Fabricació d'armes nuclears

Fabricació d'armes nuclears: segons la teoria de relativitat, I=mc² significa que l'energia és igual a la massa multiplicada per la velocitat de la llum al quadrat, la matèria és en realitat lo mateix que l'energia, solament que en una forma diferent. El resultat és que deuria ser possible convertir la matèria en energia. Convertir matèria en energia no és fàcil, el sol ho fa naturalment per un procés cridat fusió nuclear. El sol és una bola jagantesca de gas hidrogen principalment, té pressions intenses i un calor intern creat en el seu núcleu pel seu gravetat. És baix esta calor i pressió que els àtoms d'hidrogen es fusionen per a crear heli i lliberar energia. No obstant, no és fàcil recrear les intenses condicions necessàries per a generar la fusió nuclear en la Terra, per lo que les bombes atòmiques utilisen un atre procés cridat fissió nuclear.

Introducció

Una reacció de fissió nuclear és just lo contrari de la fusió nuclear. En lloc de juntar àtoms, es trenquen en péntols. Quan un neutró (una partícula subatòmica) en suficient energia colpeja un àtom de material radioactivo com l'urani, l'àtom d'urani es dividirà en dos àtoms més chicotets i es llibera part de l'energia que va mantindre unit l'àtom original. Si s'utilisa el tipo correcte d'urani, la ruptura també lliberarà neutrons adicionals capaços de dividir atres àtoms. Si este procés continua en cada nova divisió lliberant neutrons que a la seua volta dividixen atres àtoms, llavors es diu reacció en cadena. Per la velocitat involucrada en una reacció nuclear, mils de millons d'àtoms poden ser dividits en una chicoteta fracció de segon.

Si la reacció es produïx a un nivell controlat, la fissió produïx energia de manera controlable. Açò és lo que ocorre en el cor d'una central nuclear. L'energia lliberada s'utilisa per a calfar l'aigua fins a convertir-la en vapor i el vapor fa girar les turbines que estan conectades als generadors per a produir electricitat. Si la reacció es produïx a un nivell incontrolat, el núcleu del reactor pot fondre's (vore fusió del núcleu) i pot produir-se una explosió.

Pot semblar que les centrals nuclears són bombes atòmiques potencials, pero l'urani utilisat en les centrals nuclears no és del tipo que podria sostindre una reacció en cadena a una velocitat lo suficientment alta com per a causar una explosió (no obstant, les centrals nuclears estan subjectes a explosions potencials causades per la pressió del vapor i atres factors). De fet, dissenyar un dispositiu que no explote abans de temps, és un dels principals problemes de disseny a l'hora de construir una bomba atòmica.

Disseny de la bomba

l'urani o el plutoni poden utilisar-se com combustible per a les bombes atòmiques. Abdós són altament radioactivos. Açò significa que estan constantment derramant partícules subatòmiques incloent neutrons. Solament certs isòtops d'estos materials, com l'urani 235 i el plutoni 239, emeten sistemàticament neutrons d'una energia tan alta que dividixen els àtoms. Quan s'unix una cantitat suficient de material, llavors comença la reacció en cadena i la massa es torna crítica. Més alvance, quan la massa de material radiactiu té una reacció en cadena en aument, i més àtoms es trenquen a cada moment, llavors la massa es torna super-crítica.

Mentres que juntar suficient urani 235 en una sola massa farà que eixa massa es torne super-crítica (açò pot causar un accident i crear una font de radiació que matarà a qualsevol persona que estiga prop del dispositiu sense la protecció adequada), açò per sí solament no és suficient per a crear una bomba atòmica. El material deu mantindre's comprimit el temps suficient per a que es produïxca la reacció en cadena, i la bomba deu ser capaç de resistir l'energia inicial de l'explosió que potencialment pot destruir el dispositiu nuclear. Hi ha dos métodos ben coneguts per a fer açò. El primer és conegut com el método de la "pistola".

Método de la pistola

Arma de fissió nuclear (método de la pistola).

Esta és la manera més fàcil de construir un arma nuclear. La bomba atòmica utilisada en la ciutat japonesa d'Hiroshima durant la Segona Guerra Mundial va utilisar este método. l'arma consistix en un tubo (molt semblat al canó d'un arma) en la mitat de la càrrega nuclear fixada en un extrem i l'atra mitat (la mitat mòvil) en l'extrem opost. Una càrrega explosiva convencional es coloca darrere de la part mòvil que pot ser considerada com una bala.

Quan la càrrega convencional és detonada, la bala corre pel tubo i choca contra la càrrega fixa en l'atre extrem. Una volta que les dos mitats del combustible nuclear es junten i es mantenen juntes el temps suficient, comença la reacció en cadena, el combustible es torna supercrítico i té lloc l'explosió nuclear.

Encara que el método de la pistola és fàcil de dissenyar, té algunes desventages. La més gran és la necessitat d'assegurar-se de que les dos parts del combustible nuclear s'unixquen en la suficient rapidea. A mida que les dos seccions s'acosten a una polzada de distància, escomençaran a intercanviar neutrons que podrien iniciar una reacció en cadena. Si les dos parts es tornen supercríticas ans que s'acosten lo suficient, la força de l'energia lliberada les farà esclatar ans que es produïxca l'explosió principal. Este tipo d'error es considera una detonació fallanca.

Un atre problema és que este método és menys eficient, perque requerix entre 20 i 25 quilograms (al voltant de 44 a 55 lliures) d'urani enriquit. Atres enfocaments poden usar tan poc com 15 quilograms d'urani (aproximadament 33 lliures). Ya que l'urani i el plutoni de grau armamentístico són molt difícils de conseguir, açò és una desventaja real quan es tracta de construir este tipo d'armes.

Ademés, el método de la pistola solament funciona si l'urani s'utilisa com combustible. El procés de la creació del plutoni, generalment fa que este es contamine en atres materials i subproductes de la fabricació, els quals aumenten la possibilitat de que el combustible nuclear es convertixca en una massa super-crítica, ans que les dos seccions estiguen lo suficientment prop una de l'atra.

Açò, a la seua volta, aumenta les possibilitats de que ocórrega una detonació fallanca en lloc d'una explosió. Per a fer que el método de la pistola funcione d'una manera fiable en el plutoni, seria necessari aumentar significativament la velocitat de la bala. Este método requerix que l'arma nuclear tinga un tamany molt gran, lo que la fa poc pràctica.

Método d'implosió

Arma de fissió nuclear (método d'implosió).

Si s'utilisa el plutoni per a alimentar una bomba, és necessari utilisar el método d'implosió. En este método, el combustible nuclear es transforma en una esfera. Es coloquen explosius convencionals al seu entorn. Quan estos són detonats, la força de l'explosió comprimix l'esfera i la convertix en una massa supercrítica, durant el temps suficient per a que l'explosió tinga lloc. Encara que el principi sembla fàcil, és difícil fer que funcione. La bomba no pot simplement estar rodejada d'explosius de gran potència. L'ona de choc que la comprimix deu ser precisament esfèrica, de lo contrari el material de la fossa escaparia a través d'un punt dèbil en l'estructura.

Per a crear la força explosiva necessària en una esfera perfecta, s'utilisen càrregues explosives en forma esfèrica (a voltes cridades lents explosives). La bomba Fatman que va arrasar la ciutat japonesa de Nagasaki en la Segona Guerra Mundial va utilisar 32 càrregues dispostes al voltant de l'esfera. Per a crear l'ona de choc esfèrica no solament és necessari colocar les càrregues en la posició correcta i en la forma correcta, sino que deuen detonar-se en el moment exacte. Una càrrega que detone tart crearà un forat en l'ona de choc a través del com l'energia de l'explosió convencional pot escapar.

El disseny de l'implosió és generalment considerat superior en casi tots els sentits al método de la pistola i és l'elecció de qualsevol organisació o país en els recursos necessaris per a dissenyar i construir una arma nuclear. Una de les principals ventages que té este método, és la de fer més eficient l'implosió, aumentant l'eficàcia dels explosius convencionals.

Construir un arma nuclear bàsica no és fàcil, en 1964 l'Eixèrcit dels Estats Units va contractar a dos professors en doctorats en física, pero sense experiència en armes nuclears ni accés a secrets nuclears.

Als dos se'ls va encomanar la tasca de dissenyar una bomba atòmica utilisant únicament l'informació disponible per al públic en general. Els va prendre aproximadament dos anys, pero al final varen dissenyar un dispositiu d'implosió que podria haver produït una explosió nuclear en una potència similar a la Bomba d'Hiroshima.

Lo únic que els va resultar extremadament difícil va ser conseguir el material adequat per a alimentar la bomba: urani 235 o plutoni 239. Solament una chicoteta fracció del urani natural que s'extrau de la terra és l'isòtop 235, i separar-ho dels atres isòtops és una tasca important que requerix enormes complexos industrials que treballen durant anys per a aïllar solament unes poques lliures de combustible nuclear.

De fet, la majoria dels programes d'armament eviten açò utilisant plutoni, que rara volta es troba en la naturalea, pero pot crear-se exponent els tipos més comuns d'urani a la radiació en un reactor nuclear. No obstant, el plutoni és extremadament difícil de manejar. És un dels materials més tòxics coneguts pel ser humà, especialment si és inhalat.

És precisament la dificultat de conseguir i manejar estos materials fisionables lo que protegix al món de les persones, organisacions i règims que desigen construir armes nuclears. És per esta raó que la no proliferació de material nuclear és una de les principals preocupacions de la majoria dels governs i existix un gran recel i preocupació, feya els països i nacions que construïxen reactors nuclears potencialment capaços de crear plutoni de grau armamentístico per a construir armes de destrucció massiva nuclears.

De totes formes, i encara que els coneiximents necessaris per a construir un artefacte nuclear no poden ser controlats pels governs de la Terra, afortunadament si que és possible rastrejar i controlar els materials de construcció necessaris per a construir una bomba atòmica.

Arma de fissió intensificada

Artícul principal → Arma de fissió intensificada.

Dispositiu nuclear d'implosió.

Este dispositiu es referix generalment a un tipo d'arma nuclear que utilisa una chicoteta cantitat de combustible (generalment triti per a generar un reacció de fusió nuclear en l'interior del núcleu d'una bomba atòmica de fissió accionada per explosius convencionals per mig del método d'implosió, i aixina lliberar molts neutrons, estos neutrons a la seua volta aumenten la potència de la fissió nuclear i incrementen la potència de la detonació nuclear. Els neutrons lliberats per la reacció de fusió s'agreguen no solament als neutrons lliberats per la fissió, sino que també induïxen reaccions de fissió posteriors, lliberant d'esta manera més neutrons. La taxa de fissió aumenta llavors fins a alcançar uns valors molt alts, lo que permet que una gran cantitat de material fisionable siga somés a la fissió nuclear abans de ser desintegrat per la pròpia detonació nuclear. El procés de fusió en sí mateixa contribuïx solament a una chicoteta cantitat de l'energia total (aproximadament el 1%) del procés. L'idea d'impulsar este tipo d'arma va ser originalment desenrollada entre finals de 1947 i finals de 1949 en el Laboratori Nacional dels Àlbers de l'Universitat de Califòrnia en Nou Mèxic, Estats Units. Es creu que un arma d'este tipo va ser utilisada en la prova nuclear de Corea del Nort de giner de 2016.

Arma termonuclear

Artícul principal → Arma termonuclear.

Image del dispositiu Teller-Ulam.

Un arma termonuclear és un disseny d'arma nuclear de segona generació que utilisa una etapa secundària de fusió nuclear que consistix en un tamper d'implosió, combustible de fusió i una bugia d'encés que és bombardejada per l'energia lliberada per la detonació d'una bomba de fissió primària en el seu interior, comprimint el material combustible (triti, deuteri o deuteruro de liti) i causant una reacció de fusió. Alguns dissenys alvançats utilisen neutrons ràpits produïts per esta segona etapa per a encendre una tercera etapa de fissió o fusió ràpida. La bomba de fissió i el combustible de fusió es coloquen prop un de l'atre en un contenidor especial que reflectix la radiació, cridat caixa de radiació, que està dissenyat per a contindre els rajos X durant el major temps possible. El resultat és un gran aument de la potència explosiva en comparació a les armes de fissió d'una sola etapa. El dispositiu es denomina coloquialment bomba d'hidrogen o bomba H, perque ampra la fusió d'isòtops d'hidrogen.

Conceptes bàsics de la configuració del procés Teller-Ulam. Els rajos X produïts per una explosió de fissió primària dirigida en un extrem d'una cambra calfen i comprimixen el material combustible en l'atre extrem, desencadenant la reacció de fusió secundària. El primer ensaig termonuclear a gran escala va ser realisat pels Estats Units en 1952; des de llavors, el concepte ha segut utilisat per la majoria de les potències nuclears del món en el disseny de les seues armes.

El disseny modern de totes les armes termonuclears en Estats Units és conegut com la configuració Teller-Ulam per les seues dos principals contribuents, Edward Teller i Stanislaw Ulam, els qui la varen desenrollar en 1951 per a Estats Units, en certs conceptes desenrollats en la contribució de John von Neumann. Dispositius similars varen ser desenrollats per l'Unió Soviètica, el Regne Unit, França i China.

Ya que les armes termonuclears representen el disseny més eficient per al rendiment energètic de les armes en rendiments superiors a 50 kilotones de TNT (210 TJ), pràcticament totes les armes nuclears d'este tamany desplegades pels cinc estats posseïdors d'armes nuclears en virtut del Tractat de No Proliferació Nuclear són hui en dia armes termonuclears que utilisen el disseny Teller-Ulam.

El mecanisme d'implosió de radiació aprofita la diferència de temperatura entre el canal de radiació circumdant calenta de l'etapa secundària i el seu interior relativament fret. Esta diferència de temperatura es manté breument per una barrera de calor massiva cridada "empujador" (en anglés: tamper), que també servix com un tamper d'implosió, aumentant i prolongant la compressió de la fase secundària. Si està fet d'urani, urani enriquit o plutoni, pot capturar els neutrons de fusió produïts per la reacció de fusió i produir una fissió nuclear, aumentant el rendiment explosiu global. Ademés d'això, alguns dissenys també fan us de la radiació, utilisant un material fisible que pot alcançar la fissió. Com a resultat, estes bombes passen per una tercera etapa de fissió nuclear. Actualment, la majoria de les armes nuclears que utilisen el dissenye Teller-Ulam, són armes de fissió-fusió-fissió. La fissió del "tamper" per la radiació, és la principal contribució al rendiment total de la bomba, i la detonació de la mateixa produïx una intensa pluja radiactiva, com a resultat de la fissió nuclear i l'explosió.