diseño de armas nucleares

Cuando un neutrón libre impacta el núcleo de un átomo fisionable como el uranio-235 ( ^²³⁵U ), el núcleo de uranio se divide en dos núcleos más pequeños llamados fragmentos de fisión, además de más neutrones (para el ^²³⁵U , tres con una frecuencia similar a la de dos; un promedio de poco menos de 2,5 por fisión). La reacción en cadena de fisión en una masa supercrítica de combustible puede ser autosostenible porque produce suficientes neutrones excedentes para compensar las pérdidas de neutrones que escapan del conjunto supercrítico. La mayoría de estos tienen la velocidad (energía cinética) necesaria para provocar nuevas fisiones en los núcleos de uranio vecinos. ^{[ 5 ]}

El núcleo de uranio-235 puede dividirse de muchas maneras, siempre que la suma de los números atómicos sea 92 y la suma de los números másicos sea 236 (uranio-235 más el neutrón que causó la división). La siguiente ecuación muestra una posible división, concretamente en estroncio-95 ( ^⁹⁵Sr ), xenón-139 ( ^¹³⁹Xe ) y dos neutrones (n), más energía: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{236}\mathrm {U} ^{*}\longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV} }$

La liberación inmediata de energía por átomo es de aproximadamente 180 millones de electronvoltios (MeV); es decir, 74 TJ/kg. Solo el 7% de esta es radiación gamma y energía cinética de neutrones de fisión. El 93% restante es energía cinética (o energía de movimiento) de los fragmentos de fisión cargados, que se alejan unos de otros repelidos mutuamente por la carga positiva de sus protones (38 para el estroncio, 54 para el xenón). Esta energía cinética inicial es de 67 TJ/kg, lo que imparte una velocidad inicial de aproximadamente 12 000 kilómetros por segundo (es decir, 1,2  cm por nanosegundo). La alta carga eléctrica de los fragmentos cargados provoca muchas colisiones de Coulomb inelásticas con núcleos cercanos, y estos fragmentos permanecen atrapados dentro del pozo fisionable de la bomba y se desintegran hasta que su energía cinética se convierte en calor . Dada la velocidad de los fragmentos y el recorrido libre medio entre los núcleos en el conjunto de combustible comprimido (para el diseño de implosión), esto tarda aproximadamente una millonésima de segundo (un microsegundo), tiempo durante el cual el núcleo y el deflector de la bomba se han expandido hasta convertirse en una bola de plasma de varios metros de diámetro con una temperatura de decenas de millones de grados Celsius.

Esta temperatura es lo suficientemente alta como para emitir radiación de cuerpo negro en el espectro de rayos X. Estos rayos X son absorbidos por el aire circundante, produciendo la bola de fuego y la explosión de una explosión nuclear.

La mayoría de los productos de fisión tienen demasiados neutrones para ser estables, por lo que son radiactivos debido a la desintegración beta , que convierte neutrones en protones al emitir partículas beta (electrones), neutrinos y rayos gamma. Sus vidas medias oscilan entre milisegundos y unos 200 000 años. Muchos se desintegran en isótopos que también son radiactivos, por lo que pueden ser necesarias entre 1 y 6 (un promedio de 3) desintegraciones para alcanzar la estabilidad. ^{[ 7 ]} En los reactores, los productos radiactivos son los residuos nucleares del combustible gastado . En las bombas, se convierten en lluvia radiactiva, tanto local como global. ^{[ 8 ]}

Mientras tanto, dentro de la bomba en explosión, los neutrones libres liberados por la fisión se llevan aproximadamente el 3 % de la energía de fisión inicial. La energía cinética de los neutrones se suma a la energía de la explosión de una bomba, pero no con la misma eficacia que la energía de los fragmentos cargados, ya que los neutrones no ceden su energía cinética tan rápidamente en colisiones con núcleos cargados o electrones. La contribución dominante de los neutrones de fisión a la potencia de la bomba es la iniciación de fisiones subsiguientes. Más de la mitad de los neutrones escapan del núcleo de la bomba, pero el resto impacta contra los núcleos de ^235U , provocando su fisión en una reacción en cadena de crecimiento exponencial (1, 2, 4, 8, 16, etc.). Partiendo de un átomo, el número de fisiones puede, teóricamente, duplicarse cien veces en un microsegundo, lo que podría consumir todo el uranio o plutonio hasta cientos de toneladas en el centésimo eslabón de la cadena. Normalmente, en un arma moderna, el núcleo contiene de 3,5 a 4,5 kilogramos (7,7 a 9,9 lb) de plutonio y, al detonar, produce una potencia de aproximadamente 5 a 10 kilotones de TNT (21 a 42 TJ) , lo que representa la fisión de aproximadamente 0,5 kilogramos (1,1 lb) de plutonio. ^{[ 9 ] [ 10 ]}   

Los materiales que pueden mantener una reacción en cadena se denominan fisionables . Los dos materiales fisionables utilizados en armas nucleares son: ^235U , también conocido como uranio altamente enriquecido (HEU), "oraloy" que significa "aleación de Oak Ridge" ^{[ 11 ]} o "25" (una combinación del último dígito del número atómico del uranio-235, que es 92, y el último dígito de su número másico, que es 235); y ^239Pu , también conocido como plutonio-239, o "49" (de "94" y "239"). ^{[ 12 ]}

El isótopo más común del uranio , ^{el 238U} , es fisionable pero no fisionable, lo que significa que no puede mantener una reacción en cadena porque sus neutrones de fisión hijos no son (en promedio) lo suficientemente energéticos como para provocar fisiones posteriores de ^238U . Sin embargo, los neutrones liberados por la fusión de los isótopos pesados ​​de hidrógeno deuterio y tritio sí provocan la fisión del ^238U . Esta reacción de fisión del ^238U en la cubierta exterior del conjunto secundario de una bomba termonuclear de dos etapas produce, con mucho, la mayor parte de la energía total de la bomba, así como la mayor parte de sus residuos radiactivos.

Para las potencias nacionales inmersas en una carrera armamentística nuclear, la capacidad del ^238U para fisionarse rápidamente mediante bombardeo de neutrones termonucleares reviste una importancia fundamental. La abundancia y el bajo coste tanto del combustible de fusión seco a granel (deuteruro de litio) como del ^238U (un subproducto del enriquecimiento de uranio) permiten la producción económica de arsenales nucleares muy grandes, en comparación con las armas de fisión pura que requieren los costosos combustibles ^235U o ^{239Pu .}

La fusión produce neutrones que disipan energía de la reacción. ^{[ 13 ]} En armas, la reacción de fusión más importante se llama reacción DT. Utilizando el calor y la presión de la fisión, el hidrógeno-2, o deuterio ( ² D ), se fusiona con el hidrógeno-3, o tritio ( ³ T ), para formar helio-4 ( ⁴ He ) más un neutrón ( n ) y energía: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {He} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17,6\ \mathrm {MeV} }$

La energía total liberada, 17,6 MeV, es una décima parte de la de la fisión, pero los componentes tienen solo una quincuagésima parte de la masa, por lo que la energía liberada por unidad de masa es aproximadamente cinco veces mayor. En esta reacción de fusión, 14 de los 17,6 MeV (el 80 % de la energía liberada en la reacción) se manifiestan como la energía cinética del neutrón, que, al no tener carga eléctrica y ser casi tan masivo como los núcleos de hidrógeno que lo crearon, puede escapar sin dejar su energía para ayudar a mantener la reacción, o para generar rayos X que provoquen una explosión.

La única forma práctica de capturar la mayor parte de la energía de fusión es atrapar los neutrones dentro de un recipiente masivo de material pesado como plomo, uranio o plutonio. Si el neutrón de 14 MeV es capturado por uranio (de cualquiera de sus isótopos; 14 MeV es suficiente para fisionar tanto ^{el 235U} como ^{el 238U} ) o plutonio, el resultado es la fisión y la liberación de 180 MeV de energía de fisión, multiplicando por diez la energía producida.

Para su uso como arma, la fisión es necesaria para iniciar la fusión, ayuda a mantenerla y captura y multiplica la energía que transportan los neutrones de fusión. En el caso de una bomba de neutrones (véase más adelante), este último factor no se aplica, ya que el objetivo es facilitar la fuga de neutrones, en lugar de utilizarlos para aumentar la potencia bruta del arma.

Una reacción nuclear esencial es la que crea tritio , o hidrógeno-3. El tritio se emplea de dos maneras. En primer lugar, se produce gas tritio puro para introducirlo en los núcleos de dispositivos de fisión potenciada con el fin de aumentar su rendimiento energético. Esto se aplica especialmente a los reactores primarios de fisión de las armas termonucleares. La segunda forma es indirecta y aprovecha el hecho de que los neutrones emitidos por una chispa de fisión supercrítica en el conjunto secundario de una bomba termonuclear de dos etapas producen tritio in situ cuando estos neutrones colisionan con los núcleos de litio del combustible de deuteruro de litio de la bomba.

El tritio gaseoso elemental para los primarios de fisión también se produce bombardeando litio-6 ( ^6Li ) con neutrones (n), únicamente en un reactor nuclear. Este bombardeo de neutrones provoca la fisión del núcleo de litio-6, produciendo una partícula alfa, o helio -4 ( ^4He ), además de un tritón ( ^3T ) y energía: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle {}^{6}\mathrm {Li} +n\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {T} +5\ \mathrm {MeV} }$

Pero como se descubrió en la primera prueba de este tipo de dispositivo, Castle Bravo , cuando hay litio-7 presente, también se producen ciertas cantidades de las dos reacciones netas siguientes:

⁷ Li + ¹ norte → ³ T + ⁴ Él + ¹ norte

⁷ Li + ² H → 2 ⁴ He + ¹ n + 15,123 MeV

La mayor parte del litio es ⁷ Li, y esto le dio a Castle Bravo un rendimiento 2,5 veces mayor de lo esperado. ^{[ 15 ]}

Los neutrones son suministrados por el reactor nuclear de forma similar a la producción de plutonio ²³⁹ Pu a partir de materia prima ²³⁸ U: las barras objetivo de materia prima ⁶ Li se disponen alrededor de un núcleo alimentado con uranio y se retiran para su procesamiento una vez que se ha calculado que la mayoría de los núcleos de litio se han transmutado en tritio.

De los cuatro tipos básicos de armas nucleares, el primero, de fisión pura, utiliza la primera de las tres reacciones nucleares mencionadas anteriormente. El segundo, de fisión potenciada por fusión, utiliza las dos primeras. El tercero, termonuclear de dos etapas, utiliza las tres.

Little Boy , la bomba de Hiroshima, utilizó 64 kg (141 lb) de uranio con un enriquecimiento promedio de alrededor del 80%, o 51 kg (112 lb) de uranio-235, casi la masa crítica del metal desnudo . Cuando se ensambló dentro de su contenedor/reflector de carburo de tungsteno , los 64 kg (141 lb) eran más del doble de la masa crítica. Antes de la detonación, el uranio-235 se dividió en dos piezas subcríticas, una de las cuales fue disparada posteriormente por el cañón de un arma para unirse a la otra, iniciando la explosión nuclear. Los análisis muestran que menos del 2% de la masa de uranio sufrió fisión; ^{[ 16 ]} el resto, que representa la mayor parte de la producción total durante la guerra de las gigantescas fábricas Y-12 en Oak Ridge, se dispersó inútilmente. ^{[ 17 ]}      

La ineficiencia se debía a la velocidad con la que el uranio fisionable no comprimido se expandía y se volvía subcrítico debido a la disminución de su densidad. A pesar de su ineficiencia, este diseño, por su forma, se adaptó para su uso en proyectiles de artillería cilíndricos de pequeño diámetro (una ojiva de cañón disparada desde el cañón de un arma mucho más grande). Estas ojivas fueron desplegadas por Estados Unidos hasta 1992, representando una fracción significativa del U-235 en su arsenal , y fueron algunas de las primeras armas desmanteladas para cumplir con los tratados que limitaban el número de ojivas. La razón de esta decisión fue, sin duda, una combinación del menor rendimiento y los graves problemas de seguridad asociados con el diseño de cañón.

Para el dispositivo Trinity y la bomba Fat Man (Nagasaki), se utilizaron diseños de fisión de plutonio por implosión casi idénticos. El dispositivo Fat Man utilizó específicamente 6,2 kg (14 lb) , aproximadamente 350 ml o 12 onzas líquidas estadounidenses de volumen, de Pu-239 , que es solo el 41% de la masa crítica de la esfera desnuda . Rodeado por un reflector/amortiguador de U-238 , el núcleo de Fat Man se acercó a la masa crítica gracias a las propiedades reflectantes de neutrones del U-238. Durante la detonación, la criticidad se logró por implosión. El núcleo de plutonio se comprimió para aumentar su densidad mediante la detonación simultánea, como en la detonación de prueba "Trinity" tres semanas antes, de los explosivos convencionales colocados uniformemente alrededor del núcleo. Los explosivos fueron detonados por múltiples detonadores de alambre de puente explosivo . Se estima que solo alrededor del 20% del plutonio experimentó fisión; El resto, unos 5 kg (11 lb) , quedó esparcido.        

Una onda de choque de implosión puede ser tan breve que solo una parte del cráter se comprime en un instante dado al pasar la onda. Para evitarlo, puede ser necesario un empujador. El empujador se ubica entre la lente explosiva y el compactador. Funciona reflejando parte de la onda de choque hacia atrás, lo que prolonga su duración. Está hecho de un metal de baja densidad , como aluminio , berilio o una aleación de ambos (el aluminio es más fácil y seguro de moldear, y es dos órdenes de magnitud más barato; el berilio tiene una alta capacidad de reflexión de neutrones). Fat Man utilizó un empujador de aluminio.

La serie de pruebas del Experimento RaLa sobre conceptos de diseño de armas de fisión de tipo implosión, llevadas a cabo desde julio de 1944 hasta febrero de 1945 en el Laboratorio de Los Alamos y en un sitio remoto a 14,3 km (8,9 millas) al este del mismo en Bayo Canyon, demostraron la viabilidad del diseño de implosión para un dispositivo de fisión, y las pruebas de febrero de 1945 determinaron positivamente su utilidad para el diseño final de implosión de plutonio Trinity/Fat Man. ^{[ 18 ]}  

La clave de la mayor eficiencia de Fat Man residía en el impulso interno del enorme uranio-238. (El uranio natural no experimentó fisión por neutrones térmicos, pero sí contribuyó aproximadamente con un 20 % del rendimiento total por fisión con neutrones rápidos). Tras iniciarse la reacción en cadena en el plutonio, esta continuó hasta que la explosión revirtió el impulso de la implosión y se expandió lo suficiente como para detenerla. Al mantener todo unido durante unos cientos de nanosegundos más, el uranio aumentó la eficiencia.

pozo de plutonio

El núcleo de un arma de implosión (el material fisionable y cualquier reflector o elemento de manipulación adherido a él) se conoce como el pozo . Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron pozos hechos solo con U-235 , o en compuesto con plutonio , ^{[ 19 ]} pero los pozos de plutonio puro son los de menor diámetro y han sido el estándar desde principios de la década de 1960. Fundir y luego mecanizar plutonio es difícil no solo por su toxicidad, sino también porque el plutonio tiene muchas fases metálicas diferentes . A medida que el plutonio se enfría, los cambios de fase dan como resultado distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera aleándolo con 30–35 mMol (0,9–1,0% en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , lo que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperatura. ^{[ 20 ]} Al enfriarse desde el estado fundido, experimenta un único cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios que experimentaría de otro modo. Otros metales trivalentes también funcionarían, pero el galio tiene una sección transversal de absorción de neutrones pequeña y ayuda a proteger el plutonio contra la corrosión . Una desventaja es que los compuestos de galio son corrosivos.

Debido a la reactividad química del plutonio, es común recubrir el núcleo con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el riesgo de toxicidad. ^{[ 21 ]} El dispositivo utilizaba un recubrimiento galvánico de plata; posteriormente, se empleó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , ^{[ 21 ]} pero desde entonces, el oro se ha convertido en el material preferido. Los diseños recientes mejoran la seguridad recubriendo los núcleos con vanadio para hacerlos más resistentes al fuego.

La primera mejora en el diseño de Fat Man consistió en colocar un espacio de aire entre el compactador y el pozo para crear un impacto similar al de un martillo contra un clavo. Se decía que el pozo, sostenido por un cono hueco dentro de la cavidad del compactador, estaba "levitado". Las tres pruebas de la Operación Sandstone , en 1948, utilizaron diseños de Fat Man con pozos levitados. El mayor rendimiento fue de 49 kilotones, más del doble que el del Fat Man sin levitar. ^{[ 22 ]}

Enseguida quedó claro que la implosión era el mejor diseño para un arma de fisión. Su único inconveniente parecía ser su diámetro. Fat Man medía 1,5 metros (5 pies) de ancho, frente a los 61 centímetros (2 pies) de Little Boy.  

El cráter de Pu-239 de Fat Man tenía solo 9,1 centímetros (3,6 pulgadas) de diámetro, el tamaño de una pelota de sóftbol. La mayor parte del volumen de Fat Man correspondía al mecanismo de implosión, es decir, capas concéntricas de U-238, aluminio y explosivos de alta potencia. La clave para reducir ese volumen fue el diseño de implosión de dos puntos. 

En la implosión lineal de dos puntos, el combustible nuclear se moldea en forma sólida y se coloca en el centro de un cilindro de alto explosivo. Se colocan detonadores en ambos extremos del cilindro explosivo, y una placa insertada, o conformadora , se coloca en el explosivo justo dentro de los detonadores. Cuando se disparan los detonadores, la detonación inicial queda atrapada entre la conformadora y el extremo del cilindro, lo que provoca que se propague hacia los bordes de la conformadora, donde se difracta alrededor de los bordes hacia la masa principal del explosivo. Esto hace que la detonación forme un anillo que se propaga hacia el interior desde la conformadora. ^{[ 23 ]}

Debido a la falta de un mecanismo de control o lentes que guíen la detonación, esta no alcanza el núcleo con forma esférica. Para producir la implosión esférica deseada, el propio material fisionable se moldea para lograr el mismo efecto. Debido a la física de la propagación de la onda de choque dentro de la masa explosiva, esto requiere que el núcleo sea un esferoide alargado , es decir, con forma aproximadamente ovalada. La onda de choque alcanza primero el núcleo por sus extremos, empujándolos hacia adentro y provocando que la masa adquiera forma esférica. El choque también puede transformar el plutonio de fase delta a fase alfa, aumentando su densidad en un 23%, pero sin el impulso interno de una implosión propiamente dicha.

La falta de compresión hace que estos diseños sean ineficientes, pero su simplicidad y pequeño diámetro los hacen adecuados para su uso en proyectiles de artillería y municiones de demolición atómica (ADM), también conocidas como armas nucleares portátiles o de mochila ; un ejemplo es el proyectil de artillería W48 , el arma nuclear más pequeña jamás construida o desplegada. Todas estas armas de campo de batalla de bajo rendimiento, ya sean diseños de cañón U-235 o diseños de implosión lineal Pu-239, requieren una gran cantidad de material fisionable para lograr diámetros de entre seis y diez pulgadas (15 y 25  cm).

Un sistema de implosión más eficiente utiliza un pozo hueco.

El plan original para la bomba Fat Man de 1945 era un núcleo hueco de plutonio, pero no hubo tiempo suficiente para desarrollar y probar el sistema de implosión. Un diseño más sencillo con un núcleo sólido se consideró más fiable dadas las limitaciones de tiempo, pero requería un pesado dispositivo de compresión de U-238, un grueso empujador de aluminio y tres toneladas de explosivos de alta potencia.

Tras la guerra, resurgió el interés por el diseño de pozo hueco. Su ventaja evidente reside en que una cápsula hueca de plutonio, deformada por el impacto y empujada hacia su centro vacío, conservaría el impulso necesario para su violenta compactación como una esfera sólida. Sería autocompactable, lo que requeriría un compactador de U-238 más pequeño, sin empujador de aluminio y con menor cantidad de explosivo de alta potencia.

En un arma termonuclear de dos etapas, la energía de la etapa primaria impacta en la secundaria. Un modulador esencial de transferencia de energía, llamado etapa intermedia, situado entre la etapa primaria y la secundaria, protege el combustible de fusión de la secundaria para que no se caliente demasiado rápido, lo que podría provocar una explosión térmica convencional (y pequeña) antes de que las reacciones de fusión y fisión tengan la oportunidad de comenzar.

Hay muy poca información en la literatura abierta sobre el mecanismo de la etapa intermedia. Su primera mención en un documento del gobierno de EE. UU. publicado formalmente parece ser un pie de foto en un gráfico que promociona el Programa de Ojivas de Reemplazo Confiable en 2007. Si se construyera, este nuevo diseño reemplazaría el "material tóxico y quebradizo" y el "material 'especial' costoso" en la etapa intermedia. ^{[ 32 ]} Esta afirmación sugiere que la etapa intermedia podría contener berilio para moderar el flujo de neutrones del primario, y tal vez algo para absorber y reirradiar los rayos X de una manera particular. ^{[ 33 ]} También hay cierta especulación de que este material de la etapa intermedia, que podría tener el nombre en clave Fogbank , podría ser un aerogel , posiblemente dopado con berilio y/u otras sustancias. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

La etapa intermedia y la secundaria están encapsuladas juntas dentro de una membrana de acero inoxidable para formar el subconjunto encapsulado (CSA), una disposición que nunca se ha representado en ningún dibujo de código abierto. ^{[ 36 ]} La ilustración más detallada de una etapa intermedia muestra un arma termonuclear británica con un conjunto de elementos entre su primaria y una secundaria cilíndrica. Están etiquetados como "tapa final y lente de enfoque de neutrones", "carro reflector/cañón de neutrones" y "envoltura reflectora". El origen del dibujo, publicado en internet por Greenpeace, es incierto y no hay ninguna explicación que lo acompañe. ^{[ 37 ]}

La primera exploración sistemática de conceptos de diseño de armas nucleares tuvo lugar a mediados de 1942 en la Universidad de California, Berkeley . Importantes descubrimientos iniciales se habían realizado en el adyacente Laboratorio Lawrence Berkeley , como la producción y el aislamiento de plutonio mediante ciclotrón en 1940. Un profesor de Berkeley, J. Robert Oppenheimer , acababa de ser contratado para dirigir el programa secreto nacional de diseño de bombas. Su primera medida fue convocar la conferencia de verano de 1942.

Para cuando trasladó su operación a la nueva ciudad secreta de Los Alamos, Nuevo México, en la primavera de 1943, el conocimiento acumulado sobre el diseño de armas nucleares consistía en cinco conferencias del profesor de Berkeley Robert Serber , transcritas y distribuidas como el (clasificado pero ahora totalmente desclasificado y ampliamente disponible en línea como PDF) Manual de Los Alamos . ^{[ 85 ]} El Manual abordaba la energía de fisión, la producción y captura de neutrones , las reacciones nucleares en cadena , la masa crítica , los manipuladores, la predetonación y tres métodos de ensamblaje de una bomba: ensamblaje de cañón, implosión y "métodos autocatalíticos", el único enfoque que resultó ser un callejón sin salida.

En Los Alamos, Emilio Segrè descubrió en abril de 1944 que la bomba de ensamblaje Thin Man Gun propuesta no funcionaría con plutonio debido a problemas de predetonación causados ​​por impurezas de Pu-240 . Por lo tanto, Fat Man, la bomba de implosión, recibió alta prioridad como la única opción para el plutonio. Las discusiones en Berkeley habían generado estimaciones teóricas de la masa crítica, pero nada preciso. La principal tarea en Los Alamos durante la guerra fue la determinación experimental de la masa crítica, que tuvo que esperar hasta que llegaran cantidades suficientes de material fisionable de las plantas de producción: uranio de Oak Ridge, Tennessee , y plutonio del Sitio de Hanford en Washington.

En 1945, utilizando los resultados de experimentos de masa crítica, los técnicos de Los Alamos fabricaron y ensamblaron componentes para cuatro bombas: el Dispositivo Trinity , Little Boy, Fat Man y una Fat Man de repuesto sin usar. ^{[ 86 ]} Según el sitio web del Laboratorio Nacional de Los Alamos, el término "dispositivo" se usaba comúnmente durante la década de 1940 para describir dispositivos experimentales y de ingeniería con el fin de proteger el secreto en torno al proyecto. Los registros en el NSRC se refieren al "dispositivo de arma" (Little Boy) y al "dispositivo de implosión" (Fat Man), y al dispositivo Trinity como "El Dispositivo". ^{[ 87 ]}

Tras la guerra, quienes pudieron, incluido Oppenheimer, regresaron a la docencia universitaria. Quienes permanecieron en la universidad trabajaron en fosos levitados y huecos, y realizaron pruebas de efectos de armas como las de Crossroads Able y Baker en el atolón Bikini en 1946. ^{[ 88 ]}

Todas las ideas esenciales para incorporar la fusión nuclear a las armas nucleares surgieron en Los Alamos entre 1946 y 1952. Tras el avance de Teller-Ulam en 1951, gracias a su implosión radiactiva, se exploraron a fondo las implicaciones y posibilidades técnicas, pero se descartaron las ideas que no eran directamente relevantes para la fabricación de las bombas más grandes posibles para los bombarderos de largo alcance de la Fuerza Aérea.

Debido a la postura inicial de Oppenheimer en el debate sobre la bomba de hidrógeno, en contra de las grandes armas termonucleares, y a la suposición de que aún ejercía influencia sobre Los Alamos a pesar de su partida, los aliados políticos de Edward Teller decidieron que necesitaba su propio laboratorio para poder desarrollar bombas de hidrógeno. Para cuando se inauguró en 1952 en Livermore , California, Los Alamos ya había cumplido la función para la que fue diseñado Livermore.

Al no poder cumplir su misión original, el laboratorio de Livermore intentó nuevos diseños radicales que fracasaron. Sus tres primeras pruebas nucleares fueron un fiasco : en 1953, dos dispositivos de fisión de una sola etapa con núcleos de hidruro de uranio , y en 1954, un dispositivo termonuclear de dos etapas en el que la etapa secundaria se calentó prematuramente, demasiado rápido para que la implosión por radiación funcionara correctamente.

Cambiando de rumbo, Livermore optó por retomar ideas que Los Alamos habían descartado y desarrollarlas para el Ejército y la Armada. Esto llevó a Livermore a especializarse en armas tácticas de pequeño diámetro, particularmente aquellas que utilizaban sistemas de implosión de dos puntos, como el Swan. Las armas tácticas de pequeño diámetro se convirtieron en armas principales para armas secundarias de pequeño diámetro. Alrededor de 1960, cuando la carrera armamentística entre las superpotencias se convirtió en una carrera de misiles balísticos, las ojivas de Livermore resultaron más útiles que las grandes y pesadas ojivas de Los Alamos. Las ojivas de Los Alamos se utilizaron en los primeros misiles balísticos de alcance intermedio (IRBM), pero las ojivas más pequeñas de Livermore se utilizaron en los primeros misiles balísticos intercontinentales (ICBM) y misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM), así como en los primeros sistemas de ojivas múltiples en dichos misiles. ^{[ 89 ]}

En 1957 y 1958, ambos laboratorios construyeron y probaron tantos diseños como fue posible, previendo que la prohibición de pruebas prevista para 1958 pudiera volverse permanente. Para cuando se reanudaron las pruebas en 1961, los dos laboratorios se habían convertido en duplicados, y los trabajos de diseño se asignaban más en función de la carga de trabajo que de la especialización de cada laboratorio. Algunos diseños fueron objeto de intercambios. Por ejemplo, la ojiva W38 para el misil Titan I comenzó como un proyecto de Livermore, se le entregó a Los Alamos cuando se convirtió en la ojiva del misil Atlas , y en 1959 se devolvió a Livermore a cambio de la ojiva W54 Davy Crockett , que pasó de Livermore a Los Alamos.

Después de 1960, los diseños de las ojivas adoptaron el carácter de cambios de modelo, y cada nuevo misil recibía una nueva ojiva por razones de marketing. El principal cambio sustancial consistió en incorporar más uranio-235 fisionable en la ojiva secundaria, a medida que este se volvía más accesible gracias al continuo enriquecimiento de uranio y al desmantelamiento de las grandes bombas de alto rendimiento.

A partir de la instalación Nova en Livermore a mediados de la década de 1980, la actividad de diseño nuclear relacionada con la implosión impulsada por radiación se basó en la investigación sobre la fusión láser de impulso indirecto . Este trabajo formó parte del esfuerzo por investigar la fusión por confinamiento inercial . Un trabajo similar continúa en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), de mayor potencia . El Programa de Administración y Gestión de Reservas Nucleares (SAG) también se benefició de la investigación realizada en la NIF .

Una herramienta importante para el análisis de pruebas era la fibra óptica de diagnóstico. Una sonda dentro de un dispositivo de prueba podía transmitir información calentando una placa de metal hasta la incandescencia, un evento que podía ser registrado por instrumentos ubicados en el extremo de un tubo largo y muy recto.

La imagen inferior muestra el dispositivo Shrimp, detonado el 1 de marzo de 1954 en Bikini, como parte de la prueba Castle Bravo . Su explosión de 15 megatones fue la mayor jamás realizada por Estados Unidos. Se muestra la silueta de un hombre como referencia de escala. El dispositivo está sostenido desde abajo, en los extremos. Los tubos que entran al techo de la cabina de detonación, que parecen ser soportes, son en realidad tubos de luz de diagnóstico. Los ocho tubos del extremo derecho (1) enviaban información sobre la detonación del primario. Dos en el medio (2) marcaban el momento en que los rayos X del primario alcanzaban el canal de radiación alrededor del secundario. Los dos últimos tubos (3) registraban el momento en que la radiación alcanzaba el extremo opuesto del canal de radiación; la diferencia entre (2) y (3) representa el tiempo de tránsito de la radiación en el canal. ^{[ 91 ]}

Desde la cabina de lanzamiento, las tuberías giraban horizontalmente y recorrían 2,3 km (7.500 pies) a lo largo de una calzada construida sobre el arrecife Bikini hasta un búnker de recogida de datos controlado a distancia en la isla Namu.  

Si bien los rayos X normalmente viajarían a la velocidad de la luz a través de un material de baja densidad como el relleno del canal de espuma plástica entre (2) y (3), la intensidad de la radiación del primario en explosión crea un frente de radiación relativamente opaco en el relleno del canal, que actúa como un atasco lento que retarda el paso de la energía radiante . Mientras el secundario se comprime mediante ablación inducida por radiación, los neutrones del primario alcanzan a los rayos X, penetran en el secundario y comienzan a generar tritio mediante la tercera reacción mencionada en la primera sección. Esta reacción ⁶ Li + n es exotérmica y produce 5 MeV por evento. La bujía aún no se ha comprimido y, por lo tanto, permanece subcrítica, por lo que no se produce fisión ni fusión significativas. Sin embargo, si llegan suficientes neutrones antes de que se complete la implosión del secundario, la crucial diferencia de temperatura entre las partes exterior e interior del secundario puede degradarse, lo que podría provocar que el secundario no se encienda. La primera arma termonuclear diseñada por Livermore, el dispositivo Morgenstern, falló de esta manera cuando se probó como Castle Koon el 7 de abril de 1954. El primario se encendió, pero el secundario, precalentado por la onda de neutrones del primario, sufrió lo que se denominó una detonación ineficiente ; ^{[ 92 ] : 165} así, un arma con un rendimiento previsto de un megatón produjo solo 110 kilotones, de los cuales apenas 10 kt se atribuyeron a la fusión. ^{[ 93 ] : 316}

Estos efectos de sincronización, y los problemas que puedan ocasionar, se miden mediante datos de fibra óptica. Las simulaciones matemáticas que calibran se denominan códigos de hidrodinámica de flujo de radiación o códigos de canal. Se utilizan para predecir el efecto de futuras modificaciones de diseño.

No queda claro en los registros públicos el éxito de los tubos de luz Shrimp. El búnker de datos no tripulado se encontraba lo suficientemente lejos como para permanecer fuera del cráter de una milla de ancho, pero la explosión de 15 megatones, dos veces y media más potente de lo esperado, penetró en el búnker al arrancar su puerta de 20 toneladas de sus bisagras y lanzarla al interior del búnker. (Las personas más cercanas se encontraban a 32 kilómetros (20 millas) de distancia, en un búnker que sobrevivió intacto). ^{[ 94 ]} 

Los datos más interesantes de Castle Bravo provinieron del análisis radioquímico de los restos de armas en la lluvia radiactiva. Debido a la escasez de litio-6 enriquecido, el 60 % del litio en el reactor secundario Shrimp era litio-7 ordinario, que no genera tritio con la misma facilidad que el litio-6. Sin embargo, sí genera litio-6 como producto de una reacción (n, 2n) (un neutrón entra, dos neutrones salen), un hecho conocido, pero con una probabilidad desconocida. La probabilidad resultó ser alta.

El análisis de la lluvia radiactiva reveló a los diseñadores que, con la reacción (n, 2n), el reactor secundario Shrimp contenía efectivamente dos veces y media más litio-6 de lo esperado. El tritio, el rendimiento de fusión, los neutrones y el rendimiento de fisión aumentaron en consecuencia. ^{[ 95 ]}

Como se mencionó anteriormente, el análisis de la lluvia radiactiva de Bravo también reveló al mundo exterior, por primera vez, que las bombas termonucleares son más dispositivos de fisión que de fusión. Un barco pesquero japonés, el Daigo Fukuryū Maru , regresó a puerto con suficiente lluvia radiactiva en su cubierta como para permitir a científicos en Japón y otros lugares determinar y anunciar que la mayor parte de la lluvia radiactiva provenía de la fisión del U-238 por neutrones de 14 MeV producidos por fusión.

La alarma mundial por la lluvia radiactiva, que comenzó con el incidente de Castle Bravo, acabó obligando a realizar ensayos nucleares literalmente bajo tierra. El último ensayo estadounidense en superficie tuvo lugar en la isla Johnston el 4 de noviembre de 1962. Durante las tres décadas siguientes, hasta el 23 de septiembre de 1992, Estados Unidos llevó a cabo un promedio de 2,4 explosiones nucleares subterráneas al mes, casi todas en el Sitio de Pruebas de Nevada (NTS), al noroeste de Las Vegas.

La sección de Yucca Flat del NTS está cubierta de cráteres de subsidencia resultantes del colapso del terreno sobre cavernas radiactivas creadas por explosiones nucleares (ver foto).

Tras el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares (TPTE) de 1974, que limitaba las explosiones subterráneas a 150 kilotones o menos, las ojivas como la W88 de medio megatón debían probarse a una potencia inferior a la máxima. Dado que la ojiva primaria debe detonarse a plena potencia para generar datos sobre la implosión de la secundaria, la reducción de la potencia debía provenir de esta última. La sustitución de gran parte del combustible de fusión de deuteruro de litio-6 por hidruro de litio-7 limitó el tritio disponible para la fusión y, por lo tanto, la potencia total, sin alterar la dinámica de la implosión. El funcionamiento del dispositivo podía evaluarse mediante guías ópticas, otros dispositivos de detección y el análisis de los restos de armas atrapados. La potencia total del arma almacenada podía calcularse por extrapolación.

Es intrínsecamente peligroso poseer un arma que contenga una cantidad y forma de material fisionable que pueda alcanzar una masa crítica mediante un accidente relativamente simple. Debido a este peligro, el propelente de Little Boy (cuatro bolsas de cordita ) se introdujo en la bomba en pleno vuelo, poco después del despegue el 6 de agosto de 1945. Esta fue la primera vez que se ensambló por completo un arma nuclear de tipo cañón.

Si el arma cae al agua, el efecto moderador del agua puede provocar un accidente crítico , incluso sin que el arma sufra daños físicos. Del mismo modo, un incendio provocado por el accidente de una aeronave podría fácilmente encender el propelente, con consecuencias catastróficas. Las armas de fuego siempre han sido intrínsecamente inseguras.

Ninguno de estos efectos es probable con las armas de implosión, ya que normalmente no hay suficiente material fisionable para formar una masa crítica sin la detonación correcta de las lentes. Sin embargo, las primeras armas de implosión tenían cavidades tan cercanas a la criticidad que la detonación accidental con cierta potencia nuclear era motivo de preocupación.

El 9 de agosto de 1945, la bomba Fat Man fue cargada en su avión completamente ensamblada, pero posteriormente, cuando los pozos levitados crearon un espacio entre el pozo y el manipulador, fue posible utilizar la inserción del pozo en pleno vuelo. El bombardero despegaría sin material fisionable en la bomba. Algunas armas de implosión más antiguas, como las Mark 4 y Mark 5 estadounidenses , utilizaban este sistema.

La inserción del cartucho en vuelo no funcionará si el cartucho hueco está en contacto con su manipulador.

Como se muestra en el diagrama anterior, un método para disminuir la probabilidad de una detonación accidental consistía en el uso de bolas metálicas . Estas bolas se introducían en el foso, lo que, al aumentar la densidad del mismo, impedía la detonación y, por consiguiente, la implosión simétrica en caso de accidente. Este diseño se empleó en el arma Green Grass, también conocida como Arma Megatón Provisional, utilizada en las bombas Violet Club y Yellow Sun Mk.1 .

Como alternativa, el pozo puede "asegurarse" rellenando su núcleo, normalmente hueco, con un material inerte como una fina cadena metálica, posiblemente de cadmio para absorber neutrones. Mientras la cadena se encuentra en el centro del pozo, este no puede comprimirse hasta adquirir la forma adecuada para la fisión; cuando se va a armar el arma, se retira la cadena. De igual modo, aunque un incendio grave podría detonar los explosivos, destruyendo el pozo y dispersando plutonio para contaminar el entorno, como ha ocurrido en varios accidentes con armas nucleares , no podría provocar una explosión nuclear.

Si bien la detonación de un solo detonador entre muchos no provocará que un pozo hueco alcance la criticidad, especialmente un pozo hueco de baja masa que requiere refuerzo, la introducción de sistemas de implosión de dos puntos convirtió esa posibilidad en una preocupación real.

En un sistema de dos puntos, si un detonador se activa, un hemisferio completo del cráter implosionará según lo previsto. La carga explosiva que rodea el otro hemisferio explotará progresivamente, desde el ecuador hacia el polo opuesto. Idealmente, esto comprimirá el ecuador y separará el segundo hemisferio del primero, como la pasta de dientes en un tubo. Para cuando la explosión lo envuelva, su implosión estará separada, tanto en el tiempo como en el espacio, de la implosión del primer hemisferio. La forma resultante de mancuerna, con cada extremo alcanzando la máxima densidad en un momento diferente, podría no llegar a ser crítica.

No es posible predecir el resultado final mediante un ensayo. Tampoco es posible hacerlo con una réplica de U-238 y cámaras de rayos X de alta velocidad, aunque dichas pruebas resultan útiles. Para una determinación definitiva, es necesario realizar una prueba con material fisionable real. Por consiguiente, a partir de 1957, un año después de Swan, ambos laboratorios comenzaron a realizar pruebas de seguridad puntuales.

De las 25 pruebas de seguridad de un solo punto realizadas en 1957 y 1958, siete tuvieron un rendimiento nuclear nulo o leve (éxito), tres tuvieron altos rendimientos de 300 t a 500 t (fallo grave) y el resto tuvieron rendimientos inaceptables entre esos extremos.

La bomba W47 de Livermore generaba rendimientos inaceptablemente altos en las pruebas de un solo punto. Para evitar una detonación accidental, Livermore decidió utilizar un sistema de seguridad mecánico en la W47. El sistema de seguridad de alambre que se describe a continuación fue el resultado.

Cuando se reanudaron las pruebas en 1961, y continuaron durante tres décadas, hubo tiempo suficiente para que todos los diseños de ojivas fueran intrínsecamente seguros en un solo punto, sin necesidad de sistemas de seguridad mecánicos.

En la última prueba antes de la moratoria de 1958, se descubrió que la ojiva W47 para el misil balístico lanzado desde submarino Polaris no era segura en un punto, produciendo un rendimiento nuclear inaceptablemente alto de 200 kg (440 lb) de equivalente de TNT (Hardtack II Titania). Con la moratoria de pruebas en vigor, no había forma de refinar el diseño y hacerlo inherentemente seguro en un punto. Se ideó una solución que consistía en un alambre recubierto de boro insertado en el hueco del arma durante su fabricación. La ojiva se armaba extrayendo el alambre en un carrete accionado por un motor eléctrico. Una vez extraído, el alambre no podía volver a insertarse. ^{[ 96 ]} El alambre tendía a volverse quebradizo durante el almacenamiento y a romperse o atascarse durante el armado, impidiendo su extracción completa y convirtiendo la ojiva en un proyectil defectuoso. ^{[ 97 ]} Se estimó que entre el 50 y el 75 % de las ojivas fallarían. Esto requirió una reconstrucción completa de todas las ojivas primarias W47. ^{[ 98 ]} El aceite utilizado para lubricar el alambre también promovió la corrosión de la picadura. ^{[ 99 ]}  

En el sistema de enlace fuerte/enlace débil, los enlaces débiles se construyen entre componentes críticos de las armas nucleares (los enlaces duros). En caso de accidente, los enlaces débiles están diseñados para fallar primero, impidiendo la transferencia de energía entre ellos. Si un enlace duro falla transfiriendo o liberando energía, esta no podrá transferirse a otros sistemas de armas, lo que podría desencadenar una detonación nuclear. Los enlaces duros suelen ser componentes críticos de las armas reforzados para resistir entornos extremos, mientras que los enlaces débiles pueden ser tanto componentes insertados deliberadamente en el sistema para actuar como enlaces débiles, como componentes nucleares críticos que pueden fallar de forma predecible.

Un ejemplo de punto débil sería un conector eléctrico que contiene cables fabricados con una aleación de bajo punto de fusión. En caso de incendio, esos cables se derretirían, interrumpiendo cualquier conexión eléctrica.

Un enlace de acción permisiva es un dispositivo de control de acceso diseñado para prevenir el uso no autorizado de armas nucleares. Los primeros enlaces de acción permisiva eran simples interruptores electromecánicos y han evolucionado hasta convertirse en complejos sistemas de armado que incluyen opciones integradas de control de potencia, dispositivos de bloqueo y dispositivos antimanipulación.

 Este artículo incorpora texto de una obra de contenido libre . Texto tomado de Preguntas frecuentes sobre armas nucleares: 1.6 , Carey Sublette.