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1º UNA PEQUEÑA Introducción y luego abajo como la tienes que hacer.

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.

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.
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

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.

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 Little 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.

1.4- El “tamper”/reflector de neutrones

Bomba penetradora. Nótese su forma alargada por estar basada en el ensamblaje de cañón
El problema de la expansión de la masa supercrítica supone una gran disminución en el rendimiento de la bomba, entendiéndose por rendimiento el porcentaje de material que se ha fisionado antes de que la reacción se corte. Una forma de remediarlo es retrasando la expansión, “sujetando” la masa supercrítica. Un símil sería rodear un globo de goma con una capa de acero para evitar que pudiera hincharse más. En el caso de la bomba nuclear, este dispositivo se conoce como “tamper” (Algo así como apisonadora en castellano). Obviamente, esta cubierta que rodea el material fisible se desintegra al poco de la explosión, pero a pesar de esto, dada la velocidad a la que se desarrolla la reacción en cadena, este corto lapso de tiempo es suficiente para mejorar el rendimiento.
Ya que la función del tamper es retener la expansión, debe estar fabricado en un material duro y denso para resistir el mayor tiempo posible la presión interna que sufrirá. En Little Boy la pieza/objetivo se rodeó con un grueso bloque de carburo de wolframio, y a su vez éste fue rodeado de acero dando un espesor total de 0,6 metros. En total, el tamper de Little Boy pesaba 2.300 kilogramos. Hay que señalar que esta pieza era la que hacía que la pieza/objetivo de la bomba fuese un objetivo ciego, como era este caso.
Sin embargo, para que sea efectivo, este blindaje a de cubrir toda la masa de material fisible, si bien, el que cubría al objetivo respetaba el orificio de entrada del proyectil. Para subsanar esto, al proyectil se le incluyeron sendos discos de carburo de wolframio y acero de forma que al ensamblarse con el objetivo, el tamper quedase totalmente cerrado. Además de este agregado, al proyectil se le incluyó un collar externo de boro, una especie de sabot (Zueco o casquillo para aumentar el calibre de determinados proyectiles como los APFSDS por ejemplo) que evitaba la reflexión de los neutrones emitidos por este contra la superficie del cañón y que podrían afectar negativamente al proceso. El cañón se estrechaba justo antes de la entrada en el objetivo para atascar ahí el sabot y que solo penetrase el proyectil.
A pesar del uso de este sistema para incrementar el porcentaje de fisiones, el rendimiento de Littel Boy fue de solo el 1,4% que en términos absolutos se traduce en aproximadamente 15 Kilotones (El equivalente a la detonación de 15 mil toneladas de explosivo TNT). Esto se debe a que el ensamblaje de cañón es el más ineficaz, pero se usó debido a su simpleza y fiabilidad.
Otra función de este blindaje es la de reflejar neutrones, colaborando también así a mejorar el rendimiento. A pesar del estado de masa supercrítica alcanzado, un buen porcentaje de neutrones escapa por la superficie del material fisible de forma que ya no contribuirán a la reacción en cadena, por lo que si son reflejados y devueltos a la masa de material, tendrán la posibilidad de fisionar otros núcleos. La capa de material con la capacidad de devolver a los neutrones a la reacción, recibe el nombre de reflector de neutrones, si bien, hay materiales que pueden cumplir con la función de tamper y reflector de neutrones. Es el caso del U-238. Este elemento es muy usado para esta labor al cumplir con esa doble función. Además, aplicado a este fin, el U-238 tiene la virtud de que además de reflejar los neutrones, al ser golpeados sus núcleos con neutrones rápidos (El U-238 es de fisión rápida), emite neutrones que contribuyen a la reacción en cadena junto a los reflejados. Por todo esto, el reflector de neutrones favorece el descenso de la masa crítica/supercrítica logrando la obtención de éstas con menor cantidad de material fisible. En Littel Boy no pudo usarse este material ya que su elevado ratio de desintegración hace que emita un gran número de neutrones que perjudicarían a la fisión en este tipo de ensamblaje.
Finalmente, comentar que el tamper sirve también para evitar que la emisión radiactiva del material fisible escape al exterior perjudicando la salud de los operarios de la bomba.


ahora pasamos al ensamblaje de implosion

2- Ensamblaje de implosión

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.

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.

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 o