Las armas de fisión de tipo cañón son armas nucleares basadas en fisión cuyo diseño ensambla su material fisionable en una masa supercrítica mediante el uso del método del "arma": disparar una pieza de material subcrítico a otra. Aunque a veces esto se representa como dos hemisferios subcríticos unidos para formar una esfera supercrítica, normalmente se dispara un proyectil hueco sobre una púa, que llena el agujero en su centro. Su nombre hace referencia a que se trata de disparar el material a través de un cañón de artillería como si de un proyectil se tratara.
Dado que se trata de un método de ensamblaje relativamente lento, el plutonio no se puede utilizar a menos que sea puramente el isótopo 239. La producción de plutonio libre de impurezas es muy difícil y poco práctica. La cantidad necesaria de uranio es relativamente grande y, por tanto, la eficiencia general es relativamente baja. La razón principal de esto es que el uranio metálico no sufre compresión (y el consiguiente aumento de densidad) como ocurre en 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 chocar, antes de escapar. masa supercrítica.
La primera vez que se habló de armas de fisión tipo cañón fue como parte del programa de desarrollo de bombas nucleares de 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, equivaldría, en cuanto a efecto destructivo, a 1.800 toneladas de TNT". [3] La bomba utilizaría un diseño tipo arma "para unir las dos mitades a alta velocidad y se propone hacerlo disparándolas junto con cargas de explosivo ordinario en forma de arma doble". [4]
El método se aplicó en cuatro programas estadounidenses conocidos. En primer lugar, 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 sus sustitutos, 40 bombas Mark 11 . Tanto el diseño Mark 8 como el Mark 11 estaban destinados a ser utilizados como bombas perforantes (ver destructor de búnkeres nucleares ), para lo cual el método tipo arma fue preferido durante un tiempo por los diseñadores que no estaban tan seguros de que las primeras armas tipo implosión funcionarían. detona con éxito después de un impacto. El segundo programa era una familia de proyectiles de artillería nuclear de 11 pulgadas (280 mm) , el W9 y su derivado W19 , además de un W19 reempaquetado en un proyectil de 16 pulgadas (406 mm) para los acorazados de la Marina de los EE. UU., el W23 . La tercera familia era un proyectil de artillería de 8 pulgadas (203 mm), el W33 .
Sudáfrica también desarrolló seis bombas nucleares basadas en el principio del tipo de arma de fuego y estaba trabajando en ojivas de misiles utilizando el mismo diseño básico. Véase Sudáfrica y las armas de destrucción masiva .
Actualmente no se conocen armas de tipo arma en servicio: los estados con armas nucleares avanzadas tendieron a abandonar el diseño en favor de armas de tipo implosión , armas de fisión potenciadas y armas termonucleares . Los nuevos Estados con armas nucleares tienden a desarrollar únicamente armas termonucleares y de fisión potenciada. Se han desmantelado todas las armas nucleares conocidas de tipo cañón construidas anteriormente en todo el mundo.
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El método del "pistola" es aproximadamente cómo funcionó el arma Little Boy, que fue detonada sobre Hiroshima , utilizando uranio-235 como material fisionable. En el diseño de Little Boy, la "bala" 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 lo hacía subcrítico. Estaba alimentado por una carga de cordita . El pico objetivo de uranio fue de aproximadamente 57,3 libras (26 kg). Tanto la bala como el objetivo consistían en múltiples anillos apilados.
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 utilizando el La misma bala pero con un solo anillo.
El cañón tenía un diámetro interior de 16,5 cm (6,5 pulgadas). Su longitud era de 1,8 m (70,8 pulgadas), lo que permitió que la bala acelerara 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 está a una distancia de 25 cm (9,8 pulgadas), la combinación se vuelve crítica. Esto significa que algunos neutrones libres pueden provocar que la reacción en cadena tenga lugar antes de que el material pueda unirse por completo (ver reacción nuclear en cadena ).
Normalmente, la reacción en cadena dura menos de 1 μs (100 sacudidas ), tiempo durante el cual la bala viaja sólo 0,3 mm. Aunque la reacción en cadena es más lenta cuando la supercriticidad es baja, ocurre en un tiempo tan corto que la bala apenas se mueve en ese tiempo.
Esto podría provocar un chisporroteo , una predetonación que haría estallar el material antes de crear una gran explosión. Por tanto, es importante que la frecuencia a la que se producen los neutrones libres se mantenga baja, en comparación con el tiempo de montaje a partir de este punto. Esto también significa que la velocidad del proyectil debe ser 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 U-238 en el uranio tenía 70 fisiones espontáneas por segundo. Con el material fisionable en estado supercrítico, cada uno tenía una gran probabilidad de detonación: cada fisión crea en promedio 2,52 neutrones, cada uno de los cuales tiene una probabilidad de más de 1:2,52 de crear otra fisión. Durante los 1,35 ms de supercriticidad previos al montaje completo, hubo un 10% de probabilidad de fisión, con algo menos de probabilidad de predetonación.
Inicialmente, el esfuerzo tipo arma del Proyecto Manhattan estaba dirigido a fabricar un arma que utilizara plutonio como fuente de material fisionable, conocida como el " Hombre Delgado " debido a su extrema longitud. Se pensaba que si se podía crear una bomba de plutonio, entonces la bomba de uranio sería muy fácil de fabricar en comparación. Sin embargo, en abril de 1944 se descubrió que el plutonio generado en el reactor ( Pu-239 ) está contaminado con otro isótopo de plutonio, Pu-240 , lo que aumenta la tasa de liberación espontánea de neutrones del material, haciendo inevitable la detonación previa. Por esta razón, se cree que una bomba tipo arma de fuego sólo se puede utilizar con combustible de uranio enriquecido. Se desconoce si es posible realizar un diseño compuesto utilizando plutonio de alta calidad únicamente en la bala.
Después de que se descubrió que el programa "Thin Man" no tendría éxito, Los Álamos reorientó sus esfuerzos hacia la creación del arma de plutonio de tipo implosión: " Fat Man ". El programa de armas pasó completamente al desarrollo de una bomba de uranio.
Aunque en Little Boy se utilizaron 132 libras (60 kg) de U-235 al 80% (por lo tanto, 106 libras o 48 kilogramos), el mínimo es de 44 a 55 libras (20 a 25 kg), frente a 33 libras (15 kg). ) para el método de implosión.
La masa subcrítica objetivo de Little Boy estaba encerrada en un reflector de neutrones hecho de carburo de tungsteno (WC). La presencia de un reflector de neutrones redujo las pérdidas de neutrones durante la reacción en cadena y, por tanto, redujo 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 la posguerra, cuando Ted Taylor desarrolló un diseño de implosión conocido como "Scorpion".
Los científicos que diseñaron el arma "Little Boy" tenían suficiente confianza en su éxito como para no probar el diseño en el campo antes de usarlo en la guerra (aunque científicos como Louis Slotin sí realizaron pruebas no destructivas con ensamblajes subcríticos, peligrosos). experimentos apodados hacerle cosquillas a la cola del dragón ). En cualquier caso, no se pudo probar antes de su despliegue, ya que sólo había suficiente U-235 disponible para un dispositivo. Aunque el diseño nunca fue probado, se pensó que no había riesgo de que el dispositivo fuera capturado por un enemigo si funcionaba mal. Incluso un "fracaso" habría desintegrado completamente el dispositivo, mientras que las múltiples redundancias incorporadas en el diseño del "Little Boy" significaban que había una posibilidad insignificante o nula de que el dispositivo golpeara el suelo sin detonar en absoluto.
Para un inicio rápido de la reacción en cadena en el momento adecuado se utiliza un disparador/iniciador de neutrones. Un iniciador no es estrictamente necesario para un diseño de arma efectivo, [6] [5] siempre y cuando el diseño utilice "captura de objetivo" (en esencia, asegurando que las dos masas subcríticas, una vez disparadas juntas, no puedan separarse hasta que exploten) . Teniendo en cuenta las 70 fisiones espontáneas por segundo, esto sólo provoca 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 al final de su diseño.
Con respecto al riesgo de proliferación y uso por parte de terroristas , el diseño relativamente simple es una preocupación, ya que no requiere tanta ingeniería o fabricación como otros métodos. Con suficiente uranio altamente enriquecido, naciones o grupos con niveles relativamente bajos de sofisticación tecnológica podrían crear un arma nuclear ineficiente, aunque todavía bastante poderosa.
Para los estados tecnológicamente avanzados, el método del tipo arma de fuego es ahora esencialmente obsoleto, por razones de eficiencia y seguridad (discutidas anteriormente). Los Estados Unidos abandonaron en gran medida el método del tipo de arma tan pronto como se perfeccionó la técnica de implosión, aunque se mantuvo en el papel especializado de artillería nuclear durante un tiempo. Otras potencias nucleares, como el Reino Unido y la Unión Soviética , nunca construyeron un ejemplar de este tipo de arma. Además de requerir el uso de U-235 altamente enriquecido, la técnica tiene otras limitaciones graves. La técnica de la implosión se adapta mucho mejor a los distintos métodos empleados para reducir el peso del arma y aumentar la proporción de material que se fisiona. Sudáfrica construyó alrededor de cinco armas de tipo pistola y ninguna de tipo implosión. Posteriormente abandonaron por completo su programa de armas nucleares . Fueron únicos en su abandono de las armas nucleares, y probablemente también en la fabricación de armas tipo pistola en lugar de armas tipo implosión.
También existen problemas de seguridad con las armas tipo pistola. Por ejemplo, es intrínsecamente peligroso tener un arma que contenga una cantidad y forma de material fisionable que pueda formar una masa crítica mediante 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 provocar un accidente de criticidad sin que el arma sufra siquiera daños físicos. Tampoco puede ocurrir lo mismo 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 proyectiles de artillería nuclear , ya que el diseño más simple puede diseñarse más fácilmente para resistir la rápida aceleración y las fuerzas g impartidas por un cañón de artillería, y dado que el diámetro más pequeño del diseño del tipo de cañón puede ser relativamente Se adapta fácilmente a proyectiles que pueden dispararse desde la artillería existente.
Un arma de artillería nuclear de tipo cañón estadounidense, la W9 , fue probada el 25 de mayo de 1953 en el sitio de pruebas de Nevada . Disparado como parte de la Operación Upshot-Knothole y con el nombre en código Shot GRABLE , un proyectil de 280 mm se disparó a 10.000 my detonó a 160 m del 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 una longitud de 1.384 mm.
Este fue el único proyectil de artillería nuclear jamás disparado (desde un cañón de artillería) en el programa de pruebas de Estados Unidos. Fue disparado desde una pieza de artillería especialmente construida, apodada Atomic Annie . Se produjeron ochenta proyectiles entre 1952 y 1953. Fue retirado en 1957.
El W19 también era un proyectil nuclear tipo cañón de 280 mm, una versión más larga del W-9. Se produjeron ochenta ojivas y el sistema fue retirado en 1963.
El W33 era un proyectil de artillería nuclear más pequeño, de 8 pulgadas (203 mm), tipo cañón, 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 bajo un globo al aire libre y otro en un túnel. [7]
Las versiones posteriores se basaron en el diseño de implosión.