Las armas de fisión de tipo cañón son armas nucleares basadas en la fisión cuyo diseño ensambla su material fisible en una masa supercrítica mediante el uso del método del "cañón": disparando un trozo de material subcrítico a otro. Aunque a veces se lo representa como dos hemisferios subcríticos unidos para formar una esfera supercrítica, normalmente se dispara un proyectil hueco sobre una punta, que llena el agujero en su centro. Su nombre es una referencia al hecho de que dispara el material a través de un cañón de artillería como si fuera un proyectil.
Dado que es un método de ensamblaje relativamente lento, el plutonio no se puede utilizar a menos que sea puramente el isótopo 239 Pu . La producción de plutonio libre de impurezas es muy difícil y poco práctica. La cantidad necesaria de uranio es relativamente grande y, por lo tanto, la eficiencia general es relativamente baja. La razón principal de esto es que el metal de uranio no sufre compresión (y el aumento de densidad resultante ) como lo hace el diseño de implosión. En cambio, las bombas tipo cañón ensamblan la masa supercrítica acumulando una cantidad tan grande de uranio que la distancia total a través de la cual deben viajar los neutrones hijos tiene tantos caminos libres medios que se vuelve muy probable que la mayoría de los neutrones encuentren núcleos de uranio con los que colisionar, antes de escapar de la masa supercrítica.
La primera vez que se habló de armas de fisión de tipo cañón fue como parte del programa de desarrollo de bombas nucleares de la British Tube Alloys , el primer programa de desarrollo de bombas nucleares del mundo. [1] El Informe MAUD británico [2] de 1941 expuso cómo "una bomba de uranio eficaz que, conteniendo unas 25 libras de material activo, sería equivalente en cuanto a efecto destructivo a 1.800 toneladas de TNT". [3] La bomba utilizaría el diseño de tipo cañón "para unir las dos mitades a alta velocidad y se propone hacer esto disparándolas juntas con cargas de explosivo ordinario en forma de cañón doble". [4]
El método se aplicó en cuatro programas estadounidenses conocidos. Primero, el arma " Little Boy ", que fue detonada sobre Hiroshima y varias unidades adicionales del mismo diseño preparadas después de la Segunda Guerra Mundial, en 40 bombas Mark 8 , y su reemplazo, 40 bombas Mark 11. Tanto los diseños Mark 8 como Mark 11 estaban destinados a usarse como bombas que penetraran la tierra (ver revientabúnkeres nucleares ), para lo cual el método tipo cañón fue preferido por un tiempo por los diseñadores que no estaban muy seguros de que las primeras armas de tipo implosión detonaran con éxito después de un impacto. El segundo programa fue una familia de proyectiles de artillería nuclear de 11 pulgadas (280 mm) , el W9 y su derivado W19 , más un W19 reempaquetado en un proyectil de 16 pulgadas (406 mm) para acorazados de la Armada estadounidense, el W23 . La tercera familia fue un proyectil de artillería de 8 pulgadas (203 mm), el W33 .
Sudáfrica también desarrolló seis bombas nucleares basadas en el principio del tipo cañón, y estaba trabajando en ojivas de misiles utilizando el mismo diseño básico – Ver Sudáfrica y las armas de destrucción masiva .
Actualmente no se conocen armas de tipo cañón en servicio: los estados con armas nucleares avanzadas tendieron a abandonar el diseño en favor de las armas de tipo implosión , las armas de fisión potenciadas y las armas termonucleares . Los nuevos estados con armas nucleares tienden a desarrollar únicamente armas de fisión potenciadas y termonucleares. Todas las armas nucleares de tipo cañón conocidas construidas anteriormente en todo el mundo han sido desmanteladas.
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El método de la "pistola" es, en líneas generales, el mismo que utilizó el arma Little Boy, que fue detonada sobre Hiroshima , utilizando uranio-235 como material fisible. En el diseño de Little Boy, la "bala" de U-235 tenía una masa de alrededor de 86 libras (39 kg), y medía 7 pulgadas (17,8 cm) de largo, con un diámetro de 6,25 pulgadas (15,9 cm). La forma cilíndrica hueca la hacía subcrítica. Funcionaba con una carga de cordita . El pico de uranio del objetivo pesaba alrededor de 57,3 libras (26 kg). Tanto la bala como el objetivo estaban formados por múltiples anillos apilados entre sí.
El uso de "anillos" tenía dos ventajas: permitía que la bala más grande permaneciera subcrítica con confianza (la columna hueca servía para evitar que el material tuviera demasiado contacto con otro material) y permitía probar conjuntos subcríticos usando la misma bala pero con un solo anillo.
El cañón tenía un diámetro interior de 16,5 cm (6,5 pulgadas) y una longitud de 1,8 m (70,8 pulgadas), lo que permitía a la bala acelerar hasta su velocidad final de unos 300 m/s (1000 pies por segundo) [5] antes de entrar en contacto con el objetivo.
Cuando la bala se encuentra a una distancia de 25 cm (9,8 pulgadas), la combinación se vuelve crítica. Esto significa que algunos neutrones libres pueden provocar que se produzca la reacción en cadena antes de que el material pueda unirse por completo (véase reacción nuclear en cadena ).
Por lo general, la reacción en cadena dura menos de 1 μs (100 sacudidas ), tiempo durante el cual la bala recorre solo 0,3 mm ( 1 ⁄ 85 pulgadas). Aunque la reacción en cadena es más lenta cuando la supercriticidad es baja, aún ocurre en un tiempo tan breve que la bala apenas se mueve en ese tiempo.
Esto podría causar un chisporroteo , una predetonación que haría estallar el material antes de crear una explosión de gran magnitud. Por lo tanto, es importante que la frecuencia con la que se producen neutrones libres se mantenga baja, en comparación con el tiempo de ensamblaje a partir de este punto. Esto también significa que la velocidad del proyectil debe ser lo suficientemente alta; su velocidad se puede aumentar, pero esto requiere un cañón más largo y pesado, o una mayor presión del gas propulsor para una mayor aceleración de la masa subcrítica de la bala.
En el caso de Little Boy, el 20% de 238 U en el uranio tuvo 70 fisiones espontáneas por segundo. Con el material fisionable en un estado supercrítico, cada una dio una gran probabilidad de detonación: cada fisión crea en promedio 2,52 neutrones, que tienen cada uno una probabilidad de más de 1:2,52 de crear otra fisión. Durante los 1,35 ms de supercriticidad antes del ensamblaje completo, hubo una probabilidad del 10% de una fisión, con una probabilidad algo menor de pre-detonación.
Inicialmente, el proyecto Manhattan se propuso fabricar un arma de fuego que utilizara plutonio como fuente de material fisible, conocido como " Thin Man " debido a su extrema longitud. Se pensaba que si se podía crear una bomba de tipo cañón de plutonio, entonces la bomba de tipo cañón de uranio sería muy fácil de fabricar en comparación. Sin embargo, en abril de 1944 se descubrió que el plutonio generado en reactores ( Pu-239 ) está contaminado con otro isótopo del plutonio, el Pu-240 , que aumenta la tasa de liberación espontánea de neutrones del material, haciendo inevitable la predetonación. Por esta razón, se cree que una bomba de tipo cañón solo se puede utilizar con combustible de uranio enriquecido . Sin embargo, se desconoce si es posible fabricar un diseño compuesto utilizando solo plutonio de alto grado en la bala.
Tras descubrirse que el programa "Thin Man" no tendría éxito, Los Álamos reorientó sus esfuerzos hacia la creación de un arma de plutonio de tipo implosionante: " Fat Man ". El programa de armas pasó por completo al desarrollo de una bomba de uranio.
Aunque en Little Boy se utilizaron 132 libras (60 kg) de 235 U con un grado de 80% (es decir, 106 libras o 48 kilogramos), el mínimo es de aproximadamente 44 a 55 libras (20 a 25 kg), frente a las 33 libras (15 kg) del método de implosión.
La masa subcrítica del objetivo de Little Boy estaba encerrada en un reflector de neutrones hecho de carburo de tungsteno (WC). La presencia de un reflector de neutrones reducía las pérdidas de neutrones durante la reacción en cadena y, por lo tanto, reducía la cantidad de combustible de uranio necesaria. Un material reflector más eficaz sería el berilio metálico, pero esto no se supo hasta los años de posguerra, cuando Ted Taylor desarrolló un diseño de implosión conocido como "Scorpion".
Los científicos que diseñaron el arma "Little Boy" estaban tan seguros de su éxito que no probaron el diseño en el campo antes de usarlo en la guerra (aunque científicos como Louis Slotin sí realizaron pruebas no destructivas con ensamblajes subcríticos, experimentos peligrosos apodados " cosquillas en la cola del dragón "). En cualquier caso, no se pudo probar antes de su despliegue, ya que solo había suficiente U-235 disponible para un dispositivo. Aunque el diseño nunca se probó a fondo, se pensó que no había riesgo de que el dispositivo fuera capturado por un enemigo si funcionaba mal. Incluso un "estallido" habría desintegrado por completo el dispositivo, mientras que las múltiples redundancias incorporadas en el diseño "Little Boy" significaban que había una posibilidad insignificante, si es que había alguna, de que el dispositivo cayera al suelo sin detonar en absoluto.
Para iniciar rápidamente la reacción en cadena en el momento justo se utiliza un disparador/iniciador de neutrones. Un iniciador no es estrictamente necesario para un diseño de arma eficaz, [6] [5] siempre que el diseño utilice "captura de objetivo" (en esencia, garantizar que las dos masas subcríticas, una vez disparadas juntas, no puedan separarse hasta que exploten). Considerando las 70 fisiones espontáneas por segundo, esto solo causa un retraso de unas pocas veces 1/70 de segundo, lo que en este caso no importa. Los iniciadores solo se agregaron a Little Boy en una etapa avanzada de su diseño.
En cuanto al riesgo de proliferación y uso por parte de terroristas , el diseño relativamente simple es un motivo de preocupación, ya que no requiere tanta ingeniería o fabricación de precisión como otros métodos. Con suficiente uranio altamente enriquecido, las naciones o grupos con niveles relativamente bajos de sofisticación tecnológica podrían crear un arma nuclear tipo cañón ineficiente, aunque todavía bastante poderosa.
Para los estados tecnológicamente avanzados, el método de tipo cañón es ahora esencialmente obsoleto, por razones de eficiencia y seguridad (discutidas anteriormente). El método de tipo cañón fue abandonado en gran medida por los Estados Unidos tan pronto como se perfeccionó la técnica de implosión, aunque se mantuvo en el papel especializado de artillería nuclear por un tiempo. Otras potencias nucleares, como el Reino Unido y la Unión Soviética , nunca construyeron un ejemplo de este tipo de arma. Además de requerir el uso de U-235 altamente enriquecido, la técnica tiene otras limitaciones severas. La técnica de implosión se adapta mucho mejor a los diversos métodos empleados para reducir la masa del arma y aumentar la proporción de material que se fisiona. La Sudáfrica del apartheid construyó alrededor de cinco armas de tipo cañón, y ninguna de tipo implosión. Más tarde abandonaron su programa de armas nucleares por completo. Fueron únicos en su abandono de las armas nucleares, y probablemente también en la construcción de armas de tipo cañón en lugar de armas de tipo implosión.
Las armas de fuego también plantean problemas de seguridad. Por ejemplo, es inherentemente peligroso tener un arma que contenga una cantidad y una forma de material fisionable que puedan formar una masa crítica a través de un accidente relativamente simple. Además, si el arma se deja caer desde un avión al mar, el efecto moderador del agua de mar también puede causar un accidente crítico sin que el arma sufra daños físicos. Esto tampoco puede ocurrir con un arma de tipo implosión, ya que normalmente no hay suficiente material fisionable para formar una masa crítica sin la detonación correcta de las lentes explosivas.
El método del cañón también se ha aplicado a los proyectiles de artillería nuclear , ya que el diseño más simple se puede diseñar más fácilmente para soportar la rápida aceleración y las fuerzas g impartidas por un cañón de artillería, y dado que el diámetro más pequeño del diseño tipo cañón se puede adaptar con relativa facilidad a los proyectiles que se pueden disparar desde la artillería existente.
El 25 de mayo de 1953 se probó en el polígono de pruebas de Nevada un arma de artillería nuclear estadounidense de tipo cañón, el W9 . Disparado como parte de la Operación Upshot-Knothole y con el nombre en código Shot GRABLE , un proyectil de 280 mm (11 pulgadas) fue disparado a 10 000 m (33 000 pies) y detonado a 160 m (520 pies) sobre el suelo con un rendimiento estimado de 15 kilotones . Este es aproximadamente el mismo rendimiento que Little Boy , aunque el W9 tenía menos de 1 ⁄ 10 del peso de Little Boy (365 kg frente a 4000 kg, o 805 lb frente a 8819 lb). El proyectil tenía 1384 mm (54,5 pulgadas) de largo.
Este fue el único proyectil de artillería nuclear que se disparó (desde un cañón de artillería) en el programa de pruebas de los EE. UU. Se disparó desde una pieza de artillería especialmente construida, apodada Atomic Annie . Se produjeron ochenta proyectiles entre 1952 y 1953. Se retiró del mercado en 1957.
El W19 también era un proyectil nuclear de tipo cañón de 280 mm, una versión más larga del W-9. Se fabricaron ochenta ojivas y el sistema se retiró en 1963.
El W33 era un proyectil de artillería nuclear más pequeño, de 203 mm (8 pulgadas), que se produjo a partir de 1957 y estuvo en servicio hasta 1992. Dos fueron disparados de prueba (detonados, no disparados desde un cañón de artillería), uno colgado debajo de un globo al aire libre y otro en un túnel. [7]
Las versiones posteriores se basaron en el diseño de implosión.