2- Ensamblaje de implosión

Cuando se comenzó el desarrollo de las primeras armas nucleares, las teorías físicas de su funcionamiento no le llevaban demasiada ventaja al diseño de los artefactos, por lo que al tiempo de haberse iniciado el programa de la bomba de cañón, apareció una nueva teoría que nada tenía que ver con el sistema de unir las dos masas subcríticas.

Como ya se dijo, siempre hay que trabajar con masas subcríticas para evitar que se inicie la reacción en cadena de forma espontánea. Por otro lado, para conseguir la masa supercrítica, hay que garantizar que un neutrón se va a encontrar en su camino con un núcleo atómico antes que escapar por la superficie del material. Esto se logra de dos formas, agregando masa al bloque de material, colocando así muchos más núcleos por medio, o bien aumentando la densidad del material para que no existan grandes áreas vacías. Este segundo método es el aplicado en las bombas basadas en la implosión. Si una masa subcrítica se comprime lo suficiente, pasará a ser una masa supercrítica.

El ensamblaje de implosión se basa en comprimir una esfera (Forma usada en la mayoría de este tipo de bombas) de material fisible usando explosivos. Al principio del artículo se citaba la relación entre la densidad y la masa crítica. Un ejemplo práctico sería el de comprimir una esfera de material fisible con masa subcrítica pero muy cercana a la crítica, a la mitad de su volumen, es decir, comprimirla el doble. Si aplicamos esta relación, 2 al cuadrado nos da 4, por tanto, el valor para la masa crítica de ese elemento se reduce a la cuarta parte, y al mantenerse la cantidad, donde antes había una masa subcrítica, ahora tenemos casi 4 veces la crítica.

Muestras de Pu-239 usadas en Fatman, la bomba lanzada sobre Nagasaki

El ensamblaje de implosión casi vino de la mano con el descubrimiento de un nuevo material fisible, el plutonio. Concretamente en el isótopo Pu-239 (94 protones y 245 neutrones). Durante el proyecto Manhattan, el principal problema al que se enfrentaban los diseñadores de la bomba era la escasez de material fisible, ya que el uranio era difícil de enriquecer, y por otro lado, el ensamblaje de cañón requería grandes cantidades de material fisible para alcanzar la masa supercrítica. El Pu-239 se mostró mucho más apto para su uso en armas nucleares, ya que emitía más neutrones por fisión que el U-235 (Un promedio de 2,95 neutrones por cada núcleo fisionado). Por otro lado, mientras que el enriquecimiento de uranio se basaba en incrementar el porcentaje de U-235 en la mezcla de diferentes isótopos mediante técnicas lentas y costosas, el Pu-239 se fabricaba en reactores bombardeando U-238 con neutrones lentos. El núcleo de U-238 absorbía el neutrón y a lo pocos minutos, un neutrón del núcleo se transformaba en un protón (Mediante la emisión de éste de un electrón), por lo que se pasaba a un átomo de Neptunio Np-239 (93 protones). Finalmente, pasados un par de días, nuevamente un neutrón emitía un electrón pasándose a Pu-239.

Resumiendo lo anterior, mientras que con el uranio, había que aislar el material fisible, con el plutonio, era éste el que se producía, obteniéndose un producto bastante puro. El principal contaminante del producto obtenido era el Pu-240, generado por núcleos de Pu-239 que absorbieron un neutrón sin fisionarse. Es la concentración de este isótopo la que se usa como referencia para indicar el grado de pureza. En armas nucleares, suele usarse un plutonio con un porcentaje máximo del 6,5% de Pu-240.

El hecho de ser más fisible y de usarse en concentraciones mucho más altas de material fisible hacen que el Pu-239 tenga una masa crítica mucho menor a la del U-235. Concretamente, una esfera de P-239 puro alcanzaría la masa crítica con 10,5 kilogramos de este material, frente a los 41 kilogramos del uranio. Es por esto, que nada más plantearse su uso combinado con el ensamblaje de implosión, casi se abandonase el proyecto de Little Boy. Dicho esto hay que señalar que para el ensamblaje de implosión, son válidos tanto el Pu-239 como el U-235, mientras que en el de cañón, el elevado índice de fisión del plutonio (Sobre todo por su contenido en Pu-240, muy activo) limitaría su uso notablemente desaconsejándolo, ya que se requieren tiempos de ensamblaje muy cortos.

A primera vista, este sistema presenta unas claras ventajas. Al conseguirse la masa supercrítica con un material muy denso y por ende con poco volumen, su superficie será mucho menor, y menos neutrones escaparán por ella. Por otro lado se reduce notablemente el espacio vacío entre núcleos, lo que garantiza que un número mucho mayor de éstos será impactado por los neutrones, que tendrán que recorrer menos distancia y que por lo tanto, la reacción se desarrollará más rápido, fisionándose mucho más material antes de que la reacción en cadena se corte por la expansión del material fisible. Todo esto ofrece un rendimiento mucho mayor. Por otro lado, con el ensamblaje de cañón, el total de material fisible debía ser igual o superior a una masa supercrítica. Con este sistema se parte de una sola masa subcrítica, estableciéndose el mínimo de material fisible necesario para lograr la explosión nuclear muy por debajo del mínimo necesario para el otro ensamblaje.

Gadget en su proceso de montaje

Por contra, el ensamblaje de implosión presenta una gran complejidad que viene dada principalmente por la precisión que se requiere en todos los aspectos de su funcionamiento. En este caso, se usará como modelo para las explicaciones la bomba Gadget, más conocida como Trinity, aunque realmente con este nombre se hace referencia a la detonación. Esta fue la primera detonación nuclear de la historia y fue seguida por Little Boy y más tarde Fat Man. Por su simpleza, Little Boy sería lanzada sin probar antes su funcionamiento con una detonación a escala real. Pero la falta de material fisible hizo que se prescindiese del ensamblaje de cañón volcándose los recursos en la implosión. Fat Man, la segunda bomba destinada Japón, usaba este ensamblaje, pero dada su complejidad, no estaban seguros de que funcionase y había que probarlo primero y de ahí nació Gadget, el demostrador del ensamblaje de implosión. Entre otras cosas hubo que controlar algo tan tosco como la detonación de explosivos de alto índice hasta darle una forma totalmente predefinida a su onda expansiva. Veámoslo;

2.1- Lentes explosivas

En Gadget, y en la mayoría de bombas nucleares basadas en la implosión, el material fisible es una pieza esférica. Para lograr que esa cantidad de material fisible pase de masa subcrítica a supercrítica mediante el aumento de densidad, hay que aplicar presión en toda su superficie. Una vez alcanzado ese estado, la reacción en cadena puede iniciarse, pero ya vimos en el sistema de cañón la importancia de que todo se desarrolle en el menor tiempo posible, por lo que una gran presión en un corto periodo de tiempo solo podía lograrse con explosivos. Por otra parte se utilizaba un tamper para evitar la expansión de la masa. En este ensamblaje además de eso, hay que procurar que el material fisible conserve su forma esférica ya que si presenta deformidades como abultamientos, la superficie será mayor, y la densidad no será la misma en todos sitios, perdiéndose rendimiento. Además, la onda de choque debe ser idéntica en toda su superficie y simultanea en todos sus puntos. Otro requisito que debía poseer la onda de choque era el de presentar la forma de la esfera al impactar en su superficie. Para lograr todo esto, se recurrió al sistema de lentes explosivas.

Una lente, una lupa por ejemplo, desvía los rayos de luz al ser de un material de diferente densidad al aire (O al medio en el que se utilice). Dependiendo de su diseño, los desviará de una forma u otra. Al detonar un explosivo su onda de choque tiende a expandirse, de ahí su nombre, expansiva. Concretamente, ésta tiene forma de esfera ubicándose en su centro el explosivo detonado, es convexa. Pero para comprimir eficazmente la esfera de material fisible ha de tener su misma forma, es decir, cóncava. Las lentes explosivas reciben su nombre por la función que realizan, alterar la dirección de la explosión, más concretamente, alterar su expansión divergente transformándola en convergente.

El modelo básico de lente consiste en un cono hueco fabricado con explosivo rápido y relleno con un explosivo más lento. La detonación se inicia en el centro de la base, por lo que el explosivo lento comienza a reaccionar generando la típica onda divergente/ convexa. Cuando se ha consumido parte de este, comienza a reaccionar el rápido. El “cenit” de la onda expansiva se encuentra aproximadamente a medio camino del cono, y los bordes inferiores más alejados, en la base del cono, donde se inicia el rápido. Al tener este una velocidad de detonación mayor, los bordes de la onda avanzan más rápido que su cenit, acercando distancias hasta volverse una onda plana para terminar como una onda convergente/cóncava al detonar todo el cono. La curvatura final de la onda la decide el ángulo que forman las aristas con el eje central. A más agudo, mas acusada será la curvatura.

Diagrama de una lente explosiva teórica