| Modelo | Mk-I "Little Boy" | Mk-III "Fat Man" | Diámetro | 28 in. | 60.25 in. | Largo | 120 in. | 128 in. | Peso | 8,900 lb. | 10,300 lb. | Potencia | 15 - 16 Kt | 21 Kt |
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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.
Las dos masas subcríticas se unen al disparar un núcleo cilíndrico de material fisionable contra el centro de la esfera objetivo, hecha del mismo material. El tiempo de inserción es grande, alrededor de un milisegundo. Este es el diseño usado en la llamada Little Boy, lanzada en Hiroshima (exceptuando que en lugar de ser una esfera el núcleo objetivo, era un cilindro lo cual provocó una disminución en la eficiencia).
La ventaja principal del armado tipo bala es su simplicidad.
Y los inconvenientes son:
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 kbar (unas 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:
Las dos bombas nucleares lanzandas en Hiroshima y en Nagashaki fueron respectivamente Little Boy (Armado Tipo Bala) y Fat Man (Armado Tipo Implosión). Sus características son las siguientes:
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Los neutrones se generan periódicamente por fisión espontánea. Una forma de iniciar la fisión es mantener el estado de masa supercrítica después del armado, hasta que los neutrones espontáneos inicien la reacción. Esto es al menos posible en la configuración tipo bala, pero no funciona en la de tipo implosión, debido a que el núcleo comprimido se expande rápidamente después de que la onda de choque desparezca. En un sistema de implosión, la reacción de fisión tarda en iniciarse alrededor de 250 nanosegundos. Es por tanto importante iniciar la reacción en cadena antes de alcanzar el momento de máxima compresión.
Un método mejor es tener un generador de neutrones cuya operación está precisamente sincronizada con el proceso de armado. Se han desarrollado tres mecanismos como iniciadores de la fisión.
Esto ocurre solamente en el 0.008% de las colisiones, por lo que se necesita un emisor fuerte de partículas alfa (polonio-210) para conseguir el flujo de neutrones necesario por la bomba de implosión. Un ratio de generación neutrónica de 10-100 millones de neutrones por segundo es necesario para asegurar el inicio de la reacción. El generador de neutrones se localiza en el centro del núcleo objetivo.
El mayor problema con el generador de berilio/polonio es que estos emisores fuertes tienen una vida media muy corta (138.4 días para el Po-210). Para mantener el inventario de armas operativo, es necesario reemplazar el generador de partículas alfa periódicamente. Además, este tipo de generadores tiene la tendencia de iniciar la reacción antes del momento óptimo (máxima compresión).
El problema de utilizar deuterio y tritio en armas, es que estos isótopos del hidrógeno son difíciles de almacenar, pues han de ser licuados a muy bajas temperaturas, o comprimidos a altas presiones. Para evitar este problema, los científicos E. Teller y S. Ullam desarrollaron un tipo de bomba basado en la utilización de Deuteriuro de Litio como combustible.
El funcionamiento de estas bombas se basa en utilizar una bomba nuclear de fisión, denominada fase primaria, para iniciar la fusión del combustible de deuterio, fase secundaria.
La configuración Teller-Ullam, ideada por Edward Teller (Budapest, 1908) y Stanislaw Ullam (Lvov-Polonia, 1909), se basa en el hecho de que a la temperatura resultado de la bomba de fisión, el 80% de la energía liberada se encuentra en forma de rayos X, y no de energía cinética. El transporte de la energía por radiación desde el núcleo de fisión es mucho mayor que el ratio de expansión (con una velocidad de 1000 km/s). Es posible entonces usar esta energía para comprimir y fusionar una masa de combustible de fusión físicamente separada (la fase secundaria) antes de que la expansión de la bomba de fisión destruya el arma.
La carcasa de la bomba es cilíndrica, con el detonador de fisión (fase primaria) en uno de los extremos. El combustible de fusión (deuteriuro de litio - Li D) es un cilindro o elipsoide encerrado en un tamper de un material muy denso (uranio o tungsteno). A lo largo del eje del cilindro de combustible se encuentra una barra de Pu-239 o U-235 de 2-3 cm de diámetro. Se forra la envoltura con una capa de plástico o de espuma (styrofoam). Separando el detonador de fisión del combustible de fusión se encuentra el escudo de uranio o tungsteno.
La configuración de Teller-Ullam se muestra en el diagrama siguiente:
Componentes del modelo:
Al explotar la fase primaria, los rayos-x escapan del dispositivo de fisión y llenan el canal de radiación (spyrofoam). Esta espuma se ioniza y los rayos x penetran en sus elementos (C y H). El recubrimiento interior y exterior se calientan a temperaturas muy elevadas. El escudo de uranio entre la bomba de fisión y la cápsula de fusión, y el tamper evita que la fusión comience demasiado pronto.
El equilibro térmico se establece rápidamente, así que la temperatura y densidad de energía es uniforme a lo largo del spyrofoam. Tan pronto como la superficie del tamper se calienta y genera una presión tremenda en la cápsula de combustible y causa una implosión acelerada.
La presión ejercida por el plasma genera una implosión cilíndrica (o esférica) de la cápsula de fusión (tamper, combustible y barra axial fisionable-spark plug). La cápsula se comprime aproximidamente 1/30 de su diámetro original, y su densidad aumenta unas 1000 veces. Es remarcable que una fuerza explosiva suficiente para destruir una ciudad pequeña se utilice exclusivamente para detonar unos kilogramos de combustible.
La barra axial soporta una compresión extrema. Localizada en el centro, experimenta una violenta onda de choque que la calienta muchísimo y comprime sólo unas 4 veces. Lo cual es suficiente para que alcance el estado supercrítico. Los neutrones térmicos atrapados en el combustible de fusión, son sobrepasados por el flujo intenso de los neutrones de fisión e inician una reacción en cadena. La barra actúa por tanto como el iniciador de la fusión, es decir, es la bujía de la fusión.
Las temperaturas alcanzadas en la bomba de fusión sobrepasa considerablemente a la de fisión. Se pueden alcanzar los 300 millones de K.
El combustible en la cápsula de fusión consiste en deuteriuro de litio que debe ser enriquecido con el isótopo Li-6. La mayor parte del tritio se generan en las reacciones D+D, o directamente por la reacción 3, o en la 5 via los neutrones producidos en la reacción 2.
Una parte grande del combustible de fusión puede ser quemado antes de que la expansión apague la reacción al reducirse la densidad, lo que puede tardar sobre 20 a 40 nanosegundos. La mayor potencia obtenida en una bomba de fusión fue de 50 Mt, casi toda producida en la fase final de la fusión. 50 Mt equivalen a 2.1x1017 joules, y la potencia producida durante la fusión es de 5.3x1024 watts. Esto es más del 1% de la potencia suministrada por el Sol (4.3x1026 watts)!!
La bomba Teller-Ullam descrita se llama también de “dos fases”. Si quisiéramos construir una bomba mayor, podríamos usar la explosión de la fase secundaria (fusión) para comprimir y explotar una tercera fase. Cada una de las fases puede ser 10 o 100 veces mayor que la anterior. La bomba de 50 Mt descrita antes es una bomba de tres fases.
El aumento de los efectos de radiación neutrónica implica que los efectos por el choque térmico y la onda de choque se reducen, aunque la creencia popular de que estas bombas sólo ataca a las personas y no a los edificios es falsa. Además, debido a que los efectos de la radiación decaen rápidamente con la distancia, existe una distinción clara entre áreas contaminadas letales y áreas de dosis mínima. Esto provocó su uso cuando “fuerzas amigas” se encontraban en zonas próximas. Actualmente no se utilizan, y los arsenales están siendo reducidos.
