La bomba de hidruro de uranio fue una variante del diseño de la bomba atómica sugerida por primera vez por Robert Oppenheimer en 1939 y defendida y probada por Edward Teller . [1] Utilizaba deuterio , un isótopo del hidrógeno , como moderador de neutrones en un compacto cerámico de uranio-deuterio. A diferencia de todos los demás tipos de bombas de fisión, el concepto se basa en una reacción en cadena de fisión nuclear lenta (véase temperatura de los neutrones ). La eficiencia de la bomba se vio perjudicada por la desaceleración de los neutrones, ya que estos últimos retrasan la reacción, como describió Rob Serber en su extensión de 1992 del Los Alamos Primer original . [2]
El término hidruro para este tipo de arma ha sido objeto de malentendidos en la literatura abierta. Si bien "hidruro" podría implicar que se utiliza hidrógeno natural (que es principalmente 1 H ), solo se ha utilizado deuterio ( 2 H ) para los pozos de bombas . Del mismo modo, una "bomba de hidrógeno" utiliza deuterio y, ocasionalmente, tritio . [3]
Se sabe que se probaron dos bombas de deuteruro de uranio, las pruebas Ruth y Ray durante la Operación Upshot-Knothole . Ambas pruebas produjeron un rendimiento comparable a 200 toneladas de TNT cada una, y se consideraron un fracaso . [1] [4] Todos los demás programas de armas nucleares se han basado en neutrones rápidos en sus diseños de armas.
En las primeras fases del Proyecto Manhattan , en 1943, se investigó el deuteruro de uranio [Nota 1] como un material prometedor para bombas; se abandonó a principios de 1944, ya que resultó que un diseño de este tipo sería ineficiente. [5] El diseño "autocatalítico" que surgió de esta investigación temprana fue "Elmer", el arma Mark 2 de implosión radial que ya no se fabrica. Utilizaba partículas de deuteruro de uranio recubiertas de parafina (para reducir la piroforicidad del UD 3 , también conocido como U 2 H 3 ) y cera de carburo de boro-10 (B 4 C) distribuidas uniformemente por todo el núcleo sólido. [Nota 2] Se imaginó un manipulador compuesto de plomo y B 4 C, con aproximadamente 10,5 kg de material activo (es decir, UD 3 ) en una versión, y un manipulador de BeO con 8,45 kg de material activo en otra. [3] : 260
El deuterio en el deuteruro de uranio (UD 3 ) o el deuteruro de plutonio (PuD 3 ) modera (ralentiza) los neutrones, aumentando así la sección eficaz nuclear para la absorción de neutrones . El resultado debería haber sido una masa crítica requerida menor ; reduciendo la cantidad de 235 U o 239 Pu necesaria. [6] Al mismo tiempo, debido al efecto moderador del deuterio, [2] los requisitos de compresión se relajan un poco (al menos en principio), lo que permitiría el ensamblaje de material fisionable adicional en el núcleo, así como un ensamblaje de implosión radial, que era mucho más simple y compacto que el destinado al MK 3. [ 3] : 258 En realidad, el resultado fue que los neutrones más lentos retrasaron demasiado el tiempo de reacción al reducir el número de generaciones de fisión logradas; En particular, a medida que el núcleo se expandía hasta alcanzar su región de quitanieves (donde cesan todas las reacciones nucleares), más neutrones podían escapar de la superficie turbulenta del núcleo, y antes de que se pudiera producir suficiente energía (para aplicaciones militares). En total, la moderación de los neutrones redujo drásticamente la eficiencia del arma antes de que fallara el confinamiento inercial . [6] [2] Se advirtió que el resultado sería un fracaso en lugar de una detonación a gran escala. El rendimiento previsto era de alrededor de 1 kilotonelada de TNT (4,2 TJ), [7] si el núcleo funcionaba como se esperaba originalmente; la primera estimación aproximada del comportamiento de la bomba de "hidruro" apareció en 1944, cuando James Conant predijo que se obtendría 1 kt de energía a partir de aproximadamente 9 kg de UD 3 . [8]
Después de la guerra , los físicos del LANL continuaron con la investigación sobre el tema con baja prioridad; mientras que una simulación de Montecarlo en diciembre de 1949 [3] : 258 mostró que el núcleo podría, en principio, funcionar y dar como resultado un arma considerablemente más pequeña que la MK 5 , surgió un fuerte escepticismo ya que la eficiencia inherentemente baja del combustible no mejoraría ni remotamente como se había previsto teóricamente cuando se incorporaron un núcleo hueco y un refuerzo, y una prueba propuesta de dicho núcleo en un conjunto de alto explosivo MK 4 fue finalmente eliminada del programa de disparos preliminar de la operación Greenhouse . [3] : 259
A pesar del escepticismo de Los Álamos, Edward Teller siguió interesado en el concepto, y él y Ernest Lawrence experimentaron con tales dispositivos a principios de la década de 1950 en el UCRL ( Laboratorio de Radiación de la Universidad de California , más tarde Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ). El optimismo en el nuevo laboratorio impulsó a la UCRL a proponer una clase de tales "armas pequeñas" que hicieran uso del material, bautizándolo como "Geode". Los dispositivos de tipo "Geode" serían armas de fisión compactas, lineales (de dos puntos), impulsadas por gas, que utilizarían uranio metálico esferoidal hueco , o núcleos moderados parcialmente ("ligeramente"), donde una cubierta de uranio metálico o plutonio se revestiría internamente con UD 3 [Nota 3] produciendo rendimientos del orden de 10 kt. Las aplicaciones para esta clase de dispositivos serían armas nucleares tácticas, así como primarias para sistemas termonucleares compactos. [1] Los "Geodes" fueron esencialmente precursores del "Swan" y sus derivados (como los dispositivos "Swift" y "Swallow"). [Nota 4] [9] : 6
En 1953 se utilizaron dos dispositivos de prueba como parte de la operación Upshot-Knothole. El objetivo principal de los diseños del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California era una investigación nucleónica preliminar [10] : 202 para una carga esférica de polietileno deuterado que contuviera deuteruro de uranio [11] : cap 15 como combustible termonuclear candidato para el "Radiador", una encarnación temprana del "Morgenstern" . [10] : 203 Se esperaba que el deuterio se fusionara (se convirtiera en un medio activo) en el núcleo del secundario si se comprimía adecuadamente a través de la implosión por radiación. El combustible se seleccionó de modo que el programa termonuclear de la UCRL no compitiera con el LASL en materiales escasos en ese momento, específicamente litio . [Nota 5] [10] : 24 Si tienen éxito, los dispositivos también podrían conducir a una primaria compacta que contenga una cantidad mínima de material fisible y sea lo suficientemente potente como para encender Ramrod [10] : 149 el otro prototipo de bomba nuclear Mark 22 diseñado por UCRL en ese momento. Para una primaria de tipo hidruro, el grado de compresión no haría que el deuterio se fusionara, por lo que el diseño sería esencialmente un arma de fisión pura, no potenciada. [3] : 258 Los dispositivos en sí mismos, tal como se probaron en Upshot-Knothole, eran sistemas experimentales, no prototipos de armas, y no estaban diseñados para usarse como armas o primarias termonucleares. [10] : 202 Los núcleos consistían en una mezcla de deuteruro de uranio (UD 3 ), [10] : 202 polvo compactado con polietileno deuterado. No se utilizó boro. Los núcleos probados en Upshot-Knothole utilizaron una "mezcla" (o enriquecimiento) diferente de uranio moderado por deuterio . [3] : 260 El rendimiento previsto fue de 1,5 a 3 kt para Ruth (con un rendimiento potencial máximo de 20 kt [12] : 96 ) y de 0,5-1 kt para Ray . Las pruebas produjeron rendimientos de aproximadamente 200 toneladas de TNT cada una; ambas pruebas se consideraron un fracaso . [13]
Ruth , que utilizaba deuterio y uranio enriquecido en un pozo esférico sólido con un tamper de uranio natural, fue el primer dispositivo diseñado casi en su totalidad en Livermore; fue disparado el 31 de marzo de 1953, a las 05:00 hora local (13:00 GMT) en Mercury, Nevada . El dispositivo explosivo, "Hydride I", [Nota 6] utilizó un conjunto MK-6 HE hecho de lentes explosivas de Composición B y Baratol, [12] : 198 y se proporcionó un betatrón XMC-305 para la iniciación a través de la fotofisión , [12] : 96 pesaba 7400 lb (3400 kg) y tenía 56 pulgadas (140 cm) de diámetro y 66 pulgadas (170 cm) de largo. El sistema nuclear pesaba 6750 lb (3060 kg). En contra de las predicciones de 1,5 a 3 kt, su rendimiento real fue de sólo 200 toneladas. Wally Decker, un joven ingeniero de laboratorio, caracterizó el sonido que hizo el disparo como "pop". El dispositivo no logró "desclasificar automáticamente" su sitio de prueba, donde los 30 m inferiores de la torre de prueba de 91 m permanecieron intactos, el tercio medio se dispersó por el área de prueba y sólo el tercio superior se vaporizó. [13]
El segundo dispositivo, probado en el evento Ray , usó deuterio y una concentración diferente de uranio enriquecido en su pozo esférico sólido. [12] : 98 El dispositivo se llamó "Hydride II", [Nota 7] y también usó un ensamblaje MK-6 HE [12] : 198 ; también fue iniciado por un betatrón XMC-305 disparado en un tiempo conocido. [12] : 96 Al ser un dispositivo hermano de "Hydride I", el dispositivo "Hydride II" solo tenía una mezcla de "combustible" de pozo diferente y compartía las mismas dimensiones y peso con el dispositivo de prueba Ruth . [12] : 96 Fue disparado en una cabina, encima de una torre de 100 pies (30 m) el 11 de abril de 1953. Aunque el disparo de Ray niveló su torre, el rendimiento fue de unas escasas 220 toneladas; [15] : 101 Si bien tuvo un mejor desempeño que Ruth , el rendimiento fue aproximadamente una décima parte del valor previsto de 0,5 a 1 kt.