapa terminal y lente de enfoque de neutrones", "reflector/carro de cañón de neutrones" y "envoltura del reflector". El origen del dibujo, publicado en Internet por Greenpeace, es incierto y no hay ninguna explicación que lo acompañe. [38]
Si bien todos los diseños de armas nucleares entran en alguna de las categorías mencionadas, en ocasiones algunos diseños específicos han sido objeto de noticias y debates públicos, a menudo con descripciones incorrectas sobre cómo funcionan y qué hacen. Ejemplos:
El primer intento de explotar la relación simbiótica entre la fisión y la 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 la fisión potenciada. Se volvió práctico por primera vez cuando se incorporó al secundario de un arma termonuclear de dos etapas. [39]
El nombre estadounidense, Alarm Clock, proviene de Teller: lo llamó así porque podría "despertar al mundo" a la posibilidad del potencial del Super. [40] El nombre ruso para el mismo diseño era más descriptivo: Sloika ( en ruso : Слойка ), un pastel de masa en capas. Un Sloika soviético de una sola etapa fue probado como RDS-6 el 12 de agosto de 1953. No se probó ninguna versión estadounidense de una sola etapa, pero el nombre en código Castle Union disparado en la Operación Castle , el 26 de abril de 1954, fue un dispositivo termonuclear de dos etapas llamado Alarm Clock. Su rendimiento, en Bikini , fue de 6,9 megatones. [ cita requerida ]
Como la prueba soviética Sloika utilizó deuteruro de litio-6 seco ocho meses antes de la primera prueba estadounidense que lo 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 Estados Unidos probó y desarrolló la primera bomba de hidrógeno: la prueba de la bomba H Ivy Mike. La prueba Ivy Mike estadounidense 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 un secundario implosionado 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 esquema de implosión en la Unión Soviética recién comenzó a principios de 1953, varios meses después de la exitosa prueba de Sloika. [ cita requerida ]
El 1 de marzo de 1954, la mayor explosión de prueba nuclear jamás realizada en Estados Unidos, el disparo Castle Bravo de 15 megatones de la Operación Castle en el atolón Bikini, liberó una dosis inmediatamente letal de productos de fisión a más de 6.000 millas cuadradas (16.000 km2 ) de la superficie del Océano Pacífico. [41] Las lesiones por radiación a los habitantes de las Islas Marshall y a los pescadores japoneses hicieron público ese hecho y revelaron el papel de la fisión en las bombas de hidrógeno.
En respuesta a la alarma pública sobre la lluvia radiactiva, se hizo un esfuerzo para diseñar un arma limpia de varios megatones, basándose casi por completo en la fusión. La energía producida por la fisión de uranio natural no enriquecido , cuando se utiliza como material de manipulación en las etapas secundaria y posteriores en el diseño Teller-Ulam, puede superar con creces la energía liberada por la fusión, como fue el caso en la prueba Castle Bravo. Reemplazar el material fisionable en el material de manipulación por otro material es esencial para producir una bomba "limpia". En un dispositivo de este tipo, el material de manipulación ya no contribuye con energía, por lo que para cualquier peso dado, una bomba limpia tendrá menos rendimiento. El primer caso conocido de un dispositivo de tres etapas en prueba, 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 el disparo Zuni de la Operación Redwing . Este disparo utilizó materiales de manipulación 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 requerida ]
El concepto Ripple, que utilizaba la ablación para lograr la fusión utilizando muy poca fisión, fue y sigue siendo, con diferencia, el diseño más limpio. A diferencia de las bombas limpias anteriores, que eran limpias simplemente reemplazando el combustible de fisión con una sustancia inerte, Ripple era limpia por diseño. Ripple también era extremadamente eficiente; durante la Operación Dominic se hicieron planes para una bomba de 15 kt/kg . La bomba Androscoggin presentó un diseño Ripple de prueba de concepto, que dio como resultado una explosión de 63 kilotones (significativamente inferior a los 15 megatones previstos). Se repitió en la bomba Housatonic, que presentó una explosión de 9,96 megatones que, según se informó, fue >99,9% de fusión. [42]
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 la década de 1970. Otros incluyen el Dominic Housatonic de 10 megatones con más del 99,9% de fusión, el Tsar Bomba de 50 megatones con el 97% de fusión, [43] la prueba Hardtack Poplar de 9,3 megatones con el 95%, [44] y la prueba Redwing Navajo de 4,5 megatones con el 95% de fusión. [45]
La aplicación pacífica más ambiciosa de las explosiones nucleares fue la que llevó a cabo la URSS con el objetivo de crear un canal de 112 km (70 mi) de longitud entre la cuenca del río Pechora y la cuenca del río Kama , aproximadamente la mitad del cual se construiría mediante una serie de explosiones nucleares subterráneas. Se informó que podrían usarse alrededor de 250 dispositivos nucleares para lograr el objetivo final. La prueba Taiga debía 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 metros (540 pies) a profundidades de 127 metros (417 pies). Fueron detonados simultáneamente el 23 de marzo de 1971, catapultando una columna radiactiva al aire que fue transportada hacia el este por el viento. La zanja resultante tenía alrededor de 700 metros (2.300 pies) de largo y 340 metros (1.120 pies) de ancho, con una profundidad poco impresionante de solo 10 a 15 metros (30 a 50 pies). [46] A pesar de su naturaleza "limpia", el área todavía exhibe una concentración notablemente más alta (aunque mayormente inofensiva) de productos de fisión, el intenso bombardeo de neutrones del suelo, el dispositivo en sí y las estructuras de soporte también activaron sus elementos estables para crear una cantidad significativa de elementos radiactivos artificiales como el 60 Co. El peligro general planteado por la concentración de elementos radiactivos presentes en el sitio creado por estos tres dispositivos todavía es insignificante, pero un proyecto de mayor escala como el previsto habría tenido consecuencias significativas tanto por la lluvia radiactiva como por los elementos radiactivos creados por el bombardeo de neutrones. [47]
El 19 de julio de 1956, el presidente de la AEC, Lewis Strauss, dijo que la prueba de la bomba Redwing Zuni "produjo mucho de 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 en su lugar, fue probada en una barcaza frente a la costa del atolón de Bikini mientras la Redwing Tewa disparaba. La Bassoon Prime produjo un rendimiento de 5 megatones, de los cuales el 87% provino de la fisión. Los datos obtenidos de esta prueba, y otras, culminaron en el eventual despliegue del arma nuclear estadounidense de mayor rendimiento conocido, y el arma con mayor rendimiento-peso jamás fabricada , un arma termonuclear de tres etapas con un rendimiento "sucio" máximo de 25 megatones, designada como la bomba nuclear B41 , que debía ser transportada por bombarderos de la Fuerza Aérea de los EE. UU. hasta que fuera desmantelada; esta arma nunca fue probada por completo. [ cita requerida ]
Las armas nucleares de primera y segunda generación liberan energía en forma de explosiones omnidireccionales. Las armas nucleares de tercera generación [48] [49] [50] son ojivas y dispositivos experimentales de efectos especiales que pueden liberar energía de manera dirigida, algunos de los cuales se probaron durante la Guerra Fría pero nunca se utilizaron. Entre ellos se incluyen:
La idea de las armas nucleares de "cuarta generación" se ha propuesto como un posible sucesor de los ejemplos de diseños de armas enumerados anteriormente. Estos métodos tienden a girar en torno al uso de elementos primarios no nucleares para desencadenar reacciones de fisión o fusión posteriores. 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 podría a su vez usarse como la primera etapa de un arma termonuclear muy compacta. Los 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 involucran tecnologías hasta ahora no realizadas como sus etapas "primarias". [52]
Aunque muchos países han invertido mucho en programas de investigación sobre fusión por confinamiento inercial , desde los años 1970 no se ha considerado que sea una herramienta prometedora para su uso directo en armas, sino más bien como una herramienta para la investigación relacionada con las armas y la energía que se puede utilizar en ausencia de pruebas nucleares a gran escala. No está claro si algún país está buscando agresivamente armas de "cuarta generación". En muchos casos (como en el caso de la antimateria), se cree actualmente que la tecnología subyacente está muy lejos de ser viable y, si lo fuera, sería un arma poderosa en sí misma, fuera del contexto de las armas nucleares, y sin ofrecer ninguna ventaja significativa sobre los diseños de armas nucleares existentes [53].
Desde la década de 1950, Estados Unidos y la Unión Soviética investigaron la posibilidad de liberar cantidades significativas de energía nuclear de fusión sin utilizar un núcleo primario de fisión. Estas "armas de fusión pura" se concibieron principalmente como armas nucleares tácticas de bajo rendimiento cuya ventaja sería su capacidad de ser utilizadas sin producir una lluvia radiactiva en la escala de las armas que liberan productos de fisión. En 1998, el Departamento de Energía de Estados Unidos desclasificó lo siguiente:
(1) El 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 surgió ningún diseño creíble para un arma de fusión pura. [54]
El mercurio rojo , una sustancia que probablemente sea una farsa, ha sido promocionado como catalizador para un arma de fusión pura. [ cita requerida ]
La bomba de cobalto, que se hizo popular gracias a la novela de Nevil Shute de 1957 y a la película de 1959 On the Beach , es una bomba de hidrógeno con una cubierta de cobalto. El cobalto activado por neutrones habría maximizado el daño ambiental causado por la lluvia radiactiva. Estas bombas se popularizaron en la película de 1964 Dr. Strangelove o cómo aprendí a dejar de preocuparme y a amar la bomba ; en la película se hace referencia al material añadido a las bombas como "cobalto-torio G". [ cita requerida ]
El Departamento de Defensa de Estados Unidos investigó estas armas "saladas". [55] Los productos de fisión son tan letales como el cobalto activado por neutrones.
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 cobalto-60 (60
Co
): 15.000 veces más intensa en 1 hora; 35 veces más intensa en 1 semana; 5 veces más intensa en 1 mes; y aproximadamente igual en 6 meses. A partir de entonces, la fisión disminuye rápidamente, de modo que60
Co
La precipitación radiactiva es ocho veces más intensa que la fisión en un año y 150 veces más intensa en cinco años. Los isótopos de vida muy larga producidos por la fisión superarían a los60
Co
de nuevo después de unos 75 años. [56]
La prueba de salva nuclear triple "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 productos activados por material de la caja son responsables de la mayor parte de la actividad residual en el sitio hoy, a saber:60
Co
En 2011, la activación de neutrones generada por la 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. [57] [58][update]
La idea de un dispositivo que tiene un número arbitrario de etapas Teller-Ulam, cada una de las cuales genera una implosión impulsada por radiación mayor que la etapa anterior, se sugiere con frecuencia [59] [60] , pero técnicamente es discutida. [61] Hay "bosquejos 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". [61]
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, [62] y Edward Teller anunció el diseño de un arma de 10.000 megatones con el nombre en código SUNDIAL en una reunión del Comité Asesor General de la Comisión de Energía Atómica. [63] Gran parte de la información sobre estos esfuerzos sigue siendo clasificada, [64] [65] pero estas armas de alcance de "gigatones" no parecen haber llegado más allá de las investigaciones teóricas.
Mientras que tanto los Estados Unidos como la Unión Soviética investigaron (y en el caso de los soviéticos, probaron) diseños de armas de "muy alto rendimiento" (por ejemplo, de 50 a 100 megatones) en la década de 1950 y principios de la de 1960, [66] estos parecen representar el límite superior de los rendimientos de las armas de la Guerra Fría perseguidos seriamente, y eran tan físicamente pesados y masivos que no podían transportarse completamente dentro de las bodegas de bombas de los bombarderos más grandes. 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 , en cambio dieron como resultado ojivas altamente compactas con rendimientos en el rango de cientos de kilotones a los bajos megatones que dieron mayores opciones de capacidad de lanzamiento.
A raíz de la preocupación causada por la escala estimada en gigatones de los impactos del cometa Shoemaker-Levy 9 de 1994 en el planeta Júpiter , en una reunión de 1995 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), Edward Teller propuso a un colectivo de ex diseñadores de armas de la Guerra Fría de Estados Unidos y Rusia que colaboraran en el diseño de un dispositivo explosivo nuclear de 1.000 megatones para desviar asteroides de clase de extinción (de más de 10 km de diámetro), que se emplearía en caso de que uno de estos asteroides estuviera en una trayectoria de impacto con la Tierra. [67] [68] [69]
Una bomba de neutrones, técnicamente denominada arma de radiación mejorada (REG), es un tipo de arma nuclear táctica diseñada específicamente para liberar una gran parte de su energía en forma de radiación neutrónica energética. Esto contrasta con las armas termonucleares estándar, que están diseñadas para capturar esta intensa radiación neutrónica para aumentar su rendimiento explosivo general. En términos de rendimiento, las REG suelen producir alrededor de una décima parte del de un arma atómica de tipo fisión. Incluso con su poder explosivo significativamente menor, las REG siguen siendo capaces de causar una destrucción mucho mayor que cualquier bomba convencional. Mientras tanto, en relación con otras armas nucleares, el daño se centra más en el material biológico que en la infraestructura material (aunque no se eliminan los efectos extremos de la explosión y el calor). [ cita requerida ]
Los REG se describen con más precisión como armas de potencia suprimida. Cuando la potencia de un arma nuclear es inferior a un kilotón, su radio letal de explosión, 700 m (2.300 pies), es menor que el de su radiación de neutrones. Sin embargo, la explosión es más que 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 (140 kPa), mientras que la mayoría de los edificios se derrumbarían con una presión de solo 5 psi (30 kPa). [ cita requerida ]
Estas bombas (como se mencionó anteriormente) suelen ser consideradas erróneamente como un arma diseñada para matar poblaciones y dejar la infraestructura intacta, pero aún así son muy capaces de arrasar edificios en un radio amplio. La intención de su diseño era matar a las tripulaciones de los tanques, que brindan una excelente protección contra las explosiones y el calor, y sobreviven (relativamente) muy cerca de una detonación. Dadas las vastas fuerzas de tanques de los soviéticos durante la Guerra Fría, esta 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 una nueva tripulación. [ cita requerida ]
Sin embargo, las armas de neutrones también fueron pensadas para su uso en 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 el flujo de neutrones extremo. [ cita requerida ]
Los REG eran armas termonucleares de dos etapas en las que se eliminaba todo el uranio no esencial para minimizar el rendimiento de la fisión. La fusión proporcionaba los neutrones. Desarrollados en la década de 1950, fueron utilizados por primera vez en la década de 1970 por las fuerzas estadounidenses en Europa. Los últimos fueron retirados en la década de 1990. [ cita requerida ]
Una bomba de neutrones sólo es factible si el rendimiento es lo suficientemente alto como para que sea posible una ignición eficiente en 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 rango de 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 salida de neutrones por kilotón es entonces de 10 a 15 veces mayor que para un arma de implosión de fisión pura o para una ojiva estratégica como una W87 o W88 . [70]
Todas las innovaciones en materia de diseño de armas nucleares que se analizan en este artículo surgieron de los tres laboratorios siguientes, de la manera descrita. Otros laboratorios de diseño de armas nucleares de otros países duplicaron esas innovaciones de diseño de forma independiente, las revirtieron a partir de análisis de la lluvia radiactiva o las adquirieron mediante espionaje. [71]
La primera exploración sistemática de los conceptos de diseño de armas nucleares tuvo lugar a mediados de 1942 en la Universidad de California, Berkeley . En el cercano Laboratorio Lawrence Berkeley se habían hecho importantes descubrimientos tempranos , como la producción y el aislamiento de plutonio mediante ciclotrones en 1940. Un profesor de Berkeley, J. Robert Oppenheimer , acababa de ser contratado para dirigir el proyecto secreto de diseño de bombas del país. Su primer acto fue convocar la conferencia de verano de 1942. [ cita requerida ]
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 el (clasificado pero ahora completamente desclasificado y ampliamente disponible en línea como PDF) Los Alamos Primer . [72] El Primer 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 requerida ]
En abril de 1944, Emilio Segrè descubrió en Los Álamos que la bomba de tipo Thin Man Gun no funcionaría con plutonio debido a problemas de predetonación causados por impurezas de Pu-240 . Por lo tanto, se le dio alta prioridad a Fat Man, la bomba de tipo implosión, como la única opción para el plutonio. Las discusiones de Berkeley habían generado estimaciones teóricas de masa crítica, pero nada preciso. El principal trabajo en Los Álamos durante la guerra 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 requerida ]
En 1945, utilizando los resultados de los experimentos de masa crítica, los técnicos de Los Álamos fabricaron y ensamblaron componentes para cuatro bombas: la Trinity Gadget , la Little Boy, la Fat Man y una Fat Man de repuesto sin usar. Después de la guerra, aquellos que pudieron, incluido Oppenheimer, regresaron a puestos de docencia universitaria. Los que se quedaron trabajaron en pozos levitados y huecos y realizaron pruebas de efectos de armas como Crossroads Able y Baker en el atolón Bikini en 1946. [ cita requerida ]
Todas las ideas esenciales para incorporar la fusión a las armas nucleares surgieron en Los Álamos entre 1946 y 1952. Después del gran avance de la implosión de radiación de Teller-Ulam en 1951, se exploraron a fondo las implicaciones y posibilidades técnicas, pero se dejaron de lado las ideas que no eran directamente relevantes para fabricar las bombas más grandes posibles para los bombarderos de largo alcance de la Fuerza Aérea. [ cita requerida ]
Debido a la posición inicial de Oppenheimer en el debate sobre la bomba H, en contra de las grandes armas termonucleares, y a la suposición de que aún tenía influencia sobre Los Álamos a pesar de su marcha, los aliados políticos de Edward Teller decidieron que necesitaba su propio laboratorio para seguir desarrollando bombas H. Cuando se inauguró en 1952, en Livermore , California, Los Álamos había terminado el trabajo para el que Livermore estaba destinado. [ cita requerida ]
Cuando su misión original ya no estaba a la altura, el laboratorio de Livermore intentó nuevos diseños radicales que fracasaron. Sus tres primeras pruebas nucleares fueron un fracaso : en 1953, dos dispositivos de fisión de una sola etapa con fosas 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 por radiación funcionara correctamente. [ cita requerida ]
Livermore cambió de rumbo y decidió tomar ideas que Los Alamos había dejado de lado y desarrollarlas para el Ejército y la Marina. Esto llevó a Livermore a especializarse en armas tácticas de pequeño diámetro, en particular las que utilizan sistemas de implosión de dos puntos, como el Swan. Las armas tácticas de pequeño diámetro se convirtieron en armas primarias para armas 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 Los Alamos. Las ojivas Los Alamos se utilizaron en los primeros misiles balísticos de alcance intermedio , IRBM, pero las ojivas Livermore más pequeñas se utilizaron 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. [73]
En 1957 y 1958, ambos laboratorios construyeron y probaron tantos diseños como pudieron, en previsión de que la prohibición de pruebas prevista para 1958 pudiera 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 asignaron más en función de consideraciones de carga de trabajo que de la especialidad del laboratorio. Algunos diseños fueron objeto de intercambios. Por ejemplo, la ojiva W38 para el misil Titan I comenzó como un proyecto de Livermore, se entregó a Los Álamos cuando se convirtió en la ojiva del misil Atlas y en 1959 se devolvió a Livermore, a cambio de la ojiva W54 Davy Crockett , que fue de Livermore a Los Álamos. [ cita requerida ]
Los diseños de ojivas posteriores a 1960 adoptaron el carácter de cambios de modelo, y cada nuevo misil incorporaba una nueva ojiva por razones de marketing. El principal cambio sustancial consistió en incorporar más uranio-235 fisible en la ojiva secundaria, a medida que se hizo disponible con el continuo enriquecimiento de uranio y el desmantelamiento de las grandes bombas de alto rendimiento. [ cita requerida ]
A partir de la instalación Nova en Livermore a mediados de los años 1980, la actividad de diseño nuclear relacionada con la implosión impulsada por radiación se basó en investigaciones con fusión láser de accionamiento indirecto . Este trabajo fue parte del esfuerzo por investigar la fusión por confinamiento inercial . Se continúa realizando un trabajo similar en la más poderosa Instalación Nacional de Ignición . El Programa de Administración y Gestión de Reservas también se benefició de la investigación realizada en el NIF . [ cita requerida ]
Las armas nucleares se diseñan en gran parte mediante ensayo y error. El ensayo a menudo implica la explosión de prueba de un prototipo.
En una explosión nuclear, una gran cantidad de eventos discretos, con distintas 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 correctamente. Incluso las computadoras y el software de simulación actuales no son adecuados. [74]
Fue bastante fácil diseñar armas fiables para el arsenal. Si el prototipo funcionaba, podría convertirse en arma y producirse en masa. [ cita requerida ]
Era mucho más difícil entender cómo funcionaba o por qué fallaba. Los diseñadores recopilaron la mayor cantidad posible de datos durante la explosión, antes de que el dispositivo se autodestruyera, y utilizaron los datos para calibrar sus modelos, a menudo insertando factores de ajuste en las ecuaciones para que las simulaciones coincidieran con los resultados experimentales. También analizaron los restos de armas en la lluvia radiactiva para ver qué parte de una posible reacción nuclear había tenido lugar. [ cita requerida ]
Una herramienta importante para el análisis de pruebas fue el tubo de luz de diagnóstico. Una sonda dentro de un dispositivo de prueba podía transmitir información calentando una placa de metal hasta la incandescencia, un evento que podía ser registrado por instrumentos ubicados en el extremo más alejado de un tubo largo y muy recto. [ cita requerida ]
La imagen de abajo 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 más grande jamás realizada en los Estados Unidos. Se muestra la silueta de un hombre para dar una idea de la escala. El dispositivo está sostenido desde abajo, en los extremos. Los tubos que van hacia el techo de la cabina de disparo, que parecen ser soportes, son en realidad tubos de luz de diagnóstico. Los ocho tubos en el extremo derecho (1) enviaron 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 momento en que la radiación alcanzó el extremo más alejado del canal de radiación, siendo la diferencia entre (2) y (3) el tiempo de tránsito de la radiación para el canal. [75]
Desde la cabina de disparo, las tuberías giraban horizontalmente y viajaban 2,3 km (7500 pies) a lo largo de una calzada construida en el arrecife de Bikini hasta un búnker de recolección de datos controlado a distancia en la isla Namu. [ cita requerida ]
Mientras que los rayos X normalmente viajarían a la velocidad de la luz a través de un material de baja densidad como el relleno del canal de espuma plástica entre (2) y (3), la intensidad de la radiación del primario en explosión crea un frente de radiación relativamente opaco en el relleno del canal, que actúa como un atasco de lento movimiento para retardar el paso de la energía radiante . Mientras el secundario se comprime mediante la ablación inducida por radiación, los neutrones del primario alcanzan a los rayos X, penetran en el secundario y comienzan a generar tritio a través de la tercera reacción indicada en la primera sección anterior. Esta reacción 6 Li + n es exotérmica y produce 5 MeV por evento. La bujía aún no se ha comprimido y, por lo tanto, permanece subcrítica, por lo que no se produce una fisión o fusión significativa como resultado. Sin embargo, si llegan suficientes neutrones antes de que se complete la implosión del secundario, se puede degradar el diferencial de temperatura crucial entre las partes externa e interna del secundario, lo que potencialmente hace que el secundario no se encienda. El primer arma termonuclear diseñada en Livermore, el dispositivo Morgenstern, falló de esta manera cuando fue probado en Castle Koon el 7 de abril de 1954. El primario se encendió, pero el secundario, precalentado por la onda de neutrones del primario, sufrió lo que se denominó una detonación ineficiente ; [76] : 165 por lo tanto, un arma con un rendimiento previsto de un megatón produjo solo 110 kilotones, de los cuales solo 10 kt se atribuyeron a la fusión. [77] : 316
Estos efectos de sincronización, y cualquier problema que causen, se miden mediante datos de conductos de luz. Las simulaciones matemáticas que calibran se denominan códigos de hidrodinámica de flujo de radiación o códigos de canal. Se utilizan para predecir el efecto de futuras modificaciones de diseño. [ cita requerida ]
No está claro en los registros públicos hasta qué punto fueron exitosas las tuberías de luz de Shrimp. El búnker de datos no tripulado estaba lo suficientemente alejado como para permanecer fuera del cráter de una milla de ancho, pero la explosión de 15 megatones, dos veces y media más potente de lo esperado, atravesó el búnker al hacer estallar la puerta de 20 toneladas de las bisagras y atravesar el interior del búnker. (Las personas más cercanas estaban a 32 kilómetros (20 millas) más lejos, en un búnker que sobrevivió intacto.) [78]
Los datos más interesantes de Castle Bravo provienen del análisis radioquímico de los restos de armas en la lluvia radiactiva. Debido a la escasez de litio-6 enriquecido, el 60% del litio en el reactor secundario de Shrimp era litio-7 ordinario, que no genera tritio tan fácilmente como el litio-6, pero sí genera litio-6 como producto de una reacción (n, 2n) (un neutrón entra, dos neutrones salen), un hecho conocido, pero con una probabilidad desconocida. La probabilidad resultó ser alta. [ cita requerida ]
El análisis de la radiación radiactiva reveló a los diseñadores que, con la reacción (n, 2n), el secundario de Shrimp tenía efectivamente dos veces y media más litio-6 de lo esperado. El tritio, el rendimiento de fusión, los neutrones y el rendimiento de fisión aumentaron en consecuencia. [79]
Como se señaló anteriormente, el análisis de la radiación radiactiva 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, el Daigo Fukuryū Maru , navegó de regreso a casa con suficiente radiación radiactiva en sus cubiertas para permitir que los científicos en Japón y en otros lugares determinaran y anunciaran que la mayor parte de la radiación radiactiva provenía de la fisión de U-238 por neutrones de 14 MeV producidos por la fusión. [ cita requerida ]
La alarma mundial por la lluvia radiactiva, que comenzó con el incidente de Castle Bravo, acabó llevando a que las pruebas nucleares se realizaran literalmente bajo tierra. La última prueba estadounidense sobre la superficie tuvo lugar en la isla Johnston el 4 de noviembre de 1962. Durante las tres décadas siguientes, hasta el 23 de septiembre de 1992, Estados Unidos llevó a cabo una media de 2,4 explosiones nucleares subterráneas al mes, todas ellas, salvo unas pocas, en el Sitio de Pruebas de Nevada (NTS), al noroeste de Las Vegas. [ cita requerida ]
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 de Ensayos Nucleares de 1974 , que limitó las explosiones subterráneas a 150 kilotones o menos, las ojivas como la W88 de medio megatón tuvieron que probarse con menos de su potencia total. Dado que la ojiva primaria debe detonarse con la potencia total para generar datos sobre la implosión de la secundaria, la reducción de la potencia tuvo que provenir de la secundaria. La sustitución de 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, la potencia total, sin cambiar la dinámica de la implosión. El funcionamiento del dispositivo podría evaluarse utilizando tubos de luz, otros dispositivos de detección y análisis de los restos de armas atrapados. La potencia total del arma almacenada podría calcularse por extrapolación. [ cita requerida ]
Cuando las armas de dos etapas se convirtieron en estándar a principios de la década de 1950, el diseño de las armas determinó la disposición de las nuevas y ampliamente dispersas instalaciones de producción estadounidenses, y viceversa.
Debido a que los núcleos primarios tienden a ser voluminosos, especialmente en diámetro, el plutonio es el material fisible de elección para las fosas, con reflectores de berilio. Tiene una masa crítica menor que el uranio. La planta Rocky Flats cerca de Boulder, Colorado, se construyó en 1952 para la producción de fosas y, en consecuencia, se convirtió en la instalación de fabricación de plutonio y berilio. [ cita requerida ]
La planta de Y-12 en Oak Ridge , Tennessee , donde los espectrómetros de masas llamados calutrones habían enriquecido uranio para el Proyecto Manhattan , fue rediseñada para fabricar bujías secundarias. El U-235 fisible produce las mejores bujías porque su masa crítica es mayor, especialmente en la forma cilíndrica de las primeras bujías secundarias termonucleares. Los primeros experimentos utilizaron los dos materiales fisibles en combinación, como fosas de Pu-Oy compuestas y bujías, pero para la producción en masa, fue más fácil dejar que las fábricas se especializaran: fosas de plutonio en las primarias, bujías de uranio y empujadores en las secundarias. [ cita requerida ]
Y-12 fabricó combustible de fusión de deuteruro de litio-6 y partes de U-238, los otros dos componentes de los secundarios. [ cita requerida ]
En el sitio de Hanford, cerca de Richland, WA, se utilizaron 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 funcionar en septiembre de 1944, y el último, el reactor N, que cesó sus operaciones en enero de 1987. [ cita requerida ]
El sitio de Savannah River 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. Como sus reactores estaban moderados con agua pesada, óxido de deuterio, también producía deuterio para gas de refuerzo y para Y-12 para utilizarlo en la fabricación de deuteruro de litio-6. [ cita requerida ]
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 prevenir la detonación accidental. [ cita requerida ]
Es inherentemente peligroso tener un arma que contenga una cantidad y una forma de material fisionable que pueda formar una masa crítica a través de 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 había ensamblado completamente un arma nuclear tipo cañón. [ cita requerida ]
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 choque de una aeronave podría fácilmente encender el propulsor, con resultados catastróficos. Las armas de fuego siempre han sido inherentemente inseguras. [ cita requerida ]
Ninguno de estos efectos es probable con las armas de implosión, ya que normalmente no hay suficiente material fisible para formar una masa crítica sin la detonación correcta de las lentes. Sin embargo, las primeras armas de implosión tenían fosas tan cercanas a la criticidad que la detonación accidental con algún rendimiento nuclear era un problema. [ cita requerida ]
El 9 de agosto de 1945, el Fat Man fue cargado en su avión completamente ensamblado, pero más tarde, cuando los pozos levitados crearon un espacio entre el pozo y el pisón, fue posible utilizar la inserción del pozo en vuelo. El bombardero despegaría sin material fisionable en la bomba. Algunas armas de tipo implosión más antiguas, como el Mark 4 y el Mark 5 de EE. UU. , usaban este sistema. [ cita requerida ]
La inserción de un pozo en vuelo no funcionará si el pozo está hueco y está en contacto con su pisón. [ cita requerida ]
Como se muestra en el diagrama anterior, un método utilizado para reducir la probabilidad de detonación accidental empleaba bolas de metal . Las bolas se vaciaban en el pozo: esto impedía la detonación al aumentar la densidad del pozo hueco, evitando así la implosión simétrica en caso de accidente. Este diseño se utilizó en el arma Green Grass, también conocida como el arma provisional Megaton, que se utilizó en las bombas Violet Club y Yellow Sun Mk.1 . [ cita requerida ]
Otra posibilidad es "proteger" el pozo rellenando su núcleo, normalmente hueco, con un material inerte, como una fina cadena de metal, posiblemente hecha de cadmio, para absorber neutrones. Mientras la cadena se encuentre en el centro del pozo, éste no podrá comprimirse hasta adquirir una forma adecuada para la fisión; cuando se vaya a armar el arma, se quitará la cadena. De manera similar, aunque un incendio grave podría detonar los explosivos, destruyendo el pozo y esparciendo plutonio para contaminar los alrededores, como ha sucedido en varios accidentes con armas , no podría causar una explosión nuclear. [ cita requerida ]
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 refuerzo, la introducción de sistemas de implosión de dos puntos convirtió esa posibilidad en una preocupación real. [ cita requerida ]
En un sistema de dos puntos, si se dispara un detonador, un hemisferio entero del pozo implosionará como está diseñado. La carga de alto poder explosivo que rodea al otro hemisferio explotará progresivamente, desde el ecuador hacia el polo opuesto. Lo ideal sería que esto comprimiera el ecuador y exprimiera el segundo hemisferio alejándolo del primero, como pasta de dientes en un tubo. Para 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 de mancuerna resultante, con cada extremo alcanzando la densidad máxima en un momento diferente, puede no llegar a ser crítica. [ cita requerida ]
No es posible predecir en la mesa de diseño cómo resultará esto. Tampoco es posible hacerlo utilizando un foso ficticio de U-238 y cámaras de rayos X de alta velocidad, aunque estas pruebas son útiles. Para la determinación final, se necesita realizar una prueba con material fisible real. En consecuencia, a partir de 1957, un año después de Swan, ambos laboratorios comenzaron las pruebas de seguridad de un punto. [ cita requerida ]
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 altos de 300 t a 500 t (falla grave) y el resto tuvieron rendimientos inaceptables entre esos extremos. [ cita requerida ]
El W47 de Livermore fue un arma especialmente preocupante , ya que generó unos rendimientos inaceptablemente altos en las pruebas de un solo punto. Para evitar una detonación accidental, Livermore decidió utilizar un seguro mecánico en el W47. El esquema de seguridad con cables que se describe a continuación fue el resultado. [ cita requerida ]
Cuando se reanudaron las pruebas en 1961, y continuaron durante tres décadas, hubo tiempo suficiente para hacer que todos los diseños de ojivas fueran inherentemente seguros en un solo punto, sin necesidad de seguridad mecánica. [ cita requerida ]
En la última prueba antes de la moratoria de 1958, se descubrió que la ojiva W47 para el SLBM Polaris no era segura en un punto, produciendo un rendimiento nuclear inaceptablemente alto de 200 kg (440 lb) de TNT equivalente (Hardtack II Titania). Con la moratoria de pruebas en vigor, no había forma 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 en la fabricación. La ojiva se armaba retirando el alambre en un carrete impulsado por un motor eléctrico. Una vez retirado, el alambre no podía volver a insertarse. [80] El alambre tenía una tendencia a volverse quebradizo durante el almacenamiento y romperse o atascarse durante el armado, impidiendo la extracción completa y convirtiendo la ojiva en un fracaso. [81] Se estimó que el 50-75% de las ojivas fallarían. Esto requirió una reconstrucción completa de todas las ojivas primarias W47. [82] El aceite utilizado para lubricar el alambre también promovió la corrosión del pozo. [83]
En el sistema de enlace fuerte/enlace débil, los "enlaces débiles" se construyen entre componentes críticos de armas nucleares (los "enlaces duros"). En caso de accidente, los enlaces débiles están diseñados para fallar primero de manera que impidan la transferencia de energía entre ellos. Luego, si un enlace duro falla de manera que transfiera o libere energía, esta no puede 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 a 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 requerida ]
Un ejemplo de un eslabón débil sería un conector eléctrico que contiene cables eléctricos fabricados con una aleación de bajo punto de fusión. Durante un incendio, esos cables se derretirían y romperían cualquier conexión eléctrica. [ cita requerida ]
Un enlace de acción permisiva es un dispositivo de control de acceso diseñado para evitar el uso no autorizado de armas nucleares. Los primeros PAL eran simples interruptores electromecánicos y han evolucionado hasta convertirse en sistemas de armado complejos que incluyen opciones integradas de control de rendimiento, dispositivos de bloqueo y dispositivos antimanipulación. [ cita requerida ]
Los detonadores de fisión potenciados modernos llevan al extremo esta evolución hacia un mayor rendimiento en relación con el peso, un menor volumen y una mayor facilidad de escape de la radiación. Se producen rendimientos explosivos comparables con 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 alto explosivo que no contiene prácticamente ningún material de alto Z.
Un cálculo simplista del trabajo realizado al hacer implosionar un proyectil secundario de 10 litros en el "W-80"... el proyectil primario realmente producido (5 kt)...
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Este artículo incorpora texto de un trabajo de contenido libre . Texto extraído de Nuclear Weapons FAQ: 1.6, Carey Sublette.
