1.3- La masa supercrítica

Una vez iniciada la reacción en cadena gracias a los neutrones, el U-235 comenzaba a desintegrarse. Por término medio, la fisión de un núcleo de este isótopo genera 2,52 neutrones (Obviamente siempre son cantidades enteras, esto es solo un cálculo estadístico). Junto con los neutrones se libera gran cantidad de energía que calienta enormemente la masa y la expande. Recordemos que uno de los factores para alcanzar la masa supercrítica es la densidad, y al expandirse el material fisible, se pierde ese estado, reduciéndose rápidamente el número de desintegraciones hasta cortarse la reacción en cadena. Al aumentar de volumen la masa, los neutrones tendrán menos posibilidades de impactar en un núcleo y escaparán fácilmente por la superficie. Es por esto que en el diseño se intenta lograr el máximo de fisiones en el menor tiempo posible.

1.4- El “tamper”/reflector de neutrones

Bomba penetradora. Nótese su forma alargada por estar basada en el ensamblaje de cañón

El problema de la expansión de la masa supercrítica supone una gran disminución en el rendimiento de la bomba, entendiéndose por rendimiento el porcentaje de material que se ha fisionado antes de que la reacción se corte. Una forma de remediarlo es retrasando la expansión, “sujetando” la masa supercrítica. Un símil sería rodear un globo de goma con una capa de acero para evitar que pudiera hincharse más. En el caso de la bomba nuclear, este dispositivo se conoce como “tamper” (Algo así como apisonadora en castellano). Obviamente, esta cubierta que rodea el material fisible se desintegra al poco de la explosión, pero a pesar de esto, dada la velocidad a la que se desarrolla la reacción en cadena, este corto lapso de tiempo es suficiente para mejorar el rendimiento.

Ya que la función del tamper es retener la expansión, debe estar fabricado en un material duro y denso para resistir el mayor tiempo posible la presión interna que sufrirá. En Little Boy la pieza/objetivo se rodeó con un grueso bloque de carburo de wolframio, y a su vez éste fue rodeado de acero dando un espesor total de 0,6 metros. En total, el tamper de Little Boy pesaba 2.300 kilogramos. Hay que señalar que esta pieza era la que hacía que la pieza/objetivo de la bomba fuese un objetivo ciego, como era este caso.

Sin embargo, para que sea efectivo, este blindaje a de cubrir toda la masa de material fisible, si bien, el que cubría al objetivo respetaba el orificio de entrada del proyectil. Para subsanar esto, al proyectil se le incluyeron sendos discos de carburo de wolframio y acero de forma que al ensamblarse con el objetivo, el tamper quedase totalmente cerrado. Además de este agregado, al proyectil se le incluyó un collar externo de boro, una especie de sabot (Zueco o casquillo para aumentar el calibre de determinados proyectiles como los APFSDS por ejemplo) que evitaba la reflexión de los neutrones emitidos por este contra la superficie del cañón y que podrían afectar negativamente al proceso. El cañón se estrechaba justo antes de la entrada en el objetivo para atascar ahí el sabot y que solo penetrase el proyectil.

A pesar del uso de este sistema para incrementar el porcentaje de fisiones, el rendimiento de Littel Boy fue de solo el 1,4% que en términos absolutos se traduce en aproximadamente 15 Kilotones (El equivalente a la detonación de 15 mil toneladas de explosivo TNT). Esto se debe a que el ensamblaje de cañón es el más ineficaz, pero se usó debido a su simpleza y fiabilidad.

Otra función de este blindaje es la de reflejar neutrones, colaborando también así a mejorar el rendimiento. A pesar del estado de masa supercrítica alcanzado, un buen porcentaje de neutrones escapa por la superficie del material fisible de forma que ya no contribuirán a la reacción en cadena, por lo que si son reflejados y devueltos a la masa de material, tendrán la posibilidad de fisionar otros núcleos. La capa de material con la capacidad de devolver a los neutrones a la reacción, recibe el nombre de reflector de neutrones, si bien, hay materiales que pueden cumplir con la función de tamper y reflector de neutrones. Es el caso del U-238. Este elemento es muy usado para esta labor al cumplir con esa doble función. Además, aplicado a este fin, el U-238 tiene la virtud de que además de reflejar los neutrones, al ser golpeados sus núcleos con neutrones rápidos (El U-238 es de fisión rápida), emite neutrones que contribuyen a la reacción en cadena junto a los reflejados. Por todo esto, el reflector de neutrones favorece el descenso de la masa crítica/supercrítica logrando la obtención de éstas con menor cantidad de material fisible. En Littel Boy no pudo usarse este material ya que su elevado ratio de desintegración hace que emita un gran número de neutrones que perjudicarían a la fisión en este tipo de ensamblaje.

Finalmente, comentar que el tamper sirve también para evitar que la emisión radiactiva del material fisible escape al exterior perjudicando la salud de los operarios de la bomba.

Esquema genérico de una bomba de fisión basada en el ensamblaje de cañón

1.5- Otros modelos de ensamblaje de cañón

Littel Boy ha sido usada como ejemplo por basarse en el sistema de ensamblaje de cañón más simple, pero a pesar de que este método se mostró bastante menos eficiente que otros, comparado con el ensamblaje de implosión por ejemplo, se siguió usando y desarrollando. Por un lado para aplicaciones especiales, y por otro, en países que iniciaban su programa nuclear. Un ejemplo de para que es preferible este ensamblaje es para las bombas nucleares lanzadas como proyectil de artillería. En este vídeo que puede descargar aquí (Boton derecho y "..Guardar como" - 11 Mb - Requiere DivX), se recoje la prueba nuclear Grable, donde un obús de 280 mm que contiene una cabeza nuclear es disparado desde una pieza de artillería pesada. La arquitectura del ensamblaje de cañón es lineal, alargada, lo que la hace apta para ser alojada en un proyectil dada la similitud de dimensiones. Su longitud vendría delimitada por la del obús. Por el contrario, el más eficiente ensamblaje de implosión posee una arquitectura esférica, por lo que su anchura máxima vendría delimitada por el calibre del obús, limitando seriamente la potencia del artefacto.

Uno de los primeros desarrollos fue el de ensamblaje de doble cañón. En lugar de recurrir al binomio objetivo estático - proyectil, se recurría a dos proyectiles. Ambos de masa subcrítica se unían formando una supercrítica. Una de sus ventajas era el hecho de que al moverse los dos, la velocidad de cada uno solo tenía que ser la mitad de la de impacto, ya que al acercarse, ambas se sumaban. Reduciendo la velocidad, se podía recurrir a un cañón más ligero, aunque si primaba la reducción de tamaño, estos podían acortarse volviéndose a cañones de paredes gruesas para resistir la presión necesaria para conseguir la velocidad deseada en una distancia corta. Otra versión consiste en mantener el binomio objetivo - proyectil pero en este caso, el objetivo también sería lanzado con cañón.

Una forma de remediar la capacidad máxima de material fisible en la masa subcrítica del objetivo fue dándole a ésta forma de anillo y ampliando considerablemente la cavidad destinada a alojar el proyectil, de forma que éste entrase con gran holgura. Al ser la pieza mucho más grande sin variar su masa, su densidad total se reducía, por lo que la cantidad de material fisible necesario para alcanzar la masa crítica aumentaba notablemente. Rodeado el objetivo por el tamper, se rodeaba a su vez de alto explosivo cuya detonación se coordinaba con la entrada del proyectil, comprimiéndose así y desapareciendo la holgura. Como la unión final venía de mano de la compresión generada por los explosivos, era muy rápida y se eliminaban así los problemas de una posible predetonación.

1.6- Conclusiones

El ensamblaje de cañón se perfiló como poco eficaz desde el principio y dada la dificultad en la obtención del material fisible y el elevado costo de estas armas, casi fue desechado por los Estados Unidos antes de que terminase la Segunda Guerra Mundial. EL otro sistema recientemente propuesto en Oak Ridge, el de implosión era mejor a todas luces. Además de la inseguridad que presentaba al recurrir a propelentes fáciles de iniciar como la cordita que contrasta con las estabilidad del alto explosivo usado en otros ensamblajes, existía el riesgo de predetonación, pudiendo reducir gravemente el efecto de la bomba, y que se multiplicaba de forma importante en un escenario de guerra nuclear, al facilitar las explosiones cercanas el inicio de la reacción en cadena.

W-33

No obstante, si una clara ventaja tiene el ensamblaje de cañón frente al resto es su simplicidad y con diferencia, lo cual lo hace enormemente atractivo para potencias nucleares emergentes. Por otra parte, en el teatro de operaciones que se perfilaba en la época, existían bastantes aplicaciones, lo que ha hecho perdurar a este sistema hasta nuestros días. Un ejemplo es el proyectil de artillería W-33 que consistía en una bomba de fisión basada en el ensamblaje de doble cañón y que ha estado en el inventario estadounidense hasta Septiembre de 1992.