Física e Ingeniería de Armas Nucleares

 

Las armas nucleares, a exepción de algunos modelos modernos, son armas que fueron diseñadas a partir de la Segunda Guerra Mundial exclusivamente para utilizar contra grandes concentraciones de población civil, y yo no justifico su uso en absoluto, pero personalmente creo que desde el punto de vista técnico, las armas nucleares son un trabajo perfecto de ingeniería, y por ello deseo poner al alcanse de todos esta información sobre el tema.

armasnucleares@yahoo.com.ar

Villa María, Córdoba, Argentina

 

1 Física de armas de fisión 

1-1 El proceso de fisión 

1-2 Criticidad

1-3 Principios básicos del diseño de armas de fisión 

1-3-1 Técnicas para lograr el estado supercrítico 

1-3-1-1 Sistema de implosión 

1-3-1-2 Sistema de disparo 

1-3-2 Técnicas para iniciar la fisión 

1-3-3 Técnicas para mantener la reacción y aumentar la eficiencia 

2 Armas de fusión 

 

 

Generalidades: 

Básicamente, una bomba de hidrógeno utiliza el calor y la energía liberados por la fisión de ciertos isótopos de elementos pesados como uranio-235(U-235), o plutonio-239(Pu-239) para comprimir y elevar la temperatura de un gas, generalmente deuterio (D) o tritio (T), e iniciar una reacción de fusión. Esto es, comunicarle a los átomos energía suficiente para lograr que sus núcleos choquen entre sí formando uno o más nuevos núcleos y liberando una gran cantidad de energía. 

Se puede dividir el sistema en dos etapas: la primera, generalmente llamada primaria, puede considerarse una bomba atómica en sí; y la segunda, es el combustible de fusión y todos los elementos complementarios para lograr que la reacción se produzca. 

La primaria consiste en una masa subcrítica de uranio235 o plutonio239 en forma de una esfera cuyo centro es hueco, rodeado de un material reflector de neutrones (para evitar que escapen neutrones libres de la superficie), y a la vez rodeado por una capa de explosivos convencionales. 

Al detonar estos explosivos, dirigen la onda expansiva hacia adentro comprimiendo el material fisionable a más de 400000 atmósferas. A esta presión, los átomos se acercan entre sí a tal punto que el sistema pasa a un estado supercrítico, manteniéndose así por 4 microsegundos, aproximadamente. 

La reacción de fisión comienza en el momento de máxima compresión, aunque un 30% de la energía es producida incluso después que el sistema haya pasado al estado subcrítico. 

El sistema ideado por Edward Teller y Stanislaw Ulam aprovecha los rayos X liberados por la primaria, que constituyen el 80% de la energía total liberada y la primera en liberarse, para comprimir una masa de combustible de fusión físicamente separada de la primera etapa. Estos rayos viajan a unos 1000 Km/seg, mucho mas rápido que la onda expansiva del núcleo, por lo que todos los procesos que se dan luego de que estalle la primera etapa tienen casi una eternidad antes que la bomba se destruya a sí misma. 

El combustible de fusión está contenido en un cilindro de material denso, como uranio o tungsteno, con una barra de material fisible (Pu-239), llamado “spurk plug”, ( bujía ),  que cruza todo el recipiente por el centro.  

Los rayos X provenientes del núcleo se expanden dentro del casco de la bomba comprimiendo la cápsula de combustible a 1/30 de su tamaño normal. 

A esta presión, la barra de plutonio aumenta su densidad hasta alcanzar un estado supercrítico. Debido a la temperatura, hay un intenso flujo de neutrones provenientes del hidrógeno que comienzan una reacción en cadena en la barra de plutonio, lo que produce alrededor de ésta una temperatura suficiente para iniciar una reacción de fusión capaz de automantenerse. 

La temperatura alcanzada en la fusión es de unos 300 millones de grados Kelvin, mucho más que la producida por la fisión.

 

1  Física de armas de fisión

La fisión nuclear ocurre cuando los núcleos de algunos isótopos de elementos pesados como uranio o plutonio, capturan neutrones. 

Generalmente el neutrón incidente y el núcleo blanco forman un nuevo núcleo, que permanece por poco tiempo en un estado excitado y luego decae. El tiempo de vida de un núcleo excitado es aproximadamente de 10^-16 s., que si bien es un período de tiempo tan corto que el núcleo excitado no puede ser observado directamente, es mucho mayor que el tiempo que tarda la partícula incidente en atravesar una distancia nuclear, que es de 10^-21 s.  

El núcleo excitado decae en dos nuevos núcleos de masa intermedia y neutrones adicionales (un promedio de 2,52 para el uranio-235 y 2.95 para el plutonio-239), liberando 200 MeV de energía. Si en promedio un neutrón de cada fisión es capturado y produce una nueva fisión, entonces se produce una reacción en cadena que se auto mantiene, Si en promedio más de un neutrón de cada fisión produce otra fisión, el número de neutrones y la cantidad de energía liberada aumentarán a ritmo exponencial.  

Dos condiciones son necesarias para que la fisión pueda ser usada para crear una explosión poderosa: 1) El número de neutrones que escapan a la fisión (por ser capturados sin producir la reacción o por escapar de la superficie de la masa fisionable) debe ser mantenido lo más bajo posible; y 2) la velocidad de la reacción debe ser extremadamente rápida. Una bomba atómica funciona en una carrera contra sí misma: para consumir la mayor cantidad de combustible antes que el resto de la bomba se destruya por la misma energía liberada. La manera en que se solucione este problema determina su eficiencia. Una bomba mal diseñada, o con fallas en su funcionamiento, solo liberara una pequeña fracción de su energía potencial.  

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1-1   El proceso de fisión 

El núcleo de un átomo puede interactuar con un neutron de dos formas distintas: Puede producirse una reacción de dispersión, desviando el neutrón en una dirección diferente, o puede capturar el neutrón, lo que afecta al núcleo de diferentes formas –la absorción y la fisión son las más importantes. La probabilidad de que un determinado núcleo disperse o capture un neutrón esta determinada por su sección transversal de dispersión y de captura. Esta ultima se puede dividir a su vez en la sección transversal de absorción y la sección transversal de fisión.  

La estabilidad de un núcleo atómico depende de su energía de enlace. Cuando un neutrón o un protón es capturado por un núcleo, este reordena su estructura. Si se libera energía en este proceso, la energía de enlace disminuye. Si se absorbe energía, la energía de enlace aumenta.  

Los isótopos importantes para la liberación de grandes cantidades de energía a través del proceso de fisión son el uranio-235, plutonio-239, y uranio-233. La energía de enlace de estos tres isótopos es generalmente mas baja que la energía cinética normal de los neutrones producidos en las fisiones, por lo que al producirse una reacción de captura el núcleo ya no es estable y debe liberar el exceso de energía o separarse en dos o tres núcleos residuales. Como la fisión se logra mas fácilmente con neutrones de baja energía cinética, el proceso se denomina “fisión lenta”.  

Por el contrario, el isótopo más abundante U-238 posee una energía de enlace mayor que los isótopos mencionados anteriormente, por lo que se necesitan neutrones con energía cinética mayor que 1 MeV para lograr la fisión. Por esto la reacción se denomina “fisión rápida”. 

Los isótopos fisionables con neutrones lentos tienen una alta sección transversal de fisión para neutrones de cualquier energía, mientras que La sección transversal de absorción es relativamente baja. Isótopos fisionables con neutrones rápidos tienen una sección transversal de fisión nula para neutrones por debajo de cierto valor umbral, pero por encima de este, la sección transversal de fisión sube rápidamente.  

La cantidad de neutrones con respecto a la de protones en un núcleo atómico tiende a aumentar con el numero atómico del elemento. Elementos mas pesados requieren mas neutrones para estabilizar el núcleo. Cuando el núcleo de un elemento pesado como el uranio (Z=92) es desintegrado, los núcleos residuales, teniendo un numero atómico bajo, tendrán un exceso de neutrones, los cuales son liberados rápidamente por los núcleos excitados. La relacion entre los números atómicos de los núcleos residuales generalmente es de un núcleo con Z cerca de 95 y otro con Z cerca de 135. El numero de neutrones liberados varia de cero a seis o más, y su energía cinética de 0,5 MeV a mas de 4MeV, siendo lo más probable 0,75MeV. El promedio es de 2MeV 

En cada fisión se liberan aprox. 200MeV. Esta energía se distribuye de la siguiente manera: 

170 MeV: energía cinética de los productos de la fisión;  

5 MeV: energía cinética de los neutrones de la fisión;  

15 MeV: energía de las partículas beta y rayos gamma;  

10 MeV: energía del neutrino liberado en los decaimientos beta de los productos de la fisión.  

Toda la energía cinética es liberada al ambiente instantáneamente, como la mayoría de los rayos gamma. El resultado es 180MeV de energía disponible para generar una explosión nuclear.  

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1-2  Criticidad 

Un neutrón que incide sobre la superficie de un material fisionable tiene mas probabilidades de producir una fisión que de ser absorbido en una reacción improductiva. Cuando la proporción en que se encuentra el isótopo fisionable es baja, la mayoría de los neutrones libres son absorbidos por núcleos no fisionables o escapan de la superficie del material. Pero cuando esta proporción es alta, y el material es lo suficientemente grande y compacto, el sistema se denomina “masa critica”, en la que a partir de pocos neutrones se puede producir una reacción en cadena capaz de auto mantenerse. 

Las masas criticas para esferas descubiertas (sin ningún tipo de barrera que devuelva los neutrones al interior de la masa) de distintos materiales son:  

U-233 : 16Kg 

U-235 : 52Kg 

Pu-239 : 10,6Kg 

Factor tiempo de la reacción 

El tiempo que tarda un neutrón desde que es emitido hasta causar la fisión depende de su velocidad y de la distancia que recorra antes de ser capturado. La distancia promedio se denomina CLM (camino libre medio). En materiales fisionables a densidad normal, el CLM para fisión es de aproximadamente 13 cm para neutrones de 1 MeV (la energía típica para causar una fisión). Estos neutrones viajan a 1,4 . 10^9cm/seg (10 nanosegundos). El CLM para dispersión es sólo de 2,5 cm, por lo que en promedio un neutrón será dispersado 5 veces antes de causar una fisión.

Los valores de CLM para neutrones de 1 MeV son:

Isótopo

Densidad

C.L.M.

U-233

18,9

10,9

U-235

18,9

16,5

Pu-239

19,4

12,7

Esto muestra que la fisión procede más rápido en algunos isótopos que en otros. La velocidad de multiplicación puede ser calculada por el coeficiente de multiplicación k, dado por:

k = f – ( lc- le)

donde f = promedio de neutrones generados por fisión; lc = promedio de neutrones que no son capturados; le = promedio de neutrones que escapan del sistema.

Si k = 1, el sistema es exactamente crítico y una reacción en cadena se automantendrá, aunque a un ritmo constante. Si k > 1, entonces el sistema es supercrítico y la reacción aumentará continuamente. Para hacer una bomba eficiente, k debe ser lo más alto posible, generalmente cercano a 2 cuando la reacción comienza.

En una reacción en cadena, la generación cero tiene un neutrón, la generación 1 tiene 2 neutrones, la generación dos tiene 4 neutrones, etc. Hasta que, por ejemplo, 2 . 10^24 átomos hayan sido desintegrados, lo que produce 20 kilotones de energía. La fórmula para esto es: número de átomos desintegrados = 2^(n-1), donde n es el número de generaciones.

Si 2 . 10^24 = 2^(n-1), entonces n = log2 (2 . 10^24) + 1 = 81,7 generaciones. Es decir, que toma aproximadamente 82 generaciones para completar el proceso de fisión para una bomba de 20 Kt, si la reacción comienza de un solo neutrón.

Este cálculo es una útil simplificación, pero el proceso de fisión no procede por etapas separadas, en la que una termina antes que comience la siguiente. Es un proceso continuo: mientras unos núcleos son desintegrados por neutrones de la generación anterior, otros son desintegrados por neutrones de varias generaciones anteriores.

Tanto el número de neutrones presentes en el sistema como el número de fisiones que se han producido desde que comenzó la reacción, aumentan a una velocidad proporcional a e^((k-1)*(t/g)), donde g es el tiempo de duración de cada generación (desde que el neutrón es emitido hasta que es capturado), y t es el tiempo transcurrido.

Si k = 2, entonces un neutrón se multiplicará a 2 . 10^24 (y desintegrando la misma cantidad de núcleos) en aproximadamente 560 nanosegundos, rindiendo 20 Kt de energía. Esto es un tercio menos tiempo que el cálculo aproximado anterior. Debido al crecimiento exponencial de la reacción, en cualquier punto de ésta el 99% de la energía habrá sido liberada en las últimas 4,6 generaciones. Es una aproximación razonable pensar en las primeras 53 generaciones como un período de latencia que lleva a la actual explosión, que sólo toma 3-4 generaciones.

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1-3  Principios básicos del diseño de armas de fisión

Las principales cuestiones que se deben resolver para construir un arma de fisión son:

1_ Mantener el material fisionable en estado subcrítico antes de la detonación;

2_ Llevar el material fisionable a un estado supercrítico manteniéndolo libre de neutrones;

3_ Introducir neutrones dentro de la masa crítica cuando está en su configuración óptima.

Mantener la masa entera hasta que una considerable cantidad de material haya sido fisionado.

Resolver los puntos 1, 2 y 3 juntos es extremadamente complicado debido a la presencia natural e inevitable de neutrones. Aunque los rayos cósmicos generan neutrones en pequeña cantidad, casi todos provienen del mismo material fisionable a través del proceso de decaimiento radiactivo. Debido a la poca estabilidad de los núcleos de elementos fisionables, éstos pueden emitir partículas espontáneamente para llegar a las configuraciones de energía más bajas. Es decir, que el mismo material emite neutrones periódicamente.

El proceso de armar la masa crítica debe tomar un tiempo menor que el intervalo promedio de fisiones espontáneas para obtener una probabilidad razonable de que el arma funcione. Esto es bastante difícil de lograr debido al gran cambio de reactividad necesario para pasar de un estado subcrítico a uno supercrítico. El tiempo necesario para elevar el valor de k desde 1 al valor máximo de 2 se denomina tiempo de inserción de reactividad, o simplemente tiempo de inserción.

Es todavía más complicado debido al problema de multiplicación de neutrones en estado subcrítico. Si una masa subcrítica tiene un valor de k de 0,9, un neutrón presente en la masa crea una reacción en cadena que muere en un promedio de 10 generaciones. Si la masa está muy cerca del estado crítico, digamos k = 0,99, entonces cada fisión espontánea creará una reacción que100 generaciones. Esta presencia de neutrones en la masa subcrítica reduce en gran medida el tiempo disponible para el ensamblaje y obliga a que la reactividad de la masa sea aumentada desde un valor menor de 0,9 a un valor de 2 o cercano a 2 dentro de ese tiempo.

Dividir una masa supercrítica en dos partes idénticas y unirlas rápidamente es poco probable que funcione, ya que ninguna de las partes tendrá un valor de k suficientemente bajo, ni el tiempo de inserción será suficientemente rápido con las velocidades posibles.

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1-3-1  Técnicas de armado

La clave para alcanzar los objetivos 1 y 2 es aclarada por el hecho de que la masa crítica (o supercrítica) de un material fisionable es inversamente proporcional al cuadrado de su densidad. Si conseguimos idear una estructura de material fisionable cuya densidad pueda ser aumentada rápidamente, lograríamos el gran aumento de reactividad necesario para crear una explosión poderosa.

Se han ideado dos sistemas para resolver esto: el de implosión, mas efectivo, y el de disparo, de menor rendimiento.

1-3-1-1  Implosión

La idea de este sistema es comprimir una masa fisionable subcrítica esférica, o a veces cilíndrica, usando potentes explosivos especialmente diseñados. La implosión funciona iniciando la detonación de los explosivos en su superficie externa, por lo que la onda expansiva se mueve hacia adentro. Un diseño cuidadoso permite crear una onda suave y simétrica. Esta onda se transmite al núcleo fisionable comprimiendo y aumentando su densidad hasta alcanzar el estado crítico.

La implosión puede ser usada para comprimir tanto núcleos sólidos de material fisionable, como también núcleos huecos, donde el material fisionable forma un armazón. Es fácil ver cómo la implosión puede aumentar la densidad de un núcleo hueco - simplemente colapsa la cavidad. Sin embargo, potentes ondas de choque pueden comprimir metales sólidos también. Un explosivo de alto poder puede crear una onda de 400.000 atm de presión, aunque algunas técnicas balísticas pueden aumentar esto varios cientos de veces. Esta presión puede acercar los átomos entre sí y aumentar la densidad a dos veces lo normal o más ( el límite teórico para una onda de choque en un gas monoatómico ideal es de cuatro veces; el límite práctico siempre es menor).

La onda convergente de una implosión puede comprimir uranio o plutonio sólido en un factor de 2 ó 3. La compresión ocurre muy rápidamente, permitiendo un tiempo de inserción en el orden de 1 a 4 microsegundos. El período de máxima compresión dura menos de 1 microsegundo.

Además del principal objetivo que es alcanzar el estado crítico, la implosión provoca otro efecto importante. El aumento de la densidad reduce el CLM de los neutrones, el cual es inversamente proporcional a la densidad. Esto reduce el período de tiempo entre cada generación y permite una reacción más rápida que puede progresar más antes que el sistema se desarme. Por lo tanto la implosión aumenta considerablemente la eficiencia de una bomba.

Las principales ventajas de la implosión son:

A_ Alta velocidad de inserción. Esto permite el uso de materiales con alto grado de fisiones espontáneas como el plutonio.

B_ Se alcanza un alta densidad, lo que permite construir una bomba con relativamente poca cantidad de material.

C_ Potencial para diseños livianos. En los mejores diseños, el núcleo puede ser comprimido con poca cantidad de explosivos.

La principal desventaja es su complejidad y la precisión necesaria para hacerla funcionar. El diseño de armas de implosión hace necesario extensas investigaciones y pruebas, y requiere maquinaria y electrónica de alta precisión.

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