arma de fisión potenciada

Un arma de fisión potenciada es un tipo de arma nuclear que utiliza una pequeña cantidad de combustible de fusión para aumentar la velocidad y, por lo tanto, el rendimiento de una reacción de fisión nuclear . Los neutrones rápidos liberados por las reacciones de fusión se suman a los neutrones rápidos liberados por las reacciones de fisión, lo que permite que se produzcan más reacciones de fisión inducidas por neutrones. De este modo, la velocidad de fisión aumenta considerablemente, de manera que una mayor cantidad de material fisionable se fisiona antes de que el núcleo se desintegre de forma explosiva. El combustible suele ser una mezcla de gas deuterio-tritio al 50% . El proceso de fusión en sí mismo añade solo una pequeña cantidad de energía al proceso, quizás un 1%. ^{[ 1 ]}

La principal ventaja de la potenciación es la 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 desintegre. Mientras que la voluminosa ojiva Fat Man tenía un diámetro de 1,5 metros y requería 3 toneladas de explosivos de alta potencia para su implosión, se puede instalar un detonador primario de fisión potenciado en una pequeña ojiva nuclear (como la W88 ) para encender el detonador secundario termonuclear. 

La idea del boosting se desarrolló originalmente entre finales de 1947 y finales de 1949 en el Laboratorio Nacional de Los Alamos . ^{[ 2 ]} Fue el boosting, principalmente, el responsable del aumento de cien veces en la eficiencia de las armas de fisión entre 1947 y 1971. ^{[ 3 ]}

En una bomba de fisión, el combustible fisionable se "ensambla" rápidamente mediante una implosión esférica uniforme creada con explosivos convencionales , lo que produce una masa supercrítica . En este estado, muchos de los neutrones liberados por la fisión de un núcleo inducen la fisión de otros núcleos en la masa de combustible, liberando también neutrones adicionales, lo que da lugar 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 (con mecanismo de cañón) y Fat Man (con mecanismo de implosión) tuvieron eficiencias del 1,38% y del 13%, respectivamente.

La potenciación de la fusión se logra mediante la introducción de gas tritio y deuterio . En algunos casos también se ha utilizado deuteruro-trituro de litio sólido , pero el gas ofrece 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 espacio entre una capa exterior y un núcleo interno "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. Este flujo de neutrones acelera las últimas etapas de la reacción en cadena, lo que provoca que aproximadamente el doble de material fisionable se fisione antes de que la explosión desintegre la masa crítica.

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 sean capturados en el material fisionable y conduzcan a la fisión. Esto se debe a varias razones:

1. Cuando estos neutrones energéticos impactan contra un núcleo fisionable, la fisión libera una cantidad mucho mayor de neutrones secundarios (por ejemplo, 4,6 frente a 2,9 para el ^239Pu ).
2. La probabilidad de que estos neutrones interactúen con un núcleo fisionable es mayor que la de los neutrones de menor energía típicos de una reacción de fisión; la zona del núcleo de plutonio o uranio donde un impacto provocará la fisión es mucho mayor. En términos más formales, la sección eficaz de fisión es mayor para neutrones de mayor energía, tanto en términos absolutos como en proporción a las secciones eficaces de dispersión y captura .

En consecuencia, el tiempo para que la población de neutrones en el núcleo se duplique se reduce en un factor de aproximadamente 8. ^{[ 4 ]} Una idea de la contribución potencial del impulso de la fusión se puede obtener al observar 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, despreciando 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 (1099 g). La fisión de estos 1338 g de plutonio en las dos primeras generaciones liberaría 23 ^{[ 5 ]} kilotones de equivalente de TNT (97 TJ ) de energía, y por sí sola resultaría en una eficiencia del 29,7 % para una bomba que contiene 4,5  kg de plutonio (un detonador de fisión pequeño típico). La energía liberada por la fusión de los 5 g de combustible de fusión es solo el 1,73 % de la energía liberada por la fisión de 1338  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 tras el impulso de la fusión. ^{[ 4 ]}

Las bombas de fisión potenciadas por fusión también pueden hacerse inmunes a la radiación de neutrones de explosiones nucleares cercanas, que puede provocar la predetonación de otros diseños, destruyéndose sin alcanzar una alta potencia. La combinación de un peso reducido en relación con la potencia y la inmunidad a la radiación ha garantizado que la mayoría de las armas nucleares modernas utilicen la fusión como fuente de energía.

La tasa de reacción de fusión suele volverse significativa entre 20 y 30 megakelvin . Esta temperatura se alcanza con eficiencias muy bajas, cuando menos del 1 % del material fisionable se ha fisionado (lo que corresponde a un rendimiento del orden de cientos de toneladas de TNT). Dado que las armas de implosión pueden diseñarse para lograr rendimientos en este rango incluso si hay neutrones presentes en el momento de la criticidad, la amplificación por fusión permite la fabricación de armas eficientes inmunes a la predetonación . La eliminación de este riesgo es una ventaja muy importante del uso de la amplificación. Al parecer, todas las armas que actualmente forman parte del arsenal estadounidense son de diseño amplificado. ^{[ 4 ]}

El tritio es un isótopo radiactivo con una vida media de 12,3 años. Su principal producto de desintegración es el helio-3 , que se encuentra entre los nucleidos con la mayor sección transversal de captura de neutrones. Por lo tanto, periódicamente es necesario eliminar los residuos de helio del arma y recargar su suministro de tritio. Esto se debe a que cualquier helio-3 presente en el suministro de tritio del arma actuaría como un veneno neutrónico durante la detonación, absorbiendo los neutrones destinados a colisionar con los núcleos de su combustible de fisión. ^{[ 6 ]}

Algunos diseños iniciales de fisión potenciada, como el Joe-4 y 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 fisionable 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 alternas de estos materiales. El Layer Cake soviético era similar al diseño estadounidense Alarm Clock , que nunca se construyó, y al diseño británico Green Bamboo , que se construyó pero nunca se probó.

Cuando este tipo de bomba explota, la fisión del núcleo de uranio o plutonio altamente enriquecido crea neutrones , algunos de los cuales escapan e impactan átomos de litio-6 , creando tritio . A la temperatura generada por la fisión en el núcleo, el tritio y el deuterio pueden experimentar fusión termonuclear sin una alta compresión. La fusión de tritio y deuterio produce un neutrón con una energía de 14 MeV , una energía mucho mayor que el neutrón de 1 MeV que inició la reacción. Esta creación de neutrones de alta energía, más que el rendimiento energético, es el objetivo principal de la fusión en este tipo de arma. Este neutrón de 14 MeV impacta entonces un átomo de uranio-238, provocando la fisión: sin esta etapa de fusión, el neutrón original de 1 MeV que impactó un átomo de uranio-238 probablemente habría sido absorbido. Esta fisión libera energía y neutrones, que a su vez generan más tritio a partir del litio-6 restante, y así sucesivamente, en un ciclo continuo. La energía proveniente de la fisión del uranio-238 es útil en armamento: tanto porque el uranio empobrecido es mucho más barato que el uranio altamente enriquecido como porque no puede alcanzar la criticidad y, por lo tanto, es menos probable que se vea involucrado en un accidente catastrófico.

Este tipo de dispositivo puede producir hasta un 20 % de su potencia mediante fusión, y el resto mediante fisión. Su potencia está limitada por consideraciones prácticas de masa y diámetro a menos de un megatón de TNT (4 PJ ). El Joe-4 produjo 400 kilotones de TNT (1,7 PJ). En comparación, una bomba de hidrógeno "auténtica", como la Tsar Bomba soviética , podía producir hasta un 97 % de su potencia mediante fusión, y su potencia explosiva solo está limitada por el tamaño del dispositivo.

Varias naciones han demostrado el funcionamiento de dispositivos que utilizan fisión potenciada:

• diseño de armas nucleares