Armas nucleares de fusión

Para la correcta comprensión de este artículo, aconsejo encarecidamente la lectura de su predecesor, en el que trato los aspectos y diseño de las armas nucleares de fisión. Muchos conceptos minuciosamente explicados en él, se dan aquí por conocidos.

Armas nucleares de fisión

Por otra parte, conviene aclarar que este artículo iba a englobar en principio a las armas de fusión y sus derivados, que a día de hoy vienen a representar la gran mayoría de tipos de armas nucleares. No obstante, para una mayor organización dentro de la web, ha sido dividido y solo se recogerán los aspectos de las armas de fusión en su forma más básica hasta el diseño de etapas múltiples. Sus derivados y aplicaciones se tratarán en otro artículo.

La limitación de las armas nucleares de fisión

Tras el desarrollo de las primeras armas nucleares basadas en la fisión, en 1945 por parte de Estados Unidos, se comenzó a buscar un incremento en la potencia destructiva de estos artefactos. No obstante ya se había alcanzado el diseño más eficiente, el ensamblaje de implosión y esto se había hecho en el primer dispositivo detonado, Gadget (Detonación Trinity). En sus primeras versiones, su eficiencia rondaba entre el 16 y 17 % de material fisible fisionado antes de que el resto se dispersase por la explosión. Con las mejoras posteriores como el incremento del número de lentes explosivas, métodos de detonación de éstas o núcleos levitados se lograron eficiencias en torno al 20%.

Una vez alcanzada la máxima eficiencia, solo quedaba aumentar la cantidad de material fisible, pero ésta tenía un límite. A partir de cierta cantidad de material fisible, se alcanza la masa crítica, es decir se inicia la reacción en cadena de forma espontánea. Por otro lado, sin llegar a este límite usando masas por debajo de la crítica pero cercanas, la eficiencia se veía reducida al provocarse una predetonación durante la fase de compresión del núcleo. La mayor detonación conocida de un arma de fisión fue la estadounidense Ivy King (Operación Ivy, detonación King. El nombre se eligió por la K de Kilotón) el 15 de noviembre de 1952 con una potencia de 500 Kt (Kilotones, 1 Kt = Equivalencia explosiva de1.000 toneladas de TNT). Para lograr semejante potencia se recurrió a un núcleo de 60 kilogramos de Uranio altamente enriquecido. Esta cantidad superaba la masa crítica, por lo que se incluyeron muchas medidas de seguridad, como la introducción de aluminio y boro en el núcleo para absorber el gran número de neutrones susceptibles de iniciar la reacción en cadena. Estos elementos fueron retirados justo antes del lanzamiento desde un bombardero B-36H. Por otra parte, también se recurrió a algunos sistemas para optimizar el rendimiento, como el uso de un total de 92 lentes explosivas, el límite práctico.

Ivy King, la mayor detonación de fisión pura

A pesar de esta limitación se siguieron construyendo armas nucleares de fisión para propósitos especiales o simplemente donde no se requiriesen grandes potencias.

La fusión nuclear

Como ya hemos comentado, el principal problema de las armas de fisión es que, partiendo de la cantidad de neutrones liberados por la reacción en cadena, el material que se fisiona es de tan solo el 20% antes de que se disperse por la explosión y la reacción en cadena se detenga (Deja de ser una masa supercrítica). Una forma de paliar este efecto de forma parcial es aumentando la cantidad de neutrones emitidos en el inicio de la explosión.

Las armas de fisión se basan en una reacción en cadena de la división de núcleos atómicos pesados (gran número de neutrotes y protones). Cada división, además de dar lugar a dos nuevos núcleos atómicos, genera neutrones libres que impactarán y dividirán otros núcleos pesados y produce radiaciones altamente energéticas responsables de la explosión. Iniciar esta reacción en cadena no era complicado como vimos en el anterior artículo. Pero además de la reacción de fisión, existe otra capaz de liberar grandes cantidades de energía, la reacción de fusión.

La fusión nuclear se basa en la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. La reacción más básica y con la cual se comenzó a experimentar para estas armas es la siguiente;

D + T => He-4 + n + Energía

Donde

D = Núcleo de deuterio
T = Núcleo de tritio
He-4 = Núcleo de Helio-4
n = Neutrón

Diagrama de la reacción

Tanto el deuterio como el tritio son isótopos del hidrógeno. En el primero, el núcleo consta de un protón y un neutrón, mientras que en el segundo consta de un protón y dos neutrones. El deuterio se encuentra en la naturaleza en pequeñas cantidades (Un átomo de deuterio por cada 6.500 de hidrógeno) y puede ser aislado para su posterior uso mediante multitud de procesos. Como ya se comentó, los isótopos mantienen las propiedades químicas de sus “hermanos”, por lo que por ejemplo, se combina con oxígeno para dar lugar a D2O, más comúnmente conocida como agua pesada. Esto es por que al contener una partícula más en su núcleo, los compuestos resultantes pesan más que los que contienen hidrógeno en lugar de deuterio.

Por su parte, el tritio se encuentra en trazas minúsculas en la naturaleza y es necesario producirlo de forma artificial por transmutación de otros elementos. La forma más habitual es bombardeando núcleos de Litio 6 con neutrones, lo que genera un núcleo de tritio y uno de helio-4 en cada colisión. Este proceso es muy complicado, por lo que el tritio es un material extremadamente caro. Por otro lado también es efímero ya que su vida media (El tiempo transcurrido hasta que la mitad de sus núcleos se hayan desintegrado) es de 12,355 años.

Si una mezcla de deuterio y tritio se somete a las presiones y temperaturas de una reacción nuclear de fisión, los núcleos de éstos de fusionarán dando lugar a la reacción anteriormente descrita y liberando una enorme energía (17.588 MeV cada fusión).

Esta reacción podía dar lugar a una nueva generación de bombas extremadamente potentes, pero aún era pronto para desarrollarlas a escala completa y se comenzó aplicándola a la mejora del rendimiento en las armas de fisión.

George tras 20 milisegundos de la detonación

Fue con la detonación George (Operación Greenhouse) cuando Estados unidos comenzó a experimentar con esta nueva reacción nuclear. Para lograr las condiciones necesarias para que se iniciase la fusión nuclear se diseñó una bomba de fisión algo tosca pero efectiva para el fin que se la requería, lograr grandes presiones y temperaturas en un punto determinado. El dispositivo consistía en un disco grueso de 2,6 metros de diámetro y 0,65 metros, forma que le valió el apodo de “El cilindro”. En su centro se encontraba una cavidad en la que se introducía una esfera que contenía la mezcla de deuterio y tritio. Rodeándola se encontraba el núcleo de uranio enriquecido y el sistema de implosión, destinado a concentrar toda su energía sobre la cavidad. El 8 de mayo de 1951, la explosión de George desarrolló 225 Kt, siendo la aportación de la fusión mínima, pero quedó patente de que tal reacción podía tener lugar de forma artificial.

Vídeo de Greenhouse George. Click para ver

Cabe señalar que en el centro de las reacciones de fusión a gran escala en las armas nucleares se dan temperaturas del orden de 300 millones de grados centígrados, que contrastan con las que se dan en el centro del sol, en torno a 15 millones de grados. Es por esto que estas armas también reciben el nombre de armas termonucleares (Asimismo también son llamadas Bombas H ya que utilizan isótopos del Hidrógeno). Y es que la temperatura juega un papel crucial en estas reacciones. Mientras que las reacciones de fisión se auto-sostienen mediante la emisión de neutrones en cada división (reacción en cadena), en las de fusión se requiere de altas temperaturas y presiones para que se fusionen los núcleos. Una vez iniciada la reacción, la energía liberada por la misma es suficiente para que se mantenga y de lugar a la fusión del resto del material.