Armas nucleares de fisión

Introducción

Las armas nucleares representan el máximo exponente de la capacidad de destrucción que el ser humano ha desarrollado. En la evolución tecnológica bélica, ningún salto es comparable al que se dio con el desarrollo de éstas. Ningún arma cambió tanto las cosas ni las cambió tan poco al mismo tiempo. Por un lado, supusieron una revolución que obligó a generar millares de nuevas estrategias y planteamientos, pero por otro, solo se usaron una vez y al ver sus efectos, muchos las quisieron y desarrollaron, pero nadie volvió a usarla. Desde entonces, muchas guerras ha habido, pero a pesar de disponer algunos de los contendientes de éstas, solo utilizaron armamento convencional. Y es que su capacidad de destrucción, las aleja mucho y en varios aspectos del concepto convencional.

En este artículo pretendo explicar el funcionamiento de estas armas en torno a las cuales gira toda una sección de la web, que es una muestra más de su relevancia. No obstante, procuraré no profundizar demasiado en aspectos de física ciñéndome principalmente a los temas técnicos de diseño y funcionamiento. Aun así considero necesario el conocimiento de algunos conceptos de física nuclear (Bastante simples y de fácil asimilación) que expongo en este anexo (Ir al documento) para la total comprensión del artículo. Sin embargo, si ya posee estos conocimientos, o simplemente no le interesan, puede continuar a partir del segundo epígrafe sin que esto vaya a suponerle dificultades en la lectura del resto.

ARMAS NUCLEARES DE FISION

El 6 de enero de 1939 Otto Hahn y Lise Meitner llevaban a cabo la primera fisión nuclear intencionada de forma artificial, corroborando todas las teorías anteriores que ya le auguraban un enorme poder destructivo si se aplicaba a fines bélicos. Quedando patente que el fenómeno de la fisión era posible, algunos países se lanzaron a desarrollar las teorías referentes a fines destructivos, pero ese tema ya ha sido tratado en este otro artículo; Historia nuclear

Para que se diese la explosión nuclear, bastaba con reunir una masa supercrítica de material fisible e introducir en ella neutrones que iniciasen la reacción en cadena. Parece fácil, y realmente lo es. El problema era que todo debía hacerse con una precisión sin precedentes. Por otro lado, nunca se había hecho antes, por lo que no podía darse nada por seguro. Como ejemplo, bastaría comentar que en el momento que comienzan las reacciones en cadena, la masa de material fisible se expande, por lo que se pierde la masa supercrítica y las reacciones en cadena se cortan, no fisionándose ya más material. Todo ocurre muy deprisa.

1 - Ensamblaje de cañón

Un arma nuclear debe ser segura, de forma que no exista riesgo de detonación accidental antes de que deba explotar. Esto podría dar lugar a la destrucción de la ciudad o zona donde se esté fabricando o almacene. Esto supone un problema. El material fisible de la bomba no podía almacenarse en cantidades superiores a la masa crítica. Esto es por que al tratarse de material radiactivo (Todo átomo con más de 83 protones en su núcleo lo es) sus núcleos se rompían de forma aleatoria pudiendo emitir neutrones que iniciasen la reacción (Desintegración). Cuando los bloques de material tienen una masa inferior a la crítica, se les denomina masas subcríticas. La idea inicial para desarrollar un arma nuclear fue la de unir 2 masas subcríticas que en conjunto darían lugar a una supercrítica.

1.1 - Cañón, objetivo y proyectil

Little Boy

Para lograr esto se diseñó lo que se conoce como ensamblaje de cañón. Con el fin de explicar este método de una forma práctica recurriré a la bomba Little Boy (Primera bomba nuclear de este tipo) que fue lanzada contra Hiroshima. Este sistema consiste en moldear una masa subcrítica de material fisible en la que existe un hueco. Contra esa masa se lanzará a gran velocidad otra pieza de material fisible de masa subcrítica con la forma exacta de ese hueco, ensamblándose perfectamente y dando lugar a una masa supercrítica. El nombre se debe a que la pieza lanzada o proyectil es impulsado por un cañón. Puede parecer tosco, pero resultaba el sistema más fiable. En el caso de Little Boy, la pieza principal u objetivo consistía en un cilindro hueco de 16 centímetros de largo, 16 de diámetro, 10 de diámetro interno y una masa de 38,4 kilogramos. El proyectil era otro cilindro de igual longitud y cuyo diámetro encajaba en el interior del objetivo con una masa de 25,6 kilogramos. Ensamblada la bomba, apuntando al orificio del objetivo se encontraba un cañón convencional de 1,83 metros de longitud en cuyo otro extremo se alojaba el proyectil y una carga de cordita, una pólvora sin humo utilizada ampliamente en artillería. La cordita, al iniciarse lanzaba el proyectil a través del cañón a una velocidad de 300 metros/segundo. Al introducirse en el interior del objetivo, formaba una sola masa total de 64 kilogramos dando lugar a una masa supercrítica. Hay que señalar que el objetivo estaba empotrado en acero y otros materiales comentados más adelante. Con esto se lograba que el proyectil quedara incrustado justo en el interior del objetivo sin pasar de largo. Este ensamblaje se denomina objetivo ciego. Animación del funcionamiento del ensamblaje de cañón.

Uranio enriquecido

A pesar de la alta velocidad a la que el proyectil se insertaba, en este tipo de bombas, y en esta en concreto a causa de su primigenio diseño, existía un grave riesgo de predetonación. Esto ocurre cuando la reacción en cadena se inicia antes de lo requerido. Dado el nivel de enriquecimiento de U-235 en el combustible de la bomba, la masa supercrítica era alcanzada antes de que el proyectil estuviese totalmente encastrado en la pieza/objetivo. Es decir, cuando ya había penetrado y aún se encontraba a X centímetros del final, el conjunto alcanzaba la masa supercrítica, exponiéndose a detonar de forma prematura si se iniciaba una reacción en cadena por la desintegración fortuita del uranio al emitir ésta neutrones. Teniendo en cuenta numerosos parámetros del diseño de Little Boy, el riesgo de predetonación mientras el proyectil era insertado rondaba el 10%. El efecto de una predetonación es una sustancial reducción del rendimiento, al iniciarse la reacción en cadena en una masa que no está totalmente compactada. Una forma de prevenir este efecto es aumentando la velocidad del proyectil, reduciéndose la posibilidad de que la reacción en cadena se inicie por la desintegración. El valor máximo para una introducción de este tipo son 1000 m/s, pero por norma general, siempre se está bastante por debajo.

Para esta bomba se recurrió al U-235 como material fisible. En aquella época, hacía poco tiempo que se habían iniciado los procesos de enriquecimiento de uranio, y dado el bajo porcentaje de U-235 contenido en el uranio extraído en minas, reunir tal cantidad se hizo realmente difícil. Se disponía de 50 kilogramos de uranio enriquecido al 89% (89% de U-235) y otros 14 enriquecido al 50%. Para el proyectil se usó únicamente el enriquecido al 89%, ya que para maximizar la eficacia del arma, el más puro ha de estar en el centro, mezclándose el resto para la pieza/objetivo.

1.2- Iniciador de neutrones

Bomba de fisión W-9, un obús de artillería de 280 mm

Justo en el momento en el que las piezas se unían, eran introducidos en la masa supercrítica los neutrones que iniciarían la reacción en cadena. Para ello se necesitaba una fuente de neutrones sencilla. El berilio Be-9 emite un neutrón al ser golpeado su núcleo por una partícula alfa (Un núcleo de helio formado por 2 protones y dos neutrones. Es una forma de radiación bastante habitual en elementos radiactivos) y se transforma en Be-8, quedando la partícula alfa libre. Como fuente generadora de radiación alfa se recurrió al polonio Po-210. Estadísticamente, solo un 0,008 % de colisiones se saldan con la liberación del neutrón y partiendo de que para iniciar la reacción se necesitan entre 10 y 100 millones de neutrones por segundo, el polonio debería irradiar entre 100 y 1000 millones de partículas alfa. Teniendo en cuenta que estamos trabajando con escala subatómicas, a pesar de la magnitud de las cantidades anteriores, estamos hablando de una masa total de berilio y polonio de unos pocos gramos de peso. El conjunto estaba formado por dos pequeñas piezas separadas por unas delgadas capas de oro y níquel que aislaban al berilio de las partículas alfa. Al presionarse violentamente por el impacto del proyectil, ambas piezas quedaban unidas y comenzaba la emisión de neutrones. Este iniciador de neutrones era conocido como ABNER.

Un inconveniente de este tipo de iniciador es que la vida media para el Po-210 es de solo 138 días. Al ser un elemento radiactivo, que es la característica que se aprovecha en este caso, en cada desintegración van desapareciendo los átomos de Po-210 habiéndose transformado en otro nuevo elemento. En el caso del Po-210, significa que tras 138 días, una muestra de este material que originalmente era pura, solo la mitad de su masa corresponderá a Po-210, mientras que la otra mitad será el nuevo elemento producido. Es por esto que más adelante se desarrollaron otros métodos que luego veremos.

Realmente, en Littel boy no era necesario iniciador alguno, a pesar de que a última hora, se decidió colocar 4 al final de la estructura que alojaba la pieza/objetivo. Esto se debe a que en el contexto de las armas nucleares, la creación de la masa crítica es lenta ya que desde que entra, el proyectil solo emplea 0,53 milisegundos en alojarse completamente en el objetivo y 1,35 milisegundos en iniciarse el bombardeo de neutrones (El iniciador de berilio/polonio aducía el defecto de ser un poco lento) y el mantenimiento en ese estado es largo, por lo que los neutrones liberados por el U-235 de forma aleatoria por su desintegración hubiesen bastado para iniciar la reacción en cadena. Los iniciadores se incluyeron para garantizar la detonación, ya que el ensamblaje de cañón se consideraba infalible y no iba a ser probado antes de su lanzamiento, no obstante, las posibilidades de no detonar sin que se incluyeran éstos, eran tremendamente bajas.

Este tipo de iniciador fue ampliamente utilizado, si bien existe otra posibilidad que consiste en el tubo de pulso de neutrones. Este artefacto contiene en su interior elementos de núcleos ligeros como el deuterio o el tritio que pueden fusionarse y así lo hacen cuando se introduce un pulso corto de alta tensión generando así neutrones. Las ventajas de este sistema son la precisión que ofrece al trabajar con energía eléctrica y la gran intensidad en número y flujo de neutrones que permite separarlo del material fisible para adaptarse a la arquitectura de la bomba sin que eso implique que estos no lleguen al mismo.

Tubos de pulso de neutrones para la cabeza W-76, que equipa a los misiles de lanzamiento submarino Trident