La implosión por radiación es la compresión de un objetivo mediante el uso de altos niveles de radiación electromagnética . El principal uso de esta tecnología es en las bombas de fusión y en la investigación de la fusión por confinamiento inercial .
La implosión por radiación fue desarrollada por primera vez por Klaus Fuchs y John von Neumann en los Estados Unidos, como parte de su trabajo en el diseño original de la bomba de hidrógeno "Classical Super". Su trabajo resultó en una patente secreta presentada en 1946, y luego otorgada a la URSS por Fuchs como parte de su espionaje nuclear . Sin embargo, su esquema no era el mismo que se utilizó en el diseño final de la bomba de hidrógeno, y ni los programas estadounidenses ni los soviéticos pudieron usarlo directamente en el desarrollo de la bomba de hidrógeno (su valor se haría evidente solo después del hecho). Una versión modificada del esquema de Fuchs-von Neumann se incorporó a la toma "George" de la Operación Greenhouse . [1]
En 1951, Stanislaw Ulam tuvo la idea de utilizar el choque hidrodinámico de un arma de fisión para comprimir más material fisionable a densidades extremadamente altas con el fin de fabricar bombas de fisión de dos etapas y con un alcance de megatones. Luego se dio cuenta de que este enfoque podría ser útil para iniciar una reacción termonuclear. Presentó la idea a Edward Teller , quien se dio cuenta de que la compresión de la radiación sería más rápida y eficiente que el choque mecánico. Esta combinación de ideas, junto con una "bujía" de fisión incrustada dentro del combustible de fusión, se convirtió en lo que se conoce como el diseño Teller-Ulam para la bomba de hidrógeno.
La mayor parte de la energía liberada por una bomba de fisión se presenta en forma de rayos X. El espectro es aproximadamente el de un cuerpo negro a una temperatura de 50.000.000 kelvins (un poco más de tres veces la temperatura del núcleo del Sol ). La amplitud se puede modelar como un pulso trapezoidal con un tiempo de ascenso de un microsegundo, un tiempo de meseta de un microsegundo y un tiempo de caída de un microsegundo. Para una bomba de fisión de 30 kilotones, la salida total de rayos X sería de 100 terajulios (más del 70% de la producción total).
En una bomba Teller-Ulam , el objeto que se va a implosionar se denomina "secundario". Contiene material de fusión, como deuteruro de litio , y sus capas externas son de un material opaco a los rayos X, como plomo o uranio-238 .
Para hacer llegar los rayos X desde la superficie de la bomba primaria, la de fisión, a la superficie de la secundaria, se utiliza un sistema de "reflectores de rayos X".
El reflector es típicamente un cilindro hecho de un material como el uranio. El primario se ubica en un extremo del cilindro y el secundario en el otro. El interior del cilindro suele estar lleno de una espuma que es mayoritariamente transparente a los rayos X, como el poliestireno .
El término reflector es engañoso, ya que da al lector la idea de que el dispositivo funciona como un espejo . Algunos de los rayos X se difunden o dispersan, pero la mayor parte del transporte de energía se produce mediante un proceso de dos pasos: el reflector de rayos X se calienta a una temperatura alta por el flujo del primario y luego emite rayos X que viajan al secundario. Se utilizan varios métodos clasificados para mejorar el rendimiento del proceso de reflexión [ cita requerida ] .
Algunos documentos chinos muestran que los científicos chinos utilizaron un método diferente para lograr la implosión de radiación. Según estos documentos, durante la fabricación de la primera bomba H china se utilizó una lente de rayos X, no un reflector, para transferir la energía de la primaria a la secundaria. [2]
El término "implosión por radiación" sugiere que la secundaria es aplastada por la presión de la radiación , y los cálculos muestran que, si bien esta presión es muy grande, la presión de los materiales vaporizados por la radiación es mucho mayor. Las capas externas de la secundaria se calientan tanto que se vaporizan y salen volando de la superficie a altas velocidades. El retroceso de esta expulsión de la capa superficial produce presiones que son un orden de magnitud más fuertes que la simple presión de radiación. Por lo tanto, se piensa que la llamada implosión por radiación en las armas termonucleares es una implosión impulsada por ablación impulsada por radiación .
Ha habido mucho interés en el uso de láseres de gran tamaño para encender pequeñas cantidades de material de fusión. Este proceso se conoce como fusión por confinamiento inercial (ICF). Como parte de esa investigación, se ha desclasificado mucha información sobre la tecnología de implosión por radiación.
Cuando se utilizan láseres ópticos, se hace una distinción entre sistemas de "accionamiento directo" y de "accionamiento indirecto". En un sistema de accionamiento directo, el o los rayos láser se dirigen al objetivo y el tiempo de ascenso del sistema láser determina qué tipo de perfil de compresión se logrará.
En un sistema de accionamiento indirecto, el objetivo está rodeado por una capa (llamada Hohlraum ) de algún material de Z intermedio, como el selenio . El láser calienta esta capa a una temperatura tal que emite rayos X, y estos rayos X luego se transportan al objetivo de fusión. El accionamiento indirecto tiene varias ventajas, incluido un mejor control sobre el espectro de la radiación, un tamaño de sistema más pequeño (la radiación secundaria generalmente tiene una longitud de onda 100 veces menor que el láser controlador) y un control más preciso sobre el perfil de compresión.