Armas nucleares de fusión de dos etapas (Implosión por radiación)

Bien, ya sabemos como libera la reacción de fusión la energía, pero para llegar a esto primero hay que iniciar la reacción, lo cual no es fácil dadas las condiciones requeridas. Para explicar el proceso nos guiaremos a través del primer dispositivo de fusión totalmente funcional, La Salchicha. Este nombre le vino por su alargada forma y fue detonado en la prueba Mike, dentro de la operación Ivy, el 31 de octubre de 1952 de mano de Estados Unidos. No obstante, para una mejor comprensión, combinaremos el simple diseño de la Salchicha con los materiales usados de forma más genérica para una visión más global. Al final se aclararan estos cambios.

La salchicha (Cilindro vertical) siendo montada para su detonación. Los tubos que parten de la misma son instrumentos para medir la luminosidad durante la reacción

La única forma de iniciar la reacción de fusión en una bomba es a través de la energía liberada por una explosión de fisión (En laboratorios se puede iniciar por otros métodos). Es por ello que en estos artefactos, junto a la bomba de fusión, se encuentra otra de fisión que podríamos denominar el detonador. Técnicamente se le denomina etapa primaria, denominándose etapa secundaria al dispositivo de fusión. De ahí le viene el nombre de armas de fusión de dos etapas. Por otro lado, también se debe a esto el hecho de que a pesar de que se les llama armas de fusión, técnicamente son armas de fisión-fusión. Este diseño fue ideado por Stanislaw Ulam, matemático polaco reclutado para el proyecto Manhattan.

Para iniciarse la reacción de fusión se requieren de altas presiones y temperaturas, condiciones que una explosión de fisión puede generar. El problema era como aplicarlas al dispositivo de fusión de forma eficaz. Es aquí donde entra en juego Edward Teller, físico húngaro que igualmente participó en el desarrollo de la primera bomba nuclear. Teller ofreció la solución al problema de aplicar la energía de la explosión de fisión al dispositivo de fusión. De hecho esto le sirvió para ser reconocido como el padre de la bomba H y su nombre aparece primero en la denominación de este sistema de arma de fusión; “el diseño de Teller-Ulam”. Esto se debe a que la creación de Ulam se consideró bastante evidente y realmente no ofrecía una solución práctica.

Diagrama del diseño Teller-Ulam para bombas de fusión

Visto el diagrama, analicemos el proceso de la detonación del artefacto. Detonan los explosivos convencionales del dispositivo de fisión (Etapa primaria). El núcleo de material fisible se contrae alcanzando la masa supercrítica e iniciándose la reacción en cadena. Esto genera gran cantidad de radiaciones muy energéticas, y en concreto nos interesan los rayos X y en menor medida los neutrones.

Tanto el primario como el secundario se encuentran encajados en una masa de poliestireno. En sustitución de este material se pueden usar otros plásticos, lo importante es que el material sea un hidrocarburo. Esto es importante hasta tal punto de que en caso de que se use espuma sólida de poliestireno (Poliestireno expandido, comúnmente conocido como corcho blanco de embalajes), el gas usado para generarla sea también un hidrocarburo. Las radiaciones emitidas calientan el sustrato plástico hasta transformarlo en plasma, transparente a los rayos X, de ahí la importancia de que se trate de combinaciones de hidrógeno y carbono, átomos que en estado de plasma permiten la libre circulación de los rayos X. Depende de esta radiación el que el combustible nuclear alcance las condiciones necesarias para iniciar la reacción, por lo que es necesario concentrarla lo máximo posible sobre el secundario, ya que cuanto mayores sean la temperatura y presión, mayor será la velocidad de la reacción y por tanto, más potencia desarrollada. Es por esto que el conjunto de primario y secundario incrustados en la masa plástica es recubierto con una capa de material con un elevado número atómico (material denso) como es el caso del plomo por ejemplo. Esta capa evitará que los rayos X escapen al calentarse su superficie interna a temperaturas extremas pasando a estado de plasma y reflejándolos, manteniéndose éstos en su confinamiento también conocido como canal de radiación, ya que ésta es forzada a circular por él desde la bomba de fisión hasta el dispositivo de fusión. Cabe señalar un detalle, y es que la “explosión energética” del dispositivo primario es mucho más veloz que la “material”, tanto que todo el proceso de fusión se habrá iniciado para cuando la onda expansiva del primario avance los pocos centímetros que le separan del secundario.

Con el canal de radiación colapsado de plasma extremadamente caliente, pasamos al secundario, que apreciamos, está recubierto por el pusher y el tamper (En adelante solo pusher ya que es esta la función que nos interesa). Este ha de ser de un material denso, como el tungsteno por ejemplo. La temperatura hace que el plasma se expanda de forma incontenible, ejerciendo una enorme presión sobre el pusher y comprimiendo éste a su vez el relativamente poco denso deuteruro de litio (la velocidad de compresión es del orden de varios centenares de kilómetros por segundo). El pusher también se calienta y expande y gradualmente se va desgastando al transformarse en plasma. Esto se conoce como proceso de ablación y es la más importante aportación de Teller al diseño. Mediante este proceso, se consigue un máximo aprovechamiento de la energía liberada por la detonación de fisión a la hora de comprimir y calentar grandes cantidades de combustible de fusión. De ahí que este sistema también reciba la denominación de implosión por radiación.

Este proceso garantiza que el calor y la presión se reparten uniformemente, pero como desventaja acarrea el hecho de que al irse desgastando el pusher/tamper por la ablación, el plasma en el que se transforma puede ser opaco a los rayos X evitando que se caliente el deuteruro de litio. Esto puede evitarse usando capas de diferentes materiales cuya opacidad se ajuste a las necesidades de cada fase del proceso. Por otro lado, el método aquí expuesto es el más básico, existiendo otros más complejos destinados a ejercer un mayor control sobre el flujo de radiación que actúa sobre el secundario. Un ejemplo es colocar una placa de material opaco a las radiaciones con perforaciones. La radiación pasa a través de ellos en pequeñas cantidades, hasta que la ablación agranda las perforaciones y el flujo se maximiza en el momento óptimo.

El dispositivo está diseñado para iniciar la reacción de fusión cuando el deuteruro de litio se encuentra a una presión y temperatura óptimas. Esto es concretamente a partir de los 30 millones de grados centígrados. A partir de aquí la reacción se autosostiene y se acelera notablemente, mientras que por debajo de ese valor, la aceleración es leve, hasta alcanzar esa temperatura por sus propios medios y dispararse a partir de ahí. Para evitar el calentamiento prematuro del combustible de fusión, en el diagrama apreciamos un grueso escudo de material denso que suele tener la misma composición que el pusher/tamper y cuya finalidad es bloquear los rayos X y neutrones provenientes de la explosión del primario evitando que incidan directamente sobre el secundario. Para una mayor impermeabilidad a los neutrones, el escudo puede contener boro-10.

Llegados al punto óptimo de compresión y temperatura, nos encontramos con la barra hueca de plutonio (También puede ser de uranio altamente enriquecido), apodada la bujía. Recordemos que la forma del material fisible es un factor determinante a la hora de alcanzar la masa supercrítica. En el estado normal, la barra posee una masa subcrítica, pero cuando llega la onda de choque que comprime el deuteruro de litio que la rodea, se colapsa sobre si misma desapareciendo el hueco. Algo parecido a lo que ocurría en uno de los modelos de núcleo levitado. Pero en este caso, la compresión es mucho mayor que la conseguida con explosivos convencionales. Concretamente, la barra se comprime en la dieciseisava parte de su volumen. Esto dispara automáticamente la fisión a gran escala de los núcleos de plutonio que inician una reacción en cadena y que a su vez dota al deuteruro de litio de la energía necesaria para iniciar la reacción de fusión. En algunos diseños, la barra de plutonio es sustituida por una mezcla de deuterio y tritio, capaces de iniciar por si solos la reacción de fusión en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Diagrama de la secuencia de explosión (por Howard Morland) adaptado

Todo el proceso dura unos breves instantes. Desde que la fusión se ha iniciado hasta que comienza a decaer (Esto es que se haya fusionado la mitad del combustible de nuclear) solo pasan 20 nanosegundos. A partir de aquí la reacción se va ralentizando tras alcanzar la temperatura su pico máximo y el ratio de fusión de átomos se reduce. En cualquier caso, dependiendo del diseño, la explosión del primario, y la propia del secundario, terminará por dispersar el litio y deuterio dando lugar a que la densidad de núcleos por volumen sea insuficiente para mantener la fusión.

Como se comentó anteriormente, nos hemos basado en el dispositivo detonado en Ivy Mike, pero introduciendo algunos cambios. Uno de ellos es la composición del tamper, que será aclarada posteriormente (Próximo artículo sobre la tipología de estas armas), el otro se refiere al combustible de fusión utilizado.

En la Salchicha se utilizó solamente deuterio en estado líquido (lo que le valió el apodo de bomba mojada), con las complicaciones que ello conllevaba en lo referente al confinamiento de este material. La principal ventaja es que la reacción del deuterio descrita anteriormente es tremendamente energética y cada kilogramo fusionado otorga a la bomba 82,2 kilotones de potencia. No obstante, esta potencia no compensaba las dificultades que entrañaba su uso. Por ello actualmente (Y ya en los diseños posteriores de los años 50) se usa principalmente combinado con litio. Este metal existe en la naturaleza de forma abundante en forma de Litio-7 (92,5% del litio natural) y en menor medida en forma de Litio-6 (7,42%).

La reacción más energética se da con el Li-6 (Fusión de Litio + Deuterio), ofreciendo 64 kilotones por cada kilogramo de deuteruro de litio fusionado. A pesar de ser menos potente, esta combinación ofrece algunas ventajas, como el hecho de que en forma de deuteruro de litio (Contiene en torno a una cuarta parte de deuterio), cada unidad de volumen contiene más átomo de deuterio, lo que ofrece más compresión inicial, aparte de la innegable ventaja de que es un sólido de fácil manejo a temperatura ambiente.

Hay que señalar que esta reacción no se da desde el principio. Para que se inicie, primero han de fusionarse una cantidad considerable de núcleos de deuterio para que la energía alcance un nivel aceptable para que comience ésta.

Otra opción es el uso de Li-7. La principal desventaja es que es menos potente, entregando 38,5 kilotones por kilogramo de deuteruro de litio. Por el contrario, posee una importante ventaja frente al Li-6 y es que en esta reacción se emiten neutrones, que luego veremos como pueden aprovecharse para un gran incremento de la potencia.

En cualquier caso, lo usual es usar una combinación de Li-7 y Li-6 para formar el deuteruro de litio. A esta combinación se le conoce como litio enriquecido, ya que consiste en litio natural al que se le ha incrementado el porcentaje de Li-6, al igual que se hace con el U-238 y U-235. Las concentraciones de Li-6 oscilan entre el 95,5 y el 40% dependiendo de la finalidad de la bomba.