Por arma de fisión potenciada se entiende un tipo de bomba nuclear que utiliza una pequeña cantidad de combustible de fusión para aumentar la velocidad y, por 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 una cantidad mucho mayor del material fisible puede experimentar la fisión antes de que el núcleo se desarme de forma explosiva. El proceso de fusión en sí mismo añade solo una pequeña cantidad de energía al proceso, tal vez 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 . Este tipo de bomba fue denominada por Edward Teller como "Reloj despertador", y por Andrei Sakharov como "Sloika" o "Torta de capas" (Teller y Sakharov desarrollaron la idea de forma independiente, hasta donde se sabe). [2]
La idea de la potenciación se desarrolló originalmente entre finales de 1947 y finales de 1949 en Los Álamos . [3] El principal beneficio de la potenciación es una mayor miniaturización de las armas nucleares, ya que reduce el tiempo mínimo de confinamiento inercial necesario para una explosión nuclear supercrítica al proporcionar una afluencia repentina de neutrones rápidos antes de que la masa crítica se desmorone. Esto eliminaría la necesidad de un empujador de aluminio y un manipulador de uranio y los explosivos necesarios para empujarlos y el material fisible 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 de alta potencia para la implosión, se puede instalar un primario de fisión potenciado en una pequeña ojiva nuclear (como el W88 ) para encender el secundario 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 conduce 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 ideales: las bombas Little Boy (mecanismo tipo pistola) y Fat Man (mecanismo tipo implosión) tuvieron eficiencias de 1,38% y 13%, respectivamente.
La fusión se potencia introduciendo gas de tritio y deuterio . En algunos casos también se ha utilizado deuteruro de litio sólido ( trituro), 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 hueco entre una capa exterior y un núcleo interior "levitado", algún tiempo antes de la implosión. Cuando aproximadamente el 1% del combustible de fisión se ha fisionado, la temperatura aumenta lo suficiente como para provocar la fusión termonuclear , que produce una cantidad relativamente grande de neutrones de alta energía. Esta afluencia de neutrones acelera las últimas etapas de la reacción en cadena, lo que hace que aproximadamente el doble del material fisionable se fisione antes de que la masa crítica se desmonte por la explosión.
Los neutrones de fusión de deuterio-tritio son extremadamente energéticos, siete veces más energéticos que un neutrón de fisión promedio, [4] lo que hace que sea mucho más probable que queden atrapados en el material fisible y provoquen la fisión. Esto se debe a varias razones:
En consecuencia, el tiempo para que la población de neutrones en el núcleo se duplique se reduce en un factor de aproximadamente 8. [4] Se puede obtener una idea de la contribución potencial del impulso de 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, descuidando las pérdidas de escape 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 primeras dos generaciones liberaría 23 [5] kilotones de equivalente de TNT (97 TJ ) de energía, y por sí sola daría como resultado una eficiencia del 29,7% para una bomba que contenga 4,5 kg de plutonio (un pequeño detonador de fisión típico). 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 de la intensificación de la fusión. [4]
Las bombas de fisión impulsadas por fusión también pueden volverse inmunes a la radiación de neutrones de las explosiones nucleares cercanas, que pueden hacer que otros diseños detonen de manera anticipada y se destruyan sin lograr un alto rendimiento. La combinación de peso reducido en relación con el rendimiento e inmunidad a la radiación ha garantizado que la mayoría de las armas nucleares modernas estén impulsadas por fusión.
La velocidad de 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 fisionable se ha fisionado (lo que corresponde a un rendimiento en el rango de cientos de toneladas de TNT). Dado que se pueden diseñar armas de implosión que logren rendimientos en este rango incluso si hay neutrones presentes en el momento de criticidad, la potenciación de la fusión permite la fabricación de armas eficientes que son inmunes a la predetonación . La eliminación de este peligro es una ventaja muy importante en el uso de la potenciación. Parece que todas las armas que actualmente se encuentran en el arsenal de los EE. UU. son de diseño potenciado. [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", en ruso : Слойка ), utilizaban grandes cantidades de fusión para inducir la fisión en los átomos de uranio-238 que componen el uranio empobrecido . Estas armas tenían un núcleo fisible rodeado por una capa de deuteruro de litio-6 , a su vez rodeada por una capa de uranio empobrecido. Algunos diseños (incluido el Layer Cake) tenían varias capas alternadas de estos materiales. El Layer Cake soviético era similar al diseño estadounidense de despertador , que nunca se construyó, y al diseño británico de bambú verde , que se construyó pero nunca se probó.
Cuando explota este tipo de bomba, la fisión del núcleo de uranio o plutonio altamente enriquecido crea neutrones , algunos de los cuales escapan y chocan con átomos de litio-6 , creando tritio . A la temperatura creada por la fisión en el núcleo, el tritio y el deuterio pueden experimentar 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 propósito principal de la fusión en este tipo de arma. Este neutrón de 14 MeV luego choca con un átomo de uranio-238, causando la fisión: sin esta etapa de fusión, el neutrón original de 1 MeV que golpea un átomo de uranio-238 probablemente habría sido simplemente absorbido. Esta fisión libera energía y neutrones, que a su vez 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 las armas: tanto porque el uranio empobrecido es mucho más barato que el uranio altamente enriquecido como porque no puede alcanzar un estado 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 a partir de la fisión, y su rendimiento está limitado por cuestiones prácticas de masa y diámetro a menos de un megatón de TNT (4 PJ ) equivalente. Joe-4 produjo 400 kilotones de TNT (1,7 PJ). En comparación, una bomba de hidrógeno "verdadera" 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 la mayor sección transversal para la captura de neutrones. Por lo tanto, periódicamente el arma debe tener sus desechos de helio limpiados y su suministro de tritio recargado. Esto se debe a que cualquier helio-3 en el suministro de tritio del arma actuaría como un 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) requiere la producción de al menos un neutrón libre, que se utiliza para bombardear un material de partida (litio-6, deuterio o helio-3). Además, debido a las pérdidas e ineficiencias, la cantidad de neutrones libres necesarios es cercana a dos por cada tritón, ya que el tritio comienza a desintegrarse inmediatamente, por lo que hay pérdidas durante la recolección, el almacenamiento y el transporte desde la instalación de producción hasta las armas en el campo. La producción de neutrones libres exige el funcionamiento de un reactor reproductor o un acelerador de partículas (con un objetivo de espalación ) dedicado a la instalación de producción de tritio. [8] [9]