Un arma de fisión potenciada generalmente se refiere a un tipo de bomba nuclear que utiliza una pequeña cantidad de combustible de fusión para aumentar la velocidad y, por lo tanto, el rendimiento de una reacción de fisión . Los neutrones liberados por las reacciones de fusión se suman a los neutrones liberados debido a la fisión, lo que permite que se produzcan más reacciones de fisión inducidas por neutrones. De este modo, la velocidad de fisión aumenta considerablemente, de modo que mucho más material fisible puede fisionarse antes de que el núcleo se desmonte explosivamente. El proceso de fusión en sí añade sólo una pequeña cantidad de energía al proceso, quizás un 1%. [1]
El significado alternativo es un tipo obsoleto de bomba nuclear de una sola etapa que utiliza la fusión termonuclear a gran escala para crear neutrones rápidos que pueden causar fisión en uranio empobrecido , pero que no es una bomba de hidrógeno de dos etapas . Edward Teller se refirió a este tipo de bomba como "Despertador" y Andrei Sakharov como "Sloika" o "Layer Cake" (Teller y Sakharov desarrollaron la idea de forma independiente, hasta donde se sabe). [2]
La idea del impulso se desarrolló originalmente entre finales de 1947 y finales de 1949 en Los Álamos . [3] El principal beneficio del impulso es una mayor miniaturización de las armas nucleares, ya que reduce el tiempo mínimo de confinamiento inercial requerido para una explosión nuclear supercrítica al proporcionar una entrada repentina de neutrones rápidos antes de que la masa crítica explote. Esto eliminaría la necesidad de un empujador de aluminio y un manipulador de uranio y de los explosivos necesarios para empujarlos a ellos y al material fisionable a un estado supercrítico. Mientras que el voluminoso Fat Man tenía un diámetro de 5 pies (1,5 m) y requería 3 toneladas de explosivos potentes para su implosión, se puede instalar una primaria de fisión potenciada en una pequeña ojiva nuclear (como la W88 ) para encender la secundaria termonuclear.
En una bomba de fisión, el combustible fisible se "ensambla" rápidamente mediante una implosión esférica uniforme creada con explosivos convencionales , produciendo una masa supercrítica . En este estado, muchos de los neutrones liberados por la fisión de un núcleo inducirán la fisión de otros núcleos en la masa de combustible, liberando también neutrones adicionales, lo que dará lugar a una reacción en cadena . Esta reacción consume como máximo el 20% del combustible antes de que la bomba explote, o posiblemente mucho menos si las condiciones no son las ideales: las bombas Little Boy (mecanismo tipo pistola) y Fat Man (mecanismo tipo implosión) tenían eficiencias del 1,38% y 13%, respectivamente.
El impulso de la fusión se logra mediante la introducción de gas tritio y deuterio . En algunos casos también se ha utilizado deuteruro-tritruro de litio sólido , pero el gas permite una mayor flexibilidad (y puede almacenarse externamente) y puede inyectarse en una cavidad hueca en el centro de la esfera de combustible de fisión, o en un espacio entre una cavidad exterior. capa y un núcleo interno "levitado", en algún momento antes de la implosión. Cuando aproximadamente el 1% del combustible de fisión se ha fisionado, la temperatura aumenta lo suficiente como para provocar una fusión termonuclear , que produce cantidades relativamente grandes de neutrones de alta energía. Esta afluencia de neutrones acelera las últimas etapas de la reacción en cadena, provocando que aproximadamente el doble del material fisionable se fisione antes de que la explosión desmonte la masa crítica.
Los neutrones de fusión deuterio-tritio son extremadamente energéticos, siete veces más energéticos que un neutrón de fisión promedio, [4] lo que los hace mucho más propensos a ser capturados en el material fisionable y conducir a la fisión. Esto se debe a varias razones:
Teniendo en cuenta estos factores, el valor alfa máximo de los neutrones de fusión deuterio-tritio en el plutonio (densidad 19,8 g/cm 3 ) es unas 8 veces mayor que el de un neutrón de fisión medio (2,5 × 109 contra 3 × 108 ).
Se puede tener una idea de la contribución potencial del impulso de la fusión observando que la fusión completa de un mol de tritio (3 gramos) y un mol de deuterio (2 gramos) produciría un mol de neutrones (1 gramo), que, despreciando escapar de las pérdidas y la dispersión, podría fisionar un mol (239 gramos) de plutonio directamente, produciendo 4,6 moles de neutrones secundarios, que a su vez pueden fisionar otros 4,6 moles de plutonio (1.099 g). La fisión de estos 1.338 g de plutonio en las dos primeras generaciones liberaría 23 [5] kilotones de TNT equivalente (97 TJ ) de energía, y daría por sí sola una eficiencia del 29,7% para una bomba que contenga 4,5 kg de plutonio (una típico desencadenante de fisión pequeña). La energía liberada por la fusión de los 5 g de combustible de fusión es sólo el 1,73% de la energía liberada por la fisión de 1.338 g de plutonio. Es posible obtener mayores rendimientos totales y una mayor eficiencia, ya que la reacción en cadena puede continuar más allá de la segunda generación después del refuerzo de la fusión. [4]
Las bombas de fisión impulsadas por fusión también pueden volverse inmunes a la radiación de neutrones de explosiones nucleares cercanas, lo que puede provocar que otros diseños predetonen, explotándose sin lograr un alto rendimiento. La combinación de peso reducido en relación con el rendimiento y la inmunidad a la radiación ha garantizado que la mayoría de las armas nucleares modernas estén impulsadas por la fusión.
La velocidad de la reacción de fusión suele ser significativa entre 20 y 30 megakelvins . Esta temperatura se alcanza con eficiencias muy bajas, cuando menos del 1% del material fisible se ha fisionado (lo que corresponde a un rendimiento del orden de cientos de toneladas de TNT). Dado que se pueden diseñar armas de implosión que alcancen rendimientos en este rango incluso si hay neutrones presentes en el momento crítico, el impulso de fusión permite la fabricación de armas eficientes que son inmunes a la predetonación . La eliminación de este peligro es una ventaja muy importante al utilizar el refuerzo. Parece que cada arma que hay ahora en el arsenal estadounidense tiene un diseño mejorado. [4]
Según un diseñador de armas, el impulso es el principal responsable del notable aumento de 100 veces en la eficiencia de las armas de fisión desde 1945. [6]
Los primeros diseños de armas termonucleares , como el Joe-4 , el "Layer Cake" soviético ("Sloika", ruso : Слойка ), utilizaban grandes cantidades de fusión para inducir la fisión en los átomos de uranio-238 que forman el uranio empobrecido . Estas armas tenían un núcleo fisible rodeado por una capa de deuteruro de litio-6 , rodeada a su vez por una capa de uranio empobrecido. Algunos diseños (incluido el pastel de capas) tenían varias capas alternas de estos materiales. El Layer Cake soviético era similar al diseño estadounidense Alarm Clock , que nunca se construyó, y al diseño británico Green Bamboo , que se construyó pero nunca se probó.
Cuando este tipo de bomba explota, la fisión del núcleo de uranio o plutonio altamente enriquecido crea neutrones , algunos de los cuales escapan y golpean átomos de litio-6 , creando tritio . A la temperatura creada por la fisión en el núcleo, el tritio y el deuterio pueden sufrir fusión termonuclear sin un alto nivel de compresión. La fusión de tritio y deuterio produce un neutrón con una energía de 14 MeV , una energía mucho mayor que el 1 MeV del neutrón que inició la reacción. Esta creación de neutrones de alta energía, más que el rendimiento energético, es el principal objetivo de la fusión en este tipo de armas. Este neutrón de 14 MeV choca luego contra un átomo de uranio-238, provocando la fisión: sin esta etapa de fusión, el neutrón original de 1 MeV que golpeó un átomo de uranio-238 probablemente habría sido absorbido. Luego, esta fisión libera energía y también neutrones, que luego crean más tritio a partir del litio-6 restante, y así sucesivamente, en un ciclo continuo. La energía de la fisión del uranio-238 es útil en armas: porque el uranio empobrecido es mucho más barato que el uranio altamente enriquecido y porque no puede llegar a ser crítico y, por lo tanto, es menos probable que se vea involucrado en un accidente catastrófico.
Este tipo de arma termonuclear puede producir hasta el 20% de su rendimiento a partir de la fusión, y el resto proviene de la fisión, y su rendimiento está limitado a menos de un megatón de equivalente de TNT (4 PJ ). Joe-4 produjo 400 kilotones de TNT (1,7 PJ). En comparación, una "verdadera" bomba de hidrógeno puede producir hasta el 97% de su rendimiento a partir de la fusión , y su rendimiento explosivo está limitado únicamente por el tamaño del dispositivo.
El tritio es un isótopo radiactivo con una vida media de 12.355 años. Su principal producto de desintegración es el helio-3 , que se encuentra entre los nucleidos con mayor sección transversal para la captura de neutrones. Por lo tanto, periódicamente se deben eliminar los residuos de helio del arma y recargar el suministro de tritio. Esto se debe a que cualquier helio-3 en el suministro de tritio del arma actuaría como veneno durante la detonación del arma, absorbiendo neutrones destinados a colisionar con los núcleos de su combustible de fisión. [7]
El tritio es relativamente caro de producir porque cada tritón (el núcleo de tritio) producido requiere la producción de al menos un neutrón libre que se utiliza para bombardear una materia prima (litio-6, deuterio o helio-3). En realidad, debido a pérdidas e ineficiencias, la cantidad de neutrones libres necesarios es más cercana a dos por cada tritón producido (y el tritio comienza a descomponerse inmediatamente, por lo que hay pérdidas durante la recolección, el almacenamiento y el transporte desde las instalaciones de producción hasta las armas en el campo). .) La producción de neutrones libres exige la operación de un reactor reproductor o de un acelerador de partículas (con un objetivo de espalación ) dedicado a la instalación de producción de tritio. [8] [9]