Diseño de armas nucleares

Los diseños de armas nucleares son disposiciones físicas, químicas y de ingeniería que hacen que el conjunto de componentes físicos ^[1] de un arma nuclear detone. Existen tres tipos básicos de diseño:

• Las armas de fisión pura son las más simples, las menos exigentes técnicamente, fueron las primeras armas nucleares construidas, y hasta ahora el único tipo utilizado en la guerra, por Estados Unidos contra Japón en la Segunda Guerra Mundial.
• Las armas de fisión potenciadas aumentan el rendimiento más allá del diseño de implosión, al utilizar pequeñas cantidades de combustible de fusión para mejorar la reacción en cadena de fisión. La potenciación puede duplicar con creces el rendimiento energético de fisión del arma.
• Las armas termonucleares por etapas son conjuntos de dos o más "etapas", normalmente dos. La primera etapa es normalmente un arma de fisión potenciada como la anterior (excepto en las primeras armas termonucleares, que utilizaban en su lugar un arma de fisión pura). Su detonación hace que brille intensamente con radiación X , que ilumina e implosiona la segunda etapa llena de una gran cantidad de combustible de fusión. Esto pone en marcha una secuencia de acontecimientos que da lugar a una combustión termonuclear, o de fusión. Este proceso ofrece rendimientos potenciales hasta cientos de veces superiores a los de las armas de fisión. ^[2]

Las armas de fisión pura han sido el primer tipo de armamento que han construido las nuevas potencias nucleares. Los grandes estados industriales con arsenales nucleares bien desarrollados cuentan con armas termonucleares de dos etapas, que son la opción más compacta, escalable y rentable una vez que se han creado la base técnica y la infraestructura industrial necesarias.

La mayoría de las innovaciones conocidas en el diseño de armas nucleares se originaron en los Estados Unidos, aunque algunas fueron desarrolladas posteriormente de forma independiente por otros estados. ^[3]

En los primeros artículos periodísticos, las armas de fisión pura se denominaban bombas atómicas o bombas A , y las armas que implicaban fusión, bombas de hidrógeno o bombas H. Sin embargo, los expertos en política nuclear prefieren los términos nuclear y termonuclear, respectivamente.

Nuclear weapons
Background
Nuclear explosion History Warfare Design Testing Delivery Yield Effects Workers Ethics Arsenals Target selection Arms race Blackmail Espionage Proliferation Disarmament Terrorism Opposition Winter
Nuclear-armed states
NPT recognized United States Russia United Kingdom France China Others India Israel (undeclared) Pakistan North Korea Former South Africa Belarus Kazakhstan Ukraine
v t e

La fisión nuclear separa o divide átomos más pesados ​​para formar átomos más ligeros. La fusión nuclear combina átomos más ligeros para formar átomos más pesados. Ambas reacciones generan aproximadamente un millón de veces más energía que las reacciones químicas comparables, lo que hace que las bombas nucleares sean un millón de veces más potentes que las bombas no nucleares, como lo reivindicó una patente francesa en mayo de 1939. ^[4]

En cierto modo, la fisión y la fusión son reacciones opuestas y complementarias, pero las particularidades de cada una son únicas. Para entender cómo se diseñan las armas nucleares, es útil conocer las similitudes y diferencias importantes entre la fisión y la fusión. La siguiente explicación utiliza números redondeados y aproximaciones. ^[5]

Cuando un neutrón libre choca con el núcleo de un átomo fisionable como el uranio-235 ( ²³⁵ U), el núcleo de uranio se divide en dos núcleos más pequeños llamados fragmentos de fisión, además de más neutrones (para ^{el 235} U, tres aproximadamente con la misma frecuencia que dos; un promedio de poco menos de 2,5 por fisión). La reacción en cadena de fisión en una masa supercrítica de combustible puede ser autosostenible porque produce suficientes neutrones excedentes para compensar las pérdidas de neutrones que escapan del conjunto supercrítico. La mayoría de estos tienen la velocidad (energía cinética) necesaria para causar nuevas fisiones en núcleos de uranio vecinos. ^[6]

El núcleo de uranio-235 puede dividirse de muchas maneras, siempre que los números atómicos sumen 92 y los números másicos sumen 236 (uranio-235 más el neutrón que causó la división). La siguiente ecuación muestra una posible división, concretamente en estroncio-95 ( ⁹⁵ Sr), xenón-139 ( ¹³⁹ Xe) y dos neutrones (n), más energía: ^[7]

${\displaystyle \ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV} }$

La liberación inmediata de energía por átomo es de unos 180 millones de electronvoltios (MeV), es decir, 74 TJ/kg. Sólo el 7% de esta energía es radiación gamma y energía cinética de los neutrones de fisión. El 93% restante es energía cinética (o energía de movimiento) de los fragmentos de fisión cargados, que se alejan unos de otros repelidos mutuamente por la carga positiva de sus protones (38 para el estroncio, 54 para el xenón). Esta energía cinética inicial es de 67 TJ/kg, lo que imparte una velocidad inicial de unos 12.000 kilómetros por segundo (es decir, 1,2 cm por nanosegundo). La alta carga eléctrica de los fragmentos cargados provoca muchas colisiones coulombianas inelásticas con los núcleos cercanos, y estos fragmentos quedan atrapados dentro del foso fisible de la bomba y se manipulan hasta que su energía cinética se convierte en calor . Dada la velocidad de los fragmentos y el camino libre medio entre los núcleos en el conjunto de combustible comprimido (para el diseño de implosión), esto toma alrededor de una millonésima de segundo (un microsegundo), momento en el cual el núcleo y el tamper de la bomba se han expandido a una bola de plasma de varios metros de diámetro con una temperatura de decenas de millones de grados Celsius.

Esta temperatura es lo suficientemente alta como para emitir radiación de cuerpo negro en el espectro de rayos X. Estos rayos X son absorbidos por el aire circundante, produciendo la bola de fuego y la explosión de una explosión nuclear.

La mayoría de los productos de fisión tienen demasiados neutrones para ser estables, por lo que son radiactivos por desintegración beta , convirtiendo los neutrones en protones mediante la expulsión de partículas beta (electrones), neutrinos y rayos gamma. Su vida media varía de milisegundos a unos 200.000 años. Muchos se desintegran en isótopos que son radiactivos, por lo que pueden ser necesarias de 1 a 6 desintegraciones (un promedio de 3) para alcanzar la estabilidad. ^[8] En los reactores, los productos radiactivos son los desechos nucleares en el combustible gastado . En las bombas, se convierten en lluvia radiactiva, tanto local como global. ^[9]

Mientras tanto, en el interior de la bomba que explota, los neutrones libres liberados por la fisión se llevan alrededor del 3% de la energía de fisión inicial. La energía cinética de los neutrones se suma a la energía de la explosión de una bomba, pero no tan efectivamente como la energía de los fragmentos cargados, ya que los neutrones no ceden su energía cinética tan rápidamente en colisiones con núcleos cargados o electrones. La contribución dominante de los neutrones de fisión a la potencia de la bomba es el inicio de fisiones posteriores. Más de la mitad de los neutrones escapan del núcleo de la bomba, pero el resto choca con núcleos de ²³⁵ U, lo que hace que se fisionen en una reacción en cadena que crece exponencialmente (1, 2, 4, 8, 16, etc.). A partir de un átomo, el número de fisiones puede teóricamente duplicarse cien veces en un microsegundo, lo que podría consumir todo el uranio o plutonio hasta cientos de toneladas en el centésimo eslabón de la cadena. Por lo general, en un arma moderna, el núcleo del arma contiene entre 3,5 y 4,5 kilogramos (7,7 y 9,9 libras) de plutonio y en la detonación produce aproximadamente entre 5 y 10 kilotoneladas de TNT (21 a 42 TJ), lo que representa la fisión de aproximadamente 0,5 kilogramos (1,1 libras) de plutonio. ^{[10] [11]}

Los materiales que pueden provocar una reacción en cadena se denominan fisibles . Los dos materiales fisibles que se utilizan en las armas nucleares son: ^{el 235} U, también conocido como uranio altamente enriquecido (HEU), "oralloy" que significa "aleación de Oak Ridge", ^[12] o "25" (una combinación del último dígito del número atómico del uranio-235, que es 92, y el último dígito de su número másico, que es 235); y ^{el 239} Pu, también conocido como plutonio-239, o "49" (de "94" y "239"). ^[13]

El isótopo más común del uranio, ^{el 238} U, es fisionable pero no fisible, lo que significa que no puede sostener una reacción en cadena porque sus neutrones de fisión hijos no son (en promedio) lo suficientemente energéticos como para causar fisiones subsiguientes de ²³⁸ U. Sin embargo, los neutrones liberados por la fusión de los isótopos pesados ​​del hidrógeno, deuterio y tritio, fisionarán ^{el 238} U. Esta reacción de fisión ^{del 238} U en la cubierta exterior del ensamblaje secundario de una bomba termonuclear de dos etapas produce, con mucho, la mayor fracción del rendimiento energético de la bomba, así como la mayor parte de sus desechos radiactivos.

Para las potencias nacionales que participan en una carrera armamentista nuclear, este hecho de la capacidad del ^238U de fisionarse rápidamente a partir del bombardeo de neutrones termonucleares es de importancia central. La abundancia y el bajo costo tanto del combustible de fusión seco a granel (deuteruro de litio) como del ^238U (un subproducto del enriquecimiento del uranio) permiten la producción económica de arsenales nucleares muy grandes, en comparación con las armas de fisión pura que requieren los costosos combustibles ^235U o ^239Pu .

La fusión produce neutrones que disipan energía de la reacción. ^[14] En las armas, la reacción de fusión más importante se denomina reacción DT. Utilizando el calor y la presión de la fisión, el hidrógeno-2, o deuterio ( ² D), se fusiona con el hidrógeno-3, o tritio ( ³ T), para formar helio-4 ( ⁴ He) más un neutrón (n) y energía: ^[15]

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17.6\ \mathrm {MeV} }$

La energía total liberada, 17,6 MeV, es una décima parte de la que se genera con la fisión, pero los ingredientes tienen una masa de apenas una quincuagésima parte, por lo que la energía liberada por unidad de masa es aproximadamente cinco veces mayor. En esta reacción de fusión, 14 de los 17,6 MeV (el 80% de la energía liberada en la reacción) aparecen como energía cinética del neutrón, que, al no tener carga eléctrica y ser casi tan masivo como los núcleos de hidrógeno que lo crearon, puede escapar de la escena sin dejar su energía atrás para ayudar a sostener la reacción, o para generar rayos X para la explosión y el fuego. ^{[ cita requerida ]}

La única forma práctica de capturar la mayor parte de la energía de fusión es atrapar los neutrones dentro de una enorme botella de material pesado como plomo, uranio o plutonio. Si el neutrón de 14 MeV es capturado por uranio (de cualquiera de los dos isótopos; 14 MeV es suficiente para fisionar tanto ^{el 235} U como ^{el 238} U) o el plutonio, el resultado es la fisión y la liberación de 180 MeV de energía de fisión, multiplicando por diez la energía de salida. ^{[ cita requerida ]}

Para su uso en armas, la fisión es necesaria para iniciar la fusión, ayuda a mantenerla y captura y multiplica la energía transportada por los neutrones de fusión. En el caso de una bomba de neutrones (véase más adelante), el último factor mencionado no se aplica, ya que el objetivo es facilitar el escape de neutrones, en lugar de utilizarlos para aumentar la potencia bruta del arma. ^{[ cita requerida ]}

Una reacción nuclear esencial es la que crea tritio , o hidrógeno-3. El tritio se utiliza de dos maneras. En primer lugar, se produce gas de tritio puro para colocarlo dentro de los núcleos de los dispositivos de fisión potenciados con el fin de aumentar su rendimiento energético. Esto es especialmente así para las primarias de fisión de las armas termonucleares. La segunda manera es indirecta y aprovecha el hecho de que los neutrones emitidos por una "bujía" de fisión supercrítica en el conjunto secundario de una bomba termonuclear de dos etapas producirán tritio in situ cuando estos neutrones colisionen con los núcleos de litio en el suministro de combustible de deuteruro de litio de la bomba.

El tritio gaseoso elemental para la fisión primaria también se obtiene bombardeando litio-6 ( ⁶ Li) con neutrones (n), solo en un reactor nuclear. Este bombardeo de neutrones hará que el núcleo de litio-6 se divida, produciendo una partícula alfa, o helio -4 ( ⁴ He), más un tritón ( ³ T) y energía: ^[15]

${\displaystyle {}^{6}\mathrm {Li} +n\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {T} +5\ \mathrm {MeV} }$

Pero como se descubrió en la primera prueba de este tipo de dispositivo, Castle Bravo , cuando hay litio-7 presente, también se producen algunas cantidades de las dos reacciones netas siguientes:

⁷ Li + ¹ norte → ³ T + ⁴ Él + ¹ norte

⁷ Li + ² H → 2 ⁴ He + ¹ n + 15,123 MeV

La mayor parte del litio es ⁷ Li, y esto le dio a Castle Bravo un rendimiento 2,5 veces mayor de lo esperado. ^[16]

Los neutrones son suministrados por el reactor nuclear de una manera similar a la producción de plutonio ²³⁹ Pu a partir de materia prima ²³⁸ U: barras de destino de la materia prima ⁶ Li se disponen alrededor de un núcleo alimentado con uranio y se retiran para su procesamiento una vez que se ha calculado que la mayoría de los núcleos de litio se han transmutado en tritio.

De los cuatro tipos básicos de armas nucleares, el primero, la fisión pura, utiliza la primera de las tres reacciones nucleares mencionadas anteriormente. El segundo, la fisión impulsada por fusión, utiliza las dos primeras. El tercero, la termonuclear de dos etapas, utiliza las tres.

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La primera tarea del diseño de un arma nuclear es ensamblar rápidamente una masa supercrítica de uranio o plutonio fisible (de grado armamentístico). Una masa supercrítica es aquella en la que el porcentaje de neutrones producidos por fisión capturados por otros núcleos fisibles vecinos es lo suficientemente grande como para que cada evento de fisión, en promedio, cause más de un evento de fisión posterior. Los neutrones liberados por los primeros eventos de fisión inducen eventos de fisión posteriores a un ritmo exponencialmente acelerado. Cada fisión posterior continúa una secuencia de estas reacciones que se abre paso a través de la masa supercrítica de los núcleos de combustible. Este proceso se concibe y se describe coloquialmente como la reacción nuclear en cadena .

Para iniciar la reacción en cadena en un conjunto supercrítico, se debe inyectar al menos un neutrón libre y colisionar con un núcleo de combustible fisible. El neutrón se une al núcleo (técnicamente, un evento de fusión) y desestabiliza el núcleo, que explota en dos fragmentos nucleares de peso medio (debido a la ruptura de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones mutuamente repulsivos), más dos o tres neutrones libres. Estos se alejan y chocan con los núcleos de combustible vecinos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que el conjunto de combustible se vuelve subcrítico (debido a la expansión térmica), después de lo cual la reacción en cadena se detiene porque los neutrones hijos ya no pueden encontrar nuevos núcleos de combustible con los que chocar antes de escapar de la masa de combustible menos densa. Cada evento de fisión posterior en la cadena duplica aproximadamente la población de neutrones (neta, después de las pérdidas debido a algunos neutrones que escapan de la masa de combustible y otros que chocan con cualquier núcleo de impureza no combustible presente).

En el caso del método de formación de masa supercrítica mediante el ensamblaje del cañón (véase más abajo), se puede confiar en que el propio combustible iniciará la reacción en cadena. Esto se debe a que incluso el mejor uranio para armas contiene una cantidad significativa de núcleos de ²³⁸ U. Estos son susceptibles a eventos de fisión espontánea , que ocurren aleatoriamente (es un fenómeno de mecánica cuántica). Debido a que el material fisible en una masa crítica ensamblada en el cañón no está comprimido, el diseño solo necesita asegurar que las dos masas subcríticas permanezcan lo suficientemente cerca una de la otra el tiempo suficiente para que se produzca una fisión espontánea ^{de 238} U mientras el arma está cerca del objetivo. Esto no es difícil de organizar, ya que solo se necesitan uno o dos segundos en una masa de combustible de tamaño típico para que esto ocurra. (Aun así, muchas de esas bombas diseñadas para ser lanzadas por aire (bombas de gravedad, proyectiles de artillería o cohetes) utilizan neutrones inyectados para obtener un control más preciso sobre la altitud exacta de detonación, importante para la efectividad destructiva de las explosiones aéreas).

Esta condición de fisión espontánea resalta la necesidad de ensamblar la masa supercrítica de combustible muy rápidamente. El tiempo requerido para lograr esto se llama tiempo crítico de inserción del arma . Si la fisión espontánea ocurriera cuando la masa supercrítica estuviera ensamblada solo parcialmente, la reacción en cadena comenzaría prematuramente. Las pérdidas de neutrones a través del vacío entre las dos masas subcríticas (ensamblaje del cañón) o los vacíos entre los núcleos de combustible no completamente comprimidos (ensamblaje de implosión) privarían a la bomba del número de eventos de fisión necesarios para alcanzar el rendimiento de diseño completo. Además, el calor resultante de las fisiones que ocurren trabajaría en contra del ensamblaje continuo de la masa supercrítica, debido a la expansión térmica del combustible. Este fracaso se llama predetonación . La explosión resultante sería llamada "fizzle" por los ingenieros de bombas y los usuarios de armas. La alta tasa de fisión espontánea del plutonio hace que el combustible de uranio sea una necesidad para las bombas ensambladas en cañones, con su tiempo de inserción mucho mayor y una masa de combustible mucho mayor requerida (debido a la falta de compresión del combustible).

Existe otra fuente de neutrones libres que puede estropear una explosión de fisión. Todos los núcleos de uranio y plutonio tienen un modo de desintegración que da lugar a partículas alfa energéticas . Si la masa de combustible contiene elementos de impureza de bajo número atómico (Z), estas partículas alfa cargadas pueden atravesar la barrera de Coulomb de estos núcleos de impureza y experimentar una reacción que produce un neutrón libre. La tasa de emisión alfa de los núcleos fisionables es de uno a dos millones de veces la de la fisión espontánea, por lo que los ingenieros de armas tienen cuidado de utilizar combustible de alta pureza.

Las armas de fisión que se utilizan en las proximidades de otras explosiones nucleares deben protegerse de la intrusión de neutrones libres procedentes del exterior. Sin embargo, este material de protección casi siempre será penetrado si el flujo de neutrones del exterior es lo suficientemente intenso. Cuando un arma falla o falla debido a los efectos de otras detonaciones nucleares, se habla de fratricidio nuclear .

En el caso del diseño de ensamblaje por implosión, una vez que la masa crítica se ha reunido hasta alcanzar la densidad máxima, se debe suministrar una ráfaga de neutrones para iniciar la reacción en cadena. Las primeras armas utilizaban un generador de neutrones modulado, cuyo nombre en código era " Urchin ", dentro de un pozo que contenía polonio -210 y berilio separados por una fina barrera. La implosión del pozo aplasta el generador de neutrones, mezclando los dos metales, lo que permite que las partículas alfa del polonio interactúen con el berilio para producir neutrones libres. En las armas modernas, el generador de neutrones es un tubo de vacío de alto voltaje que contiene un acelerador de partículas que bombardea un objetivo de hidruro metálico de deuterio/tritio con iones de deuterio y tritio . La fusión resultante a pequeña escala produce neutrones en una ubicación protegida fuera del paquete de física, desde donde penetran en el pozo. Este método permite una mejor sincronización de los primeros eventos de fisión en la reacción en cadena, que óptimamente deberían ocurrir en el punto de máxima compresión/supercriticidad. El momento de la inyección de neutrones es un parámetro más importante que el número de neutrones inyectados: las primeras generaciones de la reacción en cadena son mucho más efectivas debido a la función exponencial por la que evoluciona la multiplicación de neutrones.

La masa crítica de una esfera de metal desnudo sin comprimir es de 50 kg (110 lb) para el uranio-235 y de 16 kg (35 lb) para el plutonio-239 en fase delta. En aplicaciones prácticas, la cantidad de material necesaria para la criticidad se modifica según la forma, la pureza, la densidad y la proximidad a material que refleje neutrones , todo lo cual afecta el escape o la captura de neutrones.

Para evitar una reacción en cadena prematura durante la manipulación, el material fisible del arma debe mantenerse subcrítico. Puede consistir en uno o más componentes que contengan menos de una masa crítica sin comprimir cada uno. Una carcasa hueca delgada puede tener más que la masa crítica de una esfera desnuda, al igual que un cilindro, que puede ser arbitrariamente largo sin alcanzar nunca la criticidad. Otro método para reducir el riesgo de criticidad es incorporar material con una gran sección transversal para la captura de neutrones, como el boro (en concreto, ¹⁰ B que comprende el 20% del boro natural). Naturalmente, este absorbedor de neutrones debe retirarse antes de que se detone el arma. Esto es fácil para una bomba ensamblada con un cañón: la masa del proyectil simplemente empuja al absorbedor fuera del vacío entre las dos masas subcríticas por la fuerza de su movimiento.

El uso de plutonio afecta al diseño de armas debido a su alta tasa de emisión alfa. Esto hace que el metal Pu produzca espontáneamente un calor significativo; una masa de 5 kilogramos produce 9,68 vatios de potencia térmica. Una pieza de este tipo estaría caliente al tacto, lo que no es un problema si ese calor se disipa rápidamente y no se permite que aumente la temperatura. Pero esto es un problema dentro de una bomba nuclear. Por esta razón, las bombas que utilizan combustible Pu utilizan piezas de aluminio para absorber el exceso de calor, y esto complica el diseño de la bomba porque el aluminio no juega un papel activo en los procesos de explosión.

Un tamper es una capa opcional de material denso que rodea el material fisionable. Debido a su inercia, retrasa la expansión térmica de la masa de combustible fisionable, manteniéndola supercrítica durante más tiempo. A menudo ^{[¿ cuándo? ]} la misma capa sirve tanto como tamper como reflector de neutrones.

Little Boy , la bomba de Hiroshima, utilizó 64 kg (141 lb) de uranio con un enriquecimiento promedio de alrededor del 80%, o 51 kg (112 lb) de uranio-235, casi la masa crítica del metal desnudo (ver el artículo de Little Boy para un dibujo detallado) . Cuando se ensambló dentro de su pisón/reflector de carburo de tungsteno , los 64 kg (141 lb) eran más del doble de la masa crítica. Antes de la detonación, el uranio-235 se formó en dos piezas subcríticas, una de las cuales fue disparada más tarde por el cañón de un arma para unirse a la otra, iniciando la explosión nuclear. El análisis muestra que menos del 2% de la masa de uranio sufrió fisión; ^[17] el resto, que representa la mayor parte de toda la producción de guerra de las gigantescas fábricas de Y-12 en Oak Ridge, se dispersó inútilmente. ^[18]

La ineficiencia se debió a la velocidad con la que el uranio fisionable sin comprimir se expandió y se volvió subcrítico en virtud de la disminución de la densidad. A pesar de su ineficiencia, este diseño, debido a su forma, fue adaptado para su uso en proyectiles de artillería cilíndricos de diámetro pequeño (una ojiva tipo cañón disparada desde el cañón de un cañón mucho más grande). ^{[ cita requerida ]} Estados Unidos empleó dichas ojivas hasta 1992, lo que representa una fracción significativa del ²³⁵ U en el arsenal ^{[ cita requerida ]} y fueron algunas de las primeras armas desmanteladas para cumplir con los tratados que limitaban el número de ojivas. ^{[ cita requerida ]} La razón de esta decisión fue, sin duda, una combinación del menor rendimiento y los graves problemas de seguridad asociados con el diseño tipo cañón. ^{[ cita requerida ]}

Tanto para el dispositivo Trinity como para la bomba Fat Man (de Nagasaki), se utilizaron diseños de fisión de plutonio mediante implosión casi idénticos. El dispositivo Fat Man utilizó específicamente 6,2 kg (14 lb), aproximadamente 350 ml o 12 onzas líquidas estadounidenses en volumen, de Pu-239 , que es solo el 41% de la masa crítica de la esfera desnuda (consulte el artículo de Fat Man para obtener un dibujo detallado) . Rodeado por un reflector/apretón de U-238 , el pozo de Fat Man se acercó a la masa crítica por las propiedades de reflexión de neutrones del U-238. Durante la detonación, la criticidad se logró por implosión. El pozo de plutonio se comprimió para aumentar su densidad mediante la detonación simultánea, como en la detonación de prueba "Trinity" tres semanas antes, de los explosivos convencionales colocados uniformemente alrededor del pozo. Los explosivos fueron detonados por múltiples detonadores de puente de alambre explosivo . Se estima que solo alrededor del 20% del plutonio experimentó fisión; El resto, unos 5 kg (11 lb), quedó disperso.

Una onda de choque de implosión puede tener una duración tan corta que solo una parte del pozo se comprime en cualquier instante mientras la onda pasa a través de él. Para evitar esto, puede ser necesario un propulsor. El propulsor está ubicado entre la lente explosiva y el tamper. Funciona reflejando parte de la onda de choque hacia atrás, lo que tiene el efecto de alargar su duración. Está hecho de un metal de baja densidad , como aluminio , berilio o una aleación de los dos metales (el aluminio es más fácil y seguro de moldear, y es dos órdenes de magnitud más barato; el berilio tiene una alta capacidad de reflexión de neutrones). Fat Man utilizó un propulsor de aluminio.

La serie de pruebas del Experimento RaLa de conceptos de diseño de armas de fisión de tipo implosión, llevadas a cabo desde julio de 1944 hasta febrero de 1945 en el Laboratorio de Los Álamos y en un sitio remoto a 14,3 km (8,9 mi) al este de este en el Cañón Bayo, demostraron la viabilidad del diseño de implosión para un dispositivo de fisión, y las pruebas de febrero de 1945 determinaron positivamente su utilidad para el diseño final de implosión de plutonio Trinity/Fat Man. ^[19]

La clave de la mayor eficiencia de Fat Man fue el impulso hacia adentro del gigantesco manipulador de U-238 (el manipulador de uranio natural no sufrió fisión por neutrones térmicos, pero contribuyó quizás con un 20% del rendimiento total de la fisión por neutrones rápidos). Después de que la reacción en cadena comenzó en el plutonio, continuó hasta que la explosión invirtió el impulso de la implosión y se expandió lo suficiente para detener la reacción en cadena. Al mantener todo junto durante unos pocos cientos de nanosegundos más, el manipulador aumentó la eficiencia.

El núcleo de un arma de implosión (el material fisible y cualquier reflector o dispositivo de manipulación adherido a él) se conoce como foso . Algunas armas probadas durante la década de 1950 utilizaron fosos hechos con U-235 solo, o en combinación con plutonio , ^[20] pero los fosos hechos completamente de plutonio son los de menor diámetro y han sido el estándar desde principios de la década de 1960. ^{[ cita requerida ]}

El moldeo y posterior mecanizado del plutonio es difícil no solo por su toxicidad, sino también porque el plutonio tiene muchas fases metálicas diferentes . A medida que el plutonio se enfría, los cambios de fase dan lugar a distorsión y agrietamiento. Esta distorsión normalmente se supera al alearlo con 30–35 mMol (0,9–1,0% en peso) de galio , formando una aleación de plutonio-galio , que hace que adopte su fase delta en un amplio rango de temperaturas. ^[21] Cuando se enfría desde el estado fundido, entonces tiene solo un cambio de fase, de épsilon a delta, en lugar de los cuatro cambios por los que pasaría de otra manera. Otros metales trivalentes también funcionarían, pero el galio tiene una pequeña sección transversal de absorción de neutrones y ayuda a proteger el plutonio contra la corrosión . Un inconveniente es que los compuestos de galio son corrosivos y, por lo tanto, si el plutonio se recupera de armas desmanteladas para su conversión en dióxido de plutonio para reactores de potencia , existe la dificultad de eliminar el galio. ^{[ cita requerida ]}

Como el plutonio es químicamente reactivo, es común recubrir el pozo terminado con una fina capa de metal inerte, lo que también reduce el riesgo tóxico. ^[22] El dispositivo utilizaba un revestimiento de plata galvánica; después, se utilizó níquel depositado a partir de vapores de tetracarbonilo de níquel , ^[22] pero a partir de entonces y desde entonces, el oro se convirtió en el material preferido. ^{[ cita requerida ]} Los diseños recientes mejoran la seguridad al recubrir los pozos con vanadio para hacerlos más resistentes al fuego. ^{[ cita requerida ]}

La primera mejora del diseño de Fat Man fue colocar un espacio de aire entre el apisonador y el pozo para crear un impacto de martillo sobre clavo. Se decía que el pozo, apoyado sobre un cono hueco dentro de la cavidad del apisonador, estaba "levitado". Las tres pruebas de la Operación Sandstone , en 1948, utilizaron diseños de Fat Man con pozos levitados. El rendimiento más alto fue de 49 kilotones, más del doble del rendimiento del Fat Man sin levitar. ^[23]

De inmediato quedó claro ^{(¿ según quién? )} que la implosión era el mejor diseño para un arma de fisión. Su único inconveniente parecía ser su diámetro. Fat Man medía 1,5 metros de ancho frente a los 61 centímetros de Little Boy.

El núcleo de Pu-239 de Fat Man tenía solo 9,1 centímetros (3,6 pulgadas) de diámetro, el tamaño de una pelota de béisbol. La mayor parte del grosor de Fat Man estaba formado por el mecanismo de implosión, es decir, capas concéntricas de U-238, aluminio y explosivos de alta potencia. La clave para reducir ese grosor era el diseño de implosión de dos puntos. ^{[ cita requerida ]}

En la implosión lineal de dos puntos, el combustible nuclear se moldea en una forma sólida y se coloca dentro del centro de un cilindro de alto explosivo. Los detonadores se colocan en cada extremo del cilindro explosivo, y un inserto en forma de placa, o moldeador , se coloca en el explosivo justo dentro de los detonadores. Cuando se disparan los detonadores, la detonación inicial queda atrapada entre el moldeador y el extremo del cilindro, lo que hace que se desplace hacia los bordes del moldeador, donde se difracta alrededor de los bordes en la masa principal del explosivo. Esto hace que la detonación forme un anillo que avanza hacia adentro desde el moldeador. ^[24]

Debido a la falta de un apisonador o lentes para dar forma a la progresión, la detonación no llega al pozo en forma esférica. Para producir la implosión esférica deseada, el material fisionable en sí mismo se moldea para producir el mismo efecto. Debido a la física de la propagación de la onda de choque dentro de la masa explosiva, esto requiere que el pozo sea un esferoide alargado , es decir, con forma aproximada de huevo. La onda de choque llega primero al pozo en sus puntas, empujándolas hacia adentro y haciendo que la masa se vuelva esférica. El choque también puede cambiar el plutonio de la fase delta a la fase alfa, aumentando su densidad en un 23%, pero sin el impulso hacia adentro de una verdadera implosión. ^{[ cita requerida ]}

La falta de compresión hace que estos diseños sean ineficientes, pero la simplicidad y el pequeño diámetro los hacen adecuados para su uso en proyectiles de artillería y municiones de demolición atómica (ADM, por sus siglas en inglés), también conocidas como bombas nucleares de mochila o de maleta ; un ejemplo es el proyectil de artillería W48 , el arma nuclear más pequeña jamás construida o desplegada. Todas estas armas de campo de batalla de bajo rendimiento, ya sean diseños tipo cañón U-235 o diseños de implosión lineal Pu-239, pagan un alto precio en material fisionable para lograr diámetros de entre seis y diez pulgadas (15 y 25 cm). ^{[ cita requerida ]}

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Un sistema de implosión más eficiente utiliza un pozo hueco. ^{[ cita requerida ]}

El diseño original de la bomba Fat Man de 1945 era un pozo hueco de plutonio, pero no hubo tiempo suficiente para desarrollar y probar el sistema de implosión. Se consideró que un diseño más simple con pozo sólido era más confiable, dadas las limitaciones de tiempo, pero requería un pesado apisonador de U-238, un grueso propulsor de aluminio y tres toneladas de explosivos de alta potencia. ^{[ cita requerida ]}

Después de la guerra, el interés por el diseño de foso hueco se reavivó. Su ventaja obvia es que una carcasa hueca de plutonio, deformada por impacto y empujada hacia adentro, hacia su centro vacío, aportaría impulso a su violento ensamblaje como una esfera sólida. Sería autoapisonable, lo que requeriría un apisonador de U-238 más pequeño, ningún empujador de aluminio y menos explosivo de alta potencia. ^{[ cita requerida ]}

El siguiente paso en la miniaturización fue acelerar la fisión del pozo para reducir el tiempo mínimo de confinamiento inercial. Esto permitiría la fisión eficiente del combustible con menos masa en forma de material de relleno o del propio combustible. La clave para lograr una fisión más rápida sería introducir más neutrones y, entre las muchas formas de hacerlo, añadir una reacción de fusión era relativamente fácil en el caso de un pozo hueco. ^{[ cita requerida ]}

La reacción de fusión más fácil de lograr se encuentra en una mezcla 50-50 de tritio y deuterio. ^[25] Para los experimentos de energía de fusión, esta mezcla debe mantenerse a altas temperaturas durante tiempos relativamente largos para tener una reacción eficiente. Sin embargo, para el uso explosivo, el objetivo no es producir una fusión eficiente, sino simplemente proporcionar neutrones adicionales al principio del proceso. ^{[ cita requerida ]} Dado que una explosión nuclear es supercrítica, cualquier neutrón adicional se multiplicará por la reacción en cadena, por lo que incluso pequeñas cantidades introducidas al principio pueden tener un gran efecto en el resultado. Por esta razón, incluso las presiones y tiempos de compresión relativamente bajos (en términos de fusión) que se encuentran en el centro de una ojiva de pozo hueco son suficientes para crear el efecto deseado. ^{[ cita requerida ]}

En el diseño reforzado, el combustible de fusión en forma de gas se bombea al pozo durante el armado. Éste se fusionará en helio y liberará neutrones libres poco después de que comience la fisión. ^{[ cita requerida ]} Los neutrones iniciarán una gran cantidad de nuevas reacciones en cadena mientras el pozo aún se encuentre en estado crítico o casi crítico. Una vez que se perfeccione el pozo hueco, hay pocas razones para no reforzarlo; el deuterio y el tritio se producen fácilmente en las pequeñas cantidades necesarias, y los aspectos técnicos son triviales. ^[25]

El concepto de fisión impulsada por fusión se probó por primera vez el 25 de mayo de 1951, en el reactor de la Operación Invernadero , Eniwetok , que produjo 45,5 kilotones. ^{[ cita requerida ]}

El impulso reduce el diámetro de tres maneras, todas ellas resultado de una fisión más rápida:

• Como no es necesario mantener el pozo comprimido unido durante tanto tiempo, el enorme tampón de U-238 se puede reemplazar por una carcasa de berilio liviana (para reflejar los neutrones que escapan hacia el pozo). El diámetro se reduce. ^{[ cita requerida ]}
• La masa del hueso se puede reducir a la mitad sin reducir el rendimiento. El diámetro se reduce nuevamente. ^{[ cita requerida ]}
• Dado que la masa del metal que se está implosionando (manipulación más perforación) se reduce, se necesita una carga más pequeña de explosivo de alto poder, lo que reduce aún más el diámetro. ^{[ cita requerida ]}

^{[ cita requerida ]}

El primer dispositivo cuyas dimensiones sugieren el empleo de todas estas características (implosión de dos puntos, en cavidad hueca y potenciada por fusión) fue el dispositivo Swan . Tenía una forma cilíndrica con un diámetro de 11,6 pulgadas (29 cm) y una longitud de 22,8 pulgadas (58 cm). ^{[ cita requerida ]}

Primero se probó de manera independiente y luego como el proyectil principal de un dispositivo termonuclear de dos etapas durante la Operación Redwing . Se utilizó como arma principal Robin y se convirtió en el primer proyectil principal multiusos disponible en el mercado y en el prototipo de todos los que vinieron después. ^{[ cita requerida ]}

Después del éxito de Swan, 11 o 12 pulgadas (28 o 30 cm) parecieron convertirse en el diámetro estándar de los dispositivos monoetapa potenciados probados durante la década de 1950. ^{[ cita requerida ]} La longitud era generalmente el doble del diámetro, pero uno de esos dispositivos, que se convirtió en la ojiva W54 , estaba más cerca de una esfera, de solo 15 pulgadas (38 cm) de largo.

Una de las aplicaciones del W54 fue el proyectil para fusil sin retroceso Davy Crockett XM-388 . Tenía unas dimensiones de tan solo 11 pulgadas (28 cm) y se muestra aquí en comparación con su predecesor Fat Man (60 pulgadas (150 cm)).

Otro beneficio de la potenciación, además de hacer que las armas sean más pequeñas, más ligeras y con menos material fisible para un rendimiento determinado, es que las vuelve inmunes a la predetonación. ^{[ cita requerida ]} Se descubrió a mediados de la década de 1950 que las fosas de plutonio serían particularmente susceptibles a la predetonación parcial si se exponían a la intensa radiación de una explosión nuclear cercana (la electrónica también podría resultar dañada, pero este era un problema aparte). ^{[ cita requerida ] La RI era un problema particular antes de que existieran sistemas} de radar de alerta temprana eficaces porque un ataque de primer ataque podría hacer que las armas de represalia fueran inútiles. La potenciación reduce la cantidad de plutonio necesaria en un arma a un nivel inferior al que sería vulnerable a este efecto. ^{[ cita requerida ]}

Se pueden fabricar armas de fisión pura o de fisión potenciada por fusión para producir cientos de kilotones, con un gran gasto de material fisible y tritio, pero, con mucho, la forma más eficiente de aumentar el rendimiento de las armas nucleares más allá de unos diez kilotones es añadir una segunda etapa independiente, llamada secundaria. ^{[ cita requerida ]}

En la década de 1940, los diseñadores de bombas en Los Álamos pensaron que el secundario sería un recipiente de deuterio en forma licuada o hidruro. La reacción de fusión sería DD, más difícil de lograr que DT, pero más asequible. Una bomba de fisión en un extremo comprimiría por choque y calentaría el extremo cercano, y la fusión se propagaría a través del recipiente hasta el extremo más alejado. Las simulaciones matemáticas demostraron que no funcionaría, incluso con grandes cantidades de tritio, un material costoso. ^{[ cita requerida ]}

Todo el recipiente de combustible de fusión tendría que estar envuelto por energía de fisión, tanto para comprimirlo como para calentarlo, como sucede con la carga de refuerzo en un reactor primario reforzado. El avance en el diseño se produjo en enero de 1951, cuando Edward Teller y Stanislaw Ulam inventaron la implosión por radiación, que durante casi tres décadas se conoció públicamente solo como el secreto de la bomba H de Teller-Ulam . ^{[26] [27]}

El concepto de implosión por radiación se probó por primera vez el 9 de mayo de 1951, en el lanzamiento de George de la Operación Greenhouse , en Eniwetok, que produjo 225 kilotones. La primera prueba completa se realizó el 1 de noviembre de 1952, en el lanzamiento de Mike de la Operación Ivy , en Eniwetok, que produjo 10,4 megatones. ^{[ cita requerida ]}

En la implosión por radiación, la explosión de energía de rayos X que proviene de un núcleo primario en explosión es capturada y contenida dentro de un canal de radiación de paredes opacas que rodea los componentes de energía nuclear del núcleo secundario. La radiación convierte rápidamente la espuma plástica que había estado llenando el canal en un plasma que es en su mayor parte transparente a los rayos X, y la radiación es absorbida en las capas más externas del empujador/apretón que rodea al núcleo secundario, que se ablaciona y aplica una fuerza masiva ^[28] (muy similar a un motor de cohete al revés) haciendo que la cápsula de combustible de fusión implosione de manera muy similar a la cavidad del núcleo primario. A medida que el núcleo secundario implosiona, una "bujía" fisible en su centro se enciende y proporciona neutrones y calor que permiten que el combustible de fusión de deuteruro de litio produzca tritio y se encienda también. Las reacciones en cadena de fisión y fusión intercambian neutrones entre sí y aumentan la eficiencia de ambas reacciones. La mayor fuerza implosiva, la mayor eficiencia de la "bujía" fisible debido al impulso a través de neutrones de fusión y la explosión de fusión en sí misma proporcionan un rendimiento explosivo significativamente mayor del secundario a pesar de que a menudo no es mucho mayor que el primario. ^{[ cita requerida ]}

Por ejemplo, para la prueba del Redwing Mohawk del 3 de julio de 1956, se adjuntó un secundario llamado Flute al primario Swan. El Flute tenía 15 pulgadas (38 cm) de diámetro y 23,4 pulgadas (59 cm) de largo, aproximadamente el tamaño del Swan. Pero pesaba diez veces más y producía 24 veces más energía (355 kilotones, frente a 15 kilotones). ^{[ cita requerida ]}

Igualmente importante es que los ingredientes activos del Flute probablemente no cuestan más que los del Swan. La mayor parte de la fisión se realizó a partir de U-238 barato, y el tritio se fabricó en el lugar durante la explosión. Solo la bujía en el eje del secundario necesitaba ser fisionable. ^{[ cita requerida ]}

Un secundario esférico puede lograr densidades de implosión más altas que un secundario cilíndrico, porque la implosión esférica empuja desde todas las direcciones hacia el mismo punto. Sin embargo, en ojivas que producen más de un megatón, el diámetro de un secundario esférico sería demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones. En tales casos, es necesario un secundario cilíndrico. Los vehículos de reentrada pequeños y con forma de cono en los misiles balísticos de múltiples ojivas posteriores a 1970 tendían a tener ojivas con secundarios esféricos y producciones de unos pocos cientos de kilotones. ^{[ cita requerida ]}

Al igual que con el impulso, las ventajas del diseño termonuclear de dos etapas son tan grandes que hay pocos incentivos para no utilizarlo, una vez que una nación ha dominado la tecnología. ^{[ cita requerida ]}

En términos de ingeniería, la implosión por radiación permite aprovechar varias características conocidas de los materiales de las bombas nucleares que hasta ahora habían eludido su aplicación práctica. Por ejemplo:

• La forma óptima de almacenar el deuterio en un estado razonablemente denso es unirlo químicamente con litio, como deuteruro de litio. Pero el isótopo litio-6 también es la materia prima para la producción de tritio, y una bomba que explota es un reactor nuclear. La implosión por radiación mantendrá todo unido el tiempo suficiente para permitir la conversión completa de litio-6 en tritio, mientras la bomba explota. Por lo tanto, el agente de unión para el deuterio permite el uso de la reacción de fusión DT sin que se almacene tritio prefabricado en el secundario. La restricción de la producción de tritio desaparece. ^{[ cita requerida ]}
• Para que el secundario sea implosionado por el plasma caliente inducido por la radiación que lo rodea, debe permanecer frío durante el primer microsegundo, es decir, debe estar envuelto en un enorme escudo de radiación (calor). La masividad del escudo le permite hacer las veces de manipulador, añadiendo impulso y duración a la implosión. Ningún material es más adecuado para ambas tareas que el uranio-238 ordinario y barato, que también sufre fisión cuando es golpeado por los neutrones producidos por la fusión DT. Esta carcasa, llamada empujador, tiene por tanto tres funciones: mantener frío al secundario; mantenerlo, inercialmente, en un estado altamente comprimido; y, por último, servir como fuente principal de energía para toda la bomba. El empujador consumible hace que la bomba sea más una bomba de fisión de uranio que una bomba de fusión de hidrógeno. Los expertos nunca utilizaron el término "bomba de hidrógeno". ^[29]
• Por último, el calor necesario para la ignición de la fusión no proviene de la bomba primaria, sino de una segunda bomba de fisión llamada bujía, incrustada en el corazón de la secundaria. La implosión de la secundaria hace implosionar esta bujía, detonándola y encendiendo la fusión en el material que la rodea, pero la bujía continúa fisionándose en el entorno rico en neutrones hasta que se consume por completo, lo que aumenta significativamente el rendimiento. ^[30]

En los cincuenta años siguientes, nadie ha encontrado una forma más eficiente de construir una bomba termonuclear. Es el diseño elegido por Estados Unidos, Rusia, el Reino Unido, China y Francia, las cinco potencias termonucleares. El 3 de septiembre de 2017, Corea del Norte llevó a cabo lo que informó como su primera prueba de "arma termonuclear de dos etapas". ^[31] Según el Dr. Theodore Taylor , después de revisar fotografías filtradas de componentes de armas desmontados tomadas antes de 1986, Israel poseía armas potenciadas y necesitaría supercomputadoras de esa época para avanzar más hacia armas de dos etapas completas en el rango de megatones sin detonaciones de pruebas nucleares. ^[32] Las otras naciones con armas nucleares, India y Pakistán, probablemente tengan armas de una sola etapa, posiblemente potenciadas. ^[30]

En un arma termonuclear de dos etapas, la energía de la primaria impacta en la secundaria. Un modulador esencial ^{de transferencia de} energía, llamado interetapa, entre la primaria y la secundaria, protege el combustible de fusión de la secundaria de un calentamiento demasiado rápido, lo que podría provocar que explote en una explosión térmica convencional (y pequeña) antes de que las reacciones de fusión y fisión tengan la oportunidad de comenzar. ^{[ cita requerida ]}

Hay muy poca información en la literatura abierta sobre el mecanismo de la etapa intermedia. ^{[ cita requerida ]} Su primera mención en un documento del gobierno de EE. UU. publicado formalmente al público parece ser un título en un gráfico que promociona el Programa de ojivas de reemplazo confiable en 2007. Si se construye, este nuevo diseño reemplazaría "material tóxico y quebradizo" y "material 'especial' costoso" en la etapa intermedia. ^[33] Esta declaración sugiere que la etapa intermedia puede contener berilio para moderar el flujo de neutrones del primario, y tal vez algo para absorber y volver a irradiar los rayos X de una manera particular. ^[34] También existe cierta especulación de que este material de la etapa intermedia, que puede tener el nombre en código Fogbank , podría ser un aerogel , posiblemente dopado con berilio y/u otras sustancias. ^{[35] [36]}

La etapa intermedia y la secundaria están encerradas juntas dentro de una membrana de acero inoxidable para formar el subconjunto enlatado (CSA), una disposición que nunca se ha representado en ningún dibujo de código abierto. ^[37] La ​​ilustración más detallada de una etapa intermedia muestra un arma termonuclear británica con un conjunto de elementos entre su primaria y una secundaria cilíndrica. Están etiquetados como "tapa terminal y lente de enfoque de neutrones", "reflector/carro de cañón de neutrones" y "envoltura del reflector". El origen del dibujo, publicado en Internet por Greenpeace, es incierto y no hay ninguna explicación que lo acompañe. ^[38]

Si bien todos los diseños de armas nucleares entran en alguna de las categorías mencionadas, en ocasiones algunos diseños específicos han sido objeto de noticias y debates públicos, a menudo con descripciones incorrectas sobre cómo funcionan y qué hacen. Ejemplos:

El primer intento de explotar la relación simbiótica entre la fisión y la fusión fue un diseño de la década de 1940 que mezclaba combustible de fisión y fusión en capas delgadas alternas. Como dispositivo de una sola etapa, habría sido una aplicación engorrosa de la fisión potenciada. Se volvió práctico por primera vez cuando se incorporó al secundario de un arma termonuclear de dos etapas. ^[39]

El nombre estadounidense, Alarm Clock, proviene de Teller: lo llamó así porque podría "despertar al mundo" a la posibilidad del potencial del Super. ^[40] El nombre ruso para el mismo diseño era más descriptivo: Sloika ( en ruso : Слойка ), un pastel de masa en capas. Un Sloika soviético de una sola etapa fue probado como RDS-6 el 12 de agosto de 1953. No se probó ninguna versión estadounidense de una sola etapa, pero el nombre en código Castle Union disparado en la Operación Castle , el 26 de abril de 1954, fue un dispositivo termonuclear de dos etapas llamado Alarm Clock. Su rendimiento, en Bikini , fue de 6,9 ​​megatones. ^{[ cita requerida ]}

Como la prueba soviética Sloika utilizó deuteruro de litio-6 seco ocho meses antes de la primera prueba estadounidense que lo utilizó (Castle Bravo, 1 de marzo de 1954), a veces se afirmó que la URSS ganó la carrera de la bomba H, a pesar de que Estados Unidos probó y desarrolló la primera bomba de hidrógeno: la prueba de la bomba H Ivy Mike. La prueba Ivy Mike estadounidense de 1952 utilizó deuterio líquido enfriado criogénicamente como combustible de fusión en el secundario y empleó la reacción de fusión DD. Sin embargo, la primera prueba soviética que utilizó un secundario implosionado por radiación, la característica esencial de una verdadera bomba H, fue el 23 de noviembre de 1955, tres años después de Ivy Mike. De hecho, el trabajo real sobre el esquema de implosión en la Unión Soviética recién comenzó a principios de 1953, varios meses después de la prueba exitosa de Sloika. ^{[ cita requerida ]}

El 1 de marzo de 1954, la mayor explosión de prueba nuclear jamás realizada en Estados Unidos, el disparo Castle Bravo de 15 megatones de la Operación Castle en el atolón Bikini, liberó una dosis inmediatamente letal de productos de fisión a más de 6.000 millas cuadradas (16.000 km2 ⁾ de la superficie del Océano Pacífico. ^[41] Las lesiones por radiación a los habitantes de las Islas Marshall y a los pescadores japoneses hicieron público ese hecho y revelaron el papel de la fisión en las bombas de hidrógeno.

En respuesta a la alarma pública sobre la lluvia radiactiva, se hizo un esfuerzo para diseñar un arma limpia de varios megatones, basándose casi por completo en la fusión. La energía producida por la fisión de uranio natural no enriquecido , cuando se utiliza como material de manipulación en las etapas secundaria y posteriores en el diseño Teller-Ulam, puede superar con creces la energía liberada por la fusión, como fue el caso en la prueba Castle Bravo. Reemplazar el material fisionable en el material de manipulación por otro material es esencial para producir una bomba "limpia". En un dispositivo de este tipo, el material de manipulación ya no contribuye con energía, por lo que para cualquier peso dado, una bomba limpia tendrá menos rendimiento. El primer caso conocido de un dispositivo de tres etapas en prueba, con la tercera etapa, llamada terciaria, encendida por la secundaria, fue el 27 de mayo de 1956, en el dispositivo Bassoon. Este dispositivo fue probado en el disparo Zuni de la Operación Redwing . Este disparo utilizó materiales de manipulación no fisionables; se utilizó un material sustituto inerte como tungsteno o plomo. Su rendimiento fue de 3,5 megatones, 85% de fusión y sólo 15% de fisión. ^{[ cita requerida ]}

El concepto Ripple, que utilizaba la ablación para lograr la fusión utilizando muy poca fisión, fue y sigue siendo, con diferencia, el diseño más limpio. A diferencia de las bombas limpias anteriores, que eran limpias simplemente reemplazando el combustible de fisión con una sustancia inerte, Ripple era limpia por diseño. Ripple también era extremadamente eficiente; durante la Operación Dominic se hicieron planes para una bomba de 15 kt/kg . La bomba Androscoggin presentó un diseño Ripple de prueba de concepto, que dio como resultado una explosión de 63 kilotones (significativamente inferior a los 15 megatones previstos). Se repitió en la bomba Housatonic, que presentó una explosión de 9,96 megatones que, según se informó, fue >99,9% de fusión. ^[42]

Los registros públicos de dispositivos que produjeron la mayor proporción de su rendimiento mediante reacciones de fusión son las explosiones nucleares pacíficas de la década de 1970. Otros incluyen el Dominic Housatonic de 10 megatones con más del 99,9% de fusión, el Tsar Bomba de 50 megatones con el 97% de fusión, ^[43] la prueba Hardtack Poplar de 9,3 megatones con el 95%, ^[44] y la prueba Redwing Navajo de 4,5 megatones con el 95% de fusión. ^[45]

La URSS persiguió el uso pacífico más ambicioso de las explosiones nucleares con el objetivo de crear un canal de 112 km de longitud entre la cuenca del río Pechora y la cuenca del río Kama , aproximadamente la mitad del cual se construiría mediante una serie de explosiones nucleares subterráneas. Se informó que podrían usarse alrededor de 250 dispositivos nucleares para lograr el objetivo final. La prueba Taiga debía demostrar la viabilidad del proyecto. Tres de estos dispositivos "limpios" de 15 kilotones de rendimiento cada uno se colocaron en pozos separados espaciados unos 165 m a profundidades de 127 m. Fueron detonados simultáneamente el 23 de marzo de 1971, catapultando una columna radiactiva al aire que fue transportada hacia el este por el viento. La zanja resultante tenía alrededor de 700 m de largo y 340 m de ancho, con una profundidad poco impresionante de solo 10-15 m. ^[46] A pesar de su naturaleza "limpia", el área aún exhibe una concentración notablemente más alta (aunque mayormente inofensiva) de productos de fisión, el intenso bombardeo de neutrones del suelo, el dispositivo en sí y las estructuras de soporte también activaron sus elementos estables para crear una cantidad significativa de elementos radiactivos artificiales como ^{el 60} Co. El peligro general planteado por la concentración de elementos radiactivos presentes en el sitio creado por estos tres dispositivos todavía es insignificante, pero un proyecto de mayor escala como el previsto habría tenido consecuencias significativas tanto por la lluvia radiactiva como por los elementos radiactivos creados por el bombardeo de neutrones. ^[47]

El 19 de julio de 1956, el presidente de la AEC, Lewis Strauss, dijo que la prueba de la bomba limpia Redwing Zuni "produjo mucho de importancia... desde un aspecto humanitario". Sin embargo, menos de dos días después de este anuncio, la versión sucia de Bassoon, llamada Bassoon Prime, con un manipulador de uranio-238 en su lugar, fue probada en una barcaza frente a la costa del atolón de Bikini mientras la Redwing Tewa disparaba. La Bassoon Prime produjo un rendimiento de 5 megatones, de los cuales el 87% provino de la fisión. Los datos obtenidos de esta prueba, y otras, culminaron en el eventual despliegue del arma nuclear estadounidense de mayor rendimiento conocida, y el arma con mayor rendimiento-peso jamás fabricada , un arma termonuclear de tres etapas con un rendimiento "sucio" máximo de 25 megatones, designada como la bomba nuclear B41 , que debía ser transportada por bombarderos de la Fuerza Aérea de los EE. UU. hasta que fuera desmantelada; esta arma nunca fue probada por completo. ^{[ cita requerida ]}

Las armas nucleares de primera y segunda generación liberan energía en forma de explosiones omnidireccionales. Las armas nucleares de tercera generación ^{[48] [49] [50]} son ​​ojivas y dispositivos experimentales de efectos especiales que pueden liberar energía de manera dirigida, algunos de los cuales se probaron durante la Guerra Fría pero nunca se utilizaron. Entre ellos se incluyen:

• Proyecto Prometeo, también conocido como “Escopeta Nuclear”, que habría utilizado una explosión nuclear para acelerar los penetradores cinéticos contra misiles balísticos intercontinentales. ^[51]
• Proyecto Excalibur , un láser de rayos X alimentado con energía nuclear para destruir misiles balísticos .
• Cargas nucleares huecas que concentran su energía en direcciones particulares.
• El Proyecto Orión exploró el uso de explosivos nucleares para la propulsión de cohetes.

La idea de las armas nucleares de "cuarta generación" se ha propuesto como un posible sucesor de los ejemplos de diseños de armas enumerados anteriormente. Estos métodos tienden a girar en torno al uso de elementos primarios no nucleares para desencadenar reacciones de fisión o fusión posteriores. Por ejemplo, si la antimateria fuera utilizable y controlable en cantidades macroscópicas, una reacción entre una pequeña cantidad de antimateria y una cantidad equivalente de materia podría liberar energía comparable a la de una pequeña arma de fisión, y podría a su vez usarse como la primera etapa de un arma termonuclear muy compacta. Los láseres extremadamente potentes también podrían usarse de esta manera, si pudieran hacerse lo suficientemente potentes y compactos como para ser viables como arma. La mayoría de estas ideas son versiones de armas de fusión pura , y comparten la propiedad común de que involucran tecnologías hasta ahora no realizadas como sus etapas "primarias". ^[52]

Aunque muchos países han invertido mucho en programas de investigación sobre fusión por confinamiento inercial , desde los años 1970 no se ha considerado que sea una herramienta prometedora para su uso directo en armas, sino más bien como una herramienta para la investigación relacionada con las armas y la energía que se puede utilizar en ausencia de pruebas nucleares a gran escala. No está claro si algún país está buscando agresivamente armas de "cuarta generación". En muchos casos (como en el caso de la antimateria), se cree actualmente que la tecnología subyacente está muy lejos de ser viable y, si lo fuera, sería un arma poderosa en sí misma, fuera del contexto de las armas nucleares, y sin ofrecer ninguna ventaja significativa sobre los diseños de armas nucleares existentes ^[53].

Desde la década de 1950, Estados Unidos y la Unión Soviética investigaron la posibilidad de liberar cantidades significativas de energía nuclear de fusión sin utilizar un núcleo primario de fisión. Estas "armas de fusión pura" se concibieron principalmente como armas nucleares tácticas de bajo rendimiento cuya ventaja sería su capacidad de ser utilizadas sin producir una lluvia radiactiva en la escala de las armas que liberan productos de fisión. En 1998, el Departamento de Energía de Estados Unidos desclasificó lo siguiente:

(1) El hecho de que el DOE realizó una inversión sustancial en el pasado para desarrollar un arma de fusión pura

(2) Que Estados Unidos no tiene ni está desarrollando un arma de fusión pura; y

(3) Que de la inversión del DOE no surgió ningún diseño creíble para un arma de fusión pura. ^[54]

El mercurio rojo , una sustancia que probablemente sea una farsa, ha sido promocionado como catalizador para un arma de fusión pura. ^{[ cita requerida ]}

La bomba de cobalto, popularizada en 1957 por la novela de Nevil Shute y la posterior película de 1959, On the Beach , es una bomba de hidrógeno con una cubierta de cobalto. El cobalto activado por neutrones habría maximizado el daño ambiental causado por la lluvia radiactiva. Estas bombas se popularizaron en la película de 1964 Dr. Strangelove o: Cómo aprendí a dejar de preocuparme y amar la bomba ; en la película se hace referencia al material añadido a las bombas como "cobalto-torio G". ^{[ cita requerida ]}

El Departamento de Defensa de Estados Unidos investigó estas armas "saladas". ^[55] Los productos de fisión son tan letales como el cobalto activado por neutrones.

Inicialmente, la radiación gamma de los productos de fisión de una bomba de fisión-fusión-fisión de tamaño equivalente es mucho más intensa que la del cobalto-60 (⁶⁰
Co
): 15.000 veces más intensa en 1 hora; 35 veces más intensa en 1 semana; 5 veces más intensa en 1 mes; y aproximadamente igual en 6 meses. A partir de entonces, la fisión disminuye rápidamente, de modo que⁶⁰
Co
La precipitación radiactiva es ocho veces más intensa que la fisión en un año y 150 veces más intensa en cinco años. Los isótopos de vida muy larga producidos por la fisión superarían a los⁶⁰
Co
de nuevo después de unos 75 años. ^[56]

La prueba de salva nuclear triple "taiga" , como parte del proyecto preliminar del Canal Pechora-Kama de marzo de 1971 , produjo una pequeña cantidad de productos de fisión y, por lo tanto, una cantidad comparativamente grande de productos activados por material de la caja son responsables de la mayor parte de la actividad residual en el sitio hoy, a saber:⁶⁰
Co
En 2011, la activación de neutrones generada por la fusión fue responsable de aproximadamente la mitad de la dosis gamma en el sitio de prueba. Esa dosis es demasiado pequeña para causar efectos nocivos, y existe vegetación verde normal alrededor del lago que se formó. ^{[57] [58]}

La idea de un dispositivo que tiene un número arbitrario de etapas Teller-Ulam, cada una de las cuales genera una implosión impulsada por radiación mayor que la etapa anterior, se sugiere con frecuencia ^{[59] [60]} , pero técnicamente es discutida. ^[61] Hay "bosquejos bien conocidos y algunos cálculos de apariencia razonable en la literatura abierta sobre armas de dos etapas, pero no hay descripciones igualmente precisas de conceptos verdaderos de tres etapas". ^[61]

Desde mediados de los años 1950 hasta principios de los 1960, los científicos que trabajaban en los laboratorios de armas de los Estados Unidos investigaron conceptos de armas de hasta 1.000 megatones, ^[62] y Edward Teller informó sobre el trabajo en un arma de 10.000 megatones con el nombre en código SUNDIAL en una reunión del Comité Asesor General de la Comisión de Energía Atómica. ^[63] Gran parte de la información sobre estos esfuerzos sigue siendo clasificada, ^{[64] [65]} pero las ideas de armas no parecen haber ido más allá de las investigaciones teóricas. Si bien tanto los EE. UU. como la Unión Soviética investigaron (y en el caso de los soviéticos, probaron) diseños de armas de "muy alto rendimiento" (por ejemplo, +50-100 megatones) en los años 1950 y principios de los 1960, ^[66] estos parecen representar el límite superior de los rendimientos de armas de la Guerra Fría perseguidos seriamente. Las tendencias de desarrollo de ojivas de la Guerra Fría desde mediados de la década de 1960 en adelante, y especialmente después del Tratado de Prohibición Limitada de Ensayos , dieron como resultado ojivas altamente compactas y de menor rendimiento que brindaban mayores opciones de lanzamiento.

A raíz de la preocupación causada por la escala estimada en gigatones de los impactos del cometa Shoemaker-Levy 9 de 1994 en el planeta Júpiter , en una reunión de 1995 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), Edward Teller propuso a un colectivo de ex diseñadores de armas de la Guerra Fría de Estados Unidos y Rusia que colaboraran en el diseño de un dispositivo explosivo nuclear de 1.000 megatones para desviar asteroides de clase de extinción (de más de 10 km de diámetro), que se emplearía en caso de que uno de estos asteroides estuviera en una trayectoria de impacto con la Tierra. ^{[67] [68] [69]}

Una bomba de neutrones, técnicamente denominada arma de radiación mejorada (REG), es un tipo de arma nuclear táctica diseñada específicamente para liberar una gran parte de su energía en forma de radiación neutrónica energética. Esto contrasta con las armas termonucleares estándar, que están diseñadas para capturar esta intensa radiación neutrónica para aumentar su rendimiento explosivo general. En términos de rendimiento, las REG suelen producir alrededor de una décima parte del de un arma atómica de tipo fisión. Incluso con su poder explosivo significativamente menor, las REG siguen siendo capaces de causar una destrucción mucho mayor que cualquier bomba convencional. Mientras tanto, en relación con otras armas nucleares, el daño se centra más en el material biológico que en la infraestructura material (aunque no se eliminan los efectos extremos de la explosión y el calor). ^{[ cita requerida ]}

Los REG se describen con más precisión como armas de potencia suprimida. Cuando la potencia de un arma nuclear es inferior a un kilotón, su radio letal de explosión, 700 m (2300 pies), es menor que el de su radiación de neutrones. Sin embargo, la explosión es más que lo suficientemente potente como para destruir la mayoría de las estructuras, que son menos resistentes a los efectos de la explosión que incluso los seres humanos desprotegidos. Se puede sobrevivir a presiones de explosión de más de 20 PSI, mientras que la mayoría de los edificios se derrumbarían con una presión de solo 5 PSI. ^{[ cita requerida ]}

Estas bombas (como se mencionó anteriormente) suelen ser consideradas erróneamente como un arma diseñada para matar poblaciones y dejar la infraestructura intacta, pero aún así son muy capaces de arrasar edificios en un radio amplio. La intención de su diseño era matar a las tripulaciones de los tanques, que brindan una excelente protección contra las explosiones y el calor, y sobreviven (relativamente) muy cerca de una detonación. Dadas las vastas fuerzas de tanques de los soviéticos durante la Guerra Fría, esta era el arma perfecta para contrarrestarlos. La radiación de neutrones podría incapacitar instantáneamente a la tripulación de un tanque a aproximadamente la misma distancia que el calor y la explosión incapacitarían a un humano desprotegido (según el diseño). El chasis del tanque también se volvería altamente radiactivo, lo que impediría temporalmente su reutilización por una nueva tripulación. ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, las armas de neutrones también fueron pensadas para su uso en otras aplicaciones. Por ejemplo, son eficaces en las defensas antinucleares: el flujo de neutrones es capaz de neutralizar una ojiva entrante a una distancia mayor que el calor o la explosión. Las ojivas nucleares son muy resistentes al daño físico, pero son muy difíciles de endurecer contra el flujo de neutrones extremo. ^{[ cita requerida ]}

Los REG eran armas termonucleares de dos etapas en las que se eliminaba todo el uranio no esencial para minimizar el rendimiento de la fisión. La fusión proporcionaba los neutrones. Desarrollados en la década de 1950, fueron utilizados por primera vez en la década de 1970 por las fuerzas estadounidenses en Europa. Los últimos fueron retirados en la década de 1990. ^{[ cita requerida ]}

Una bomba de neutrones sólo es factible si el rendimiento es lo suficientemente alto como para que sea posible una ignición eficiente en la etapa de fusión, y si el rendimiento es lo suficientemente bajo como para que el espesor de la carcasa no absorba demasiados neutrones. Esto significa que las bombas de neutrones tienen un rango de rendimiento de 1 a 10 kilotones, con una proporción de fisión que varía del 50% en 1 kilotón al 25% en 10 kilotones (todo lo cual proviene de la etapa primaria). La producción de neutrones por kilotón es entonces 10 a 15 veces mayor que para un arma de implosión de fisión pura o para una ojiva estratégica como una W87 o W88 . ^[70]

Todas las innovaciones en materia de diseño de armas nucleares que se analizan en este artículo surgieron de los tres laboratorios siguientes, de la manera descrita. Otros laboratorios de diseño de armas nucleares de otros países duplicaron esas innovaciones de diseño de forma independiente, las revirtieron a partir de análisis de la lluvia radiactiva o las adquirieron mediante espionaje. ^[71]

La primera exploración sistemática de los conceptos de diseño de armas nucleares tuvo lugar a mediados de 1942 en la Universidad de California, Berkeley . En el cercano Laboratorio Lawrence Berkeley se habían hecho importantes descubrimientos tempranos , como la producción y el aislamiento de plutonio mediante ciclotrones en 1940. Un profesor de Berkeley, J. Robert Oppenheimer , acababa de ser contratado para dirigir el proyecto secreto de diseño de bombas del país. Su primer acto fue convocar la conferencia de verano de 1942. ^{[ cita requerida ]}

Cuando trasladó su operación a la nueva ciudad secreta de Los Álamos, Nuevo México, en la primavera de 1943, la sabiduría acumulada sobre el diseño de armas nucleares consistía en cinco conferencias del profesor de Berkeley Robert Serber , transcritas y distribuidas como el (clasificado pero ahora completamente desclasificado y ampliamente disponible en línea como PDF) Los Alamos Primer . ^[72] El Primer abordó la energía de fisión, la producción y captura de neutrones , las reacciones nucleares en cadena , la masa crítica , las manipulaciones, la predetonación y tres métodos para ensamblar una bomba: ensamblaje de armas, implosión y "métodos autocatalíticos", el único enfoque que resultó ser un callejón sin salida. ^{[ cita requerida ]}

En abril de 1944, Emilio Segrè descubrió en Los Álamos que la bomba de tipo Thin Man Gun no funcionaría con plutonio debido a problemas de predetonación causados ​​por impurezas de Pu-240 . Por lo tanto, se le dio alta prioridad a Fat Man, la bomba de tipo implosión, como la única opción para el plutonio. Las discusiones de Berkeley habían generado estimaciones teóricas de masa crítica, pero nada preciso. El principal trabajo en Los Álamos durante la guerra fue la determinación experimental de la masa crítica, que tuvo que esperar hasta que llegaran cantidades suficientes de material fisionable de las plantas de producción: uranio de Oak Ridge, Tennessee , y plutonio del sitio Hanford en Washington. ^{[ cita requerida ]}

En 1945, utilizando los resultados de los experimentos de masa crítica, los técnicos de Los Álamos fabricaron y ensamblaron componentes para cuatro bombas: la Trinity Gadget , la Little Boy, la Fat Man y una Fat Man de repuesto sin usar. Después de la guerra, aquellos que pudieron, incluido Oppenheimer, regresaron a puestos de docencia universitaria. Los que se quedaron trabajaron en pozos levitados y huecos y realizaron pruebas de efectos de armas como Crossroads Able y Baker en el atolón Bikini en 1946. ^{[ cita requerida ]}

Todas las ideas esenciales para incorporar la fusión a las armas nucleares surgieron en Los Álamos entre 1946 y 1952. Después del gran avance de la implosión de radiación de Teller-Ulam en 1951, se exploraron a fondo las implicaciones y posibilidades técnicas, pero se dejaron de lado las ideas que no eran directamente relevantes para fabricar las bombas más grandes posibles para los bombarderos de largo alcance de la Fuerza Aérea. ^{[ cita requerida ]}

Debido a la posición inicial de Oppenheimer en el debate sobre la bomba H, en contra de las grandes armas termonucleares, y a la suposición de que aún tenía influencia sobre Los Álamos a pesar de su marcha, los aliados políticos de Edward Teller decidieron que necesitaba su propio laboratorio para seguir desarrollando bombas H. Cuando se inauguró en 1952, en Livermore , California, Los Álamos había terminado el trabajo para el que Livermore estaba destinado. ^{[ cita requerida ]}

Cuando su misión original ya no estaba a la altura, el laboratorio de Livermore intentó nuevos diseños radicales que fracasaron. Sus tres primeras pruebas nucleares fueron un fracaso : en 1953, dos dispositivos de fisión de una sola etapa con fosas de hidruro de uranio , y en 1954, un dispositivo termonuclear de dos etapas en el que el secundario se calentó prematuramente, demasiado rápido para que la implosión por radiación funcionara correctamente. ^{[ cita requerida ]}

En un cambio de rumbo, Livermore se decidió a tomar ideas que Los Alamos había dejado de lado y desarrollarlas para el Ejército y la Marina. Esto llevó a Livermore a especializarse en armas tácticas de pequeño diámetro, en particular las que utilizan sistemas de implosión de dos puntos, como el Swan. Las armas tácticas de pequeño diámetro se convirtieron en armas primarias para armas secundarias de pequeño diámetro. Alrededor de 1960, cuando la carrera armamentista de las superpotencias se convirtió en una carrera de misiles balísticos, las ojivas Livermore eran más útiles que las grandes y pesadas ojivas Los Alamos. Las ojivas Los Alamos se utilizaron en los primeros misiles balísticos de alcance intermedio , IRBM, pero las ojivas Livermore más pequeñas se utilizaron en los primeros misiles balísticos intercontinentales , ICBM, y misiles balísticos lanzados desde submarinos , SLBM, así como en los primeros sistemas de ojivas múltiples en tales misiles. ^[73]

En 1957 y 1958, ambos laboratorios construyeron y probaron tantos diseños como pudieron, en previsión de que la prohibición de pruebas prevista para 1958 pudiera volverse permanente. Cuando se reanudaron las pruebas en 1961, los dos laboratorios se habían convertido en duplicados entre sí, y los trabajos de diseño se asignaron más en función de consideraciones de carga de trabajo que de la especialidad del laboratorio. Algunos diseños fueron objeto de intercambios. Por ejemplo, la ojiva W38 para el misil Titan I comenzó como un proyecto de Livermore, se entregó a Los Álamos cuando se convirtió en la ojiva del misil Atlas y en 1959 se devolvió a Livermore, a cambio de la ojiva W54 Davy Crockett , que fue de Livermore a Los Álamos. ^{[ cita requerida ]}

Los diseños de ojivas posteriores a 1960 adoptaron el carácter de cambios de modelo, y cada nuevo misil recibió una nueva ojiva por razones de marketing. El principal cambio sustancial consistió en incorporar más uranio-235 fisible en la ojiva secundaria, a medida que se hizo disponible con el continuo enriquecimiento de uranio y el desmantelamiento de las grandes bombas de alto rendimiento. ^{[ cita requerida ]}

A partir de la instalación Nova en Livermore a mediados de los años 1980, la actividad de diseño nuclear relacionada con la implosión impulsada por radiación se basó en investigaciones con fusión láser de accionamiento indirecto . Este trabajo fue parte del esfuerzo por investigar la fusión por confinamiento inercial . Se continúa realizando un trabajo similar en la más poderosa Instalación Nacional de Ignición . El Programa de Administración y Gestión de Reservas también se benefició de la investigación realizada en el NIF . ^{[ cita requerida ]}

Las armas nucleares se diseñan en gran parte mediante ensayo y error. El ensayo a menudo implica la explosión de prueba de un prototipo.

In a nuclear explosion, a large number of discrete events, with various probabilities, aggregate into short-lived, chaotic energy flows inside the device casing. Complex mathematical models are required to approximate the processes, and in the 1950s there were no computers powerful enough to run them properly. Even today's computers and simulation software are not adequate.^[74]

It was easy enough to design reliable weapons for the stockpile. If the prototype worked, it could be weaponized and mass-produced.^{[citation needed]}

It was much more difficult to understand how it worked or why it failed. Designers gathered as much data as possible during the explosion, before the device destroyed itself, and used the data to calibrate their models, often by inserting fudge factors into equations to make the simulations match experimental results. They also analyzed the weapon debris in fallout to see how much of a potential nuclear reaction had taken place.^{[citation needed]}

An important tool for test analysis was the diagnostic light pipe. A probe inside a test device could transmit information by heating a plate of metal to incandescence, an event that could be recorded by instruments located at the far end of a long, very straight pipe.^{[citation needed]}

The picture below shows the Shrimp device, detonated on March 1, 1954, at Bikini, as the Castle Bravo test. Its 15-megaton explosion was the largest ever by the United States. The silhouette of a man is shown for scale. The device is supported from below, at the ends. The pipes going into the shot cab ceiling, which appear to be supports, are actually diagnostic light pipes. The eight pipes at the right end (1) sent information about the detonation of the primary. Two in the middle (2) marked the time when X-rays from the primary reached the radiation channel around the secondary. The last two pipes (3) noted the time radiation reached the far end of the radiation channel, the difference between (2) and (3) being the radiation transit time for the channel.^[75]

From the shot cab, the pipes turned horizontally and traveled 7,500 ft (2.3 km) along a causeway built on the Bikini reef to a remote-controlled data collection bunker on Namu Island.^{[citation needed]}

While x-rays would normally travel at the speed of light through a low-density material like the plastic foam channel filler between (2) and (3), the intensity of radiation from the exploding primary creates a relatively opaque radiation front in the channel filler, which acts like a slow-moving logjam to retard the passage of radiant energy. While the secondary is being compressed via radiation-induced ablation, neutrons from the primary catch up with the x-rays, penetrate into the secondary, and start breeding tritium via the third reaction noted in the first section above. This ⁶Li + n reaction is exothermic, producing 5 MeV per event. The spark plug has not yet been compressed and thus remains subcritical, so no significant fission or fusion takes place as a result. If enough neutrons arrive before implosion of the secondary is complete, though, the crucial temperature differential between the outer and inner parts of the secondary can be degraded, potentially causing the secondary to fail to ignite. The first Livermore-designed thermonuclear weapon, the Morgenstern device, failed in this manner when it was tested as Castle Koon on April 7, 1954. The primary ignited, but the secondary, preheated by the primary's neutron wave, suffered what was termed as an inefficient detonation;^[76]: 165 thus, a weapon with a predicted one-megaton yield produced only 110 kilotons, of which merely 10 kt were attributed to fusion.^[77]: 316

These timing effects, and any problems they cause, are measured by light-pipe data. The mathematical simulations which they calibrate are called radiation flow hydrodynamics codes, or channel codes. They are used to predict the effect of future design modifications.^{[citation needed]}

It is not clear from the public record how successful the Shrimp light pipes were. The unmanned data bunker was far enough back to remain outside the mile-wide crater, but the 15-megaton blast, two and a half times as powerful as expected, breached the bunker by blowing its 20-ton door off the hinges and across the inside of the bunker. (The nearest people were 20 miles (32 km) farther away, in a bunker that survived intact.)^[78]

The most interesting data from Castle Bravo came from radio-chemical analysis of weapon debris in fallout. Because of a shortage of enriched lithium-6, 60% of the lithium in the Shrimp secondary was ordinary lithium-7, which doesn't breed tritium as easily as lithium-6 does. But it does breed lithium-6 as the product of an (n, 2n) reaction (one neutron in, two neutrons out), a known fact, but with unknown probability. The probability turned out to be high.^{[citation needed]}

Fallout analysis revealed to designers that, with the (n, 2n) reaction, the Shrimp secondary effectively had two and half times as much lithium-6 as expected. The tritium, the fusion yield, the neutrons, and the fission yield were all increased accordingly.^[79]

As noted above, Bravo's fallout analysis also told the outside world, for the first time, that thermonuclear bombs are more fission devices than fusion devices. A Japanese fishing boat, Daigo Fukuryū Maru, sailed home with enough fallout on her decks to allow scientists in Japan and elsewhere to determine, and announce, that most of the fallout had come from the fission of U-238 by fusion-produced 14 MeV neutrons.^{[citation needed]}

The global alarm over radioactive fallout, which began with the Castle Bravo event, eventually drove nuclear testing literally underground. The last U.S. above-ground test took place at Johnston Island on November 4, 1962. During the next three decades, until September 23, 1992, the United States conducted an average of 2.4 underground nuclear explosions per month, all but a few at the Nevada Test Site (NTS) northwest of Las Vegas.^{[citation needed]}

The Yucca Flat section of the NTS is covered with subsidence craters resulting from the collapse of terrain over radioactive caverns created by nuclear explosions (see photo).

After the 1974 Threshold Test Ban Treaty (TTBT), which limited underground explosions to 150 kilotons or less, warheads like the half-megaton W88 had to be tested at less than full yield. Since the primary must be detonated at full yield in order to generate data about the implosion of the secondary, the reduction in yield had to come from the secondary. Replacing much of the lithium-6 deuteride fusion fuel with lithium-7 hydride limited the tritium available for fusion, and thus the overall yield, without changing the dynamics of the implosion. The functioning of the device could be evaluated using light pipes, other sensing devices, and analysis of trapped weapon debris. The full yield of the stockpiled weapon could be calculated by extrapolation.^{[citation needed]}

The examples and perspective in this section deal primarily with the United States and do not represent a worldwide view of the subject. You may improve this section, discuss the issue on the talk page, or create a new section, as appropriate. (June 2014) (Learn how and when to remove this message)

When two-stage weapons became standard in the early 1950s, weapon design determined the layout of the new, widely dispersed U.S. production facilities, and vice versa.

Because primaries tend to be bulky, especially in diameter, plutonium is the fissile material of choice for pits, with beryllium reflectors. It has a smaller critical mass than uranium. The Rocky Flats plant near Boulder, Colorado, was built in 1952 for pit production and consequently became the plutonium and beryllium fabrication facility.^{[citation needed]}

The Y-12 plant in Oak Ridge, Tennessee, where mass spectrometers called calutrons had enriched uranium for the Manhattan Project, was redesigned to make secondaries. Fissile U-235 makes the best spark plugs because its critical mass is larger, especially in the cylindrical shape of early thermonuclear secondaries. Early experiments used the two fissile materials in combination, as composite Pu-Oy pits and spark plugs, but for mass production, it was easier to let the factories specialize: plutonium pits in primaries, uranium spark plugs and pushers in secondaries.^{[citation needed]}

Y-12 made lithium-6 deuteride fusion fuel and U-238 parts, the other two ingredients of secondaries.^{[citation needed]}

The Hanford Site near Richland WA operated Plutonium production nuclear reactors and separations facilities during World War 2 and the Cold War. Nine Plutonium production reactors were built and operated there. The first being the B-Reactor which began operations in September 1944 and the last being the N-Reactor which ceased operations in January 1987.^{[citation needed]}

The Savannah River Site in Aiken, South Carolina, also built in 1952, operated nuclear reactors which converted U-238 into Pu-239 for pits, and converted lithium-6 (produced at Y-12) into tritium for booster gas. Since its reactors were moderated with heavy water, deuterium oxide, it also made deuterium for booster gas and for Y-12 to use in making lithium-6 deuteride.^{[citation needed]}

Because even low-yield nuclear warheads have astounding destructive power, weapon designers have always recognised the need to incorporate mechanisms and associated procedures intended to prevent accidental detonation.^{[citation needed]}

It is inherently dangerous to have a weapon containing a quantity and shape of fissile material which can form a critical mass through a relatively simple accident. Because of this danger, the propellant in Little Boy (four bags of cordite) was inserted into the bomb in flight, shortly after takeoff on August 6, 1945. This was the first time a gun-type nuclear weapon had ever been fully assembled.^{[citation needed]}

If the weapon falls into water, the moderating effect of the water can also cause a criticality accident, even without the weapon being physically damaged. Similarly, a fire caused by an aircraft crashing could easily ignite the propellant, with catastrophic results. Gun-type weapons have always been inherently unsafe.^{[citation needed]}

Neither of these effects is likely with implosion weapons since there is normally insufficient fissile material to form a critical mass without the correct detonation of the lenses. However, the earliest implosion weapons had pits so close to criticality that accidental detonation with some nuclear yield was a concern.^{[citation needed]}

On August 9, 1945, Fat Man was loaded onto its airplane fully assembled, but later, when levitated pits made a space between the pit and the tamper, it was feasible to use in-flight pit insertion. The bomber would take off with no fissile material in the bomb. Some older implosion-type weapons, such as the US Mark 4 and Mark 5, used this system.^{[citation needed]}

In-flight pit insertion will not work with a hollow pit in contact with its tamper.^{[citation needed]}

As shown in the diagram above, one method used to decrease the likelihood of accidental detonation employed metal balls. The balls were emptied into the pit: this prevented detonation by increasing the density of the hollow pit, thereby preventing symmetrical implosion in the event of an accident. This design was used in the Green Grass weapon, also known as the Interim Megaton Weapon, which was used in the Violet Club and Yellow Sun Mk.1 bombs.^{[citation needed]}

Alternatively, the pit can be "safed" by having its normally hollow core filled with an inert material such as a fine metal chain, possibly made of cadmium to absorb neutrons. While the chain is in the center of the pit, the pit cannot be compressed into an appropriate shape to fission; when the weapon is to be armed, the chain is removed. Similarly, although a serious fire could detonate the explosives, destroying the pit and spreading plutonium to contaminate the surroundings as has happened in several weapons accidents, it could not cause a nuclear explosion.^{[citation needed]}

While the firing of one detonator out of many will not cause a hollow pit to go critical, especially a low-mass hollow pit that requires boosting, the introduction of two-point implosion systems made that possibility a real concern.^{[citation needed]}

In a two-point system, if one detonator fires, one entire hemisphere of the pit will implode as designed. The high-explosive charge surrounding the other hemisphere will explode progressively, from the equator toward the opposite pole. Ideally, this will pinch the equator and squeeze the second hemisphere away from the first, like toothpaste in a tube. By the time the explosion envelops it, its implosion will be separated both in time and space from the implosion of the first hemisphere. The resulting dumbbell shape, with each end reaching maximum density at a different time, may not become critical.^{[citation needed]}

It is not possible to tell on the drawing board how this will play out. Nor is it possible using a dummy pit of U-238 and high-speed x-ray cameras, although such tests are helpful. For final determination, a test needs to be made with real fissile material. Consequently, starting in 1957, a year after Swan, both labs began one-point safety tests.^{[citation needed]}

Out of 25 one-point safety tests conducted in 1957 and 1958, seven had zero or slight nuclear yield (success), three had high yields of 300 t to 500 t (severe failure), and the rest had unacceptable yields between those extremes.^{[citation needed]}

Of particular concern was Livermore's W47, which generated unacceptably high yields in one-point testing. To prevent an accidental detonation, Livermore decided to use mechanical safing on the W47. The wire safety scheme described below was the result.^{[citation needed]}

When testing resumed in 1961, and continued for three decades, there was sufficient time to make all warhead designs inherently one-point safe, without need for mechanical safing.^{[citation needed]}

In the last test before the 1958 moratorium the W47 warhead for the Polaris SLBM was found to not be one-point safe, producing an unacceptably high nuclear yield of 200 kg (440 lb) of TNT equivalent (Hardtack II Titania). With the test moratorium in force, there was no way to refine the design and make it inherently one-point safe. A solution was devised consisting of a boron-coated wire inserted into the weapon's hollow pit at manufacture. The warhead was armed by withdrawing the wire onto a spool driven by an electric motor. Once withdrawn, the wire could not be re-inserted.^[80] The wire had a tendency to become brittle during storage, and break or get stuck during arming, preventing complete removal and rendering the warhead a dud.^[81] It was estimated that 50–75% of warheads would fail. This required a complete rebuild of all W47 primaries.^[82] The oil used for lubricating the wire also promoted corrosion of the pit.^[83]

Under the strong link/weak link system, "weak links" are constructed between critical nuclear weapon components (the "hard links"). In the event of an accident the weak links are designed to fail first in a manner that precludes energy transfer between them. Then, if a hard link fails in a manner that transfers or releases energy, energy can't be transferred into other weapon systems, potentially starting a nuclear detonation. Hard links are usually critical weapon components that have been hardened to survive extreme environments, while weak links can be both components deliberately inserted into the system to act as a weak link and critical nuclear components that can fail predictably.^{[citation needed]}

An example of a weak link would be an electrical connector that contains electrical wires made from a low melting point alloy. During a fire, those wires would melt, breaking any electrical connection.^{[citation needed]}

A permissive action link is an access control device designed to prevent unauthorised use of nuclear weapons. Early PALs were simple electromechanical switches and have evolved into complex arming systems that include integrated yield control options, lockout devices and anti-tamper devices.^{[citation needed]}

 This article incorporates text from a free content work. Text taken from Nuclear Weapons FAQ: 1.6​, Carey Sublette.

Wikimedia Commons has media related to Nuclear weapon design.

• Carey Sublette's Nuclear Weapon Archive is a reliable source of information and has links to other sources.
  • Nuclear Weapons Frequently Asked Questions: Section 4.0 Engineering and Design of Nuclear Weapons
• The Federation of American Scientists provides solid information on weapons of mass destruction, including nuclear weapons and their effects
• More information on the design of two-stage fusion bombs
• Militarily Critical Technologies List (MCTL), Part II (1998) (PDF) from the US Department of Defense at the Federation of American Scientists website.
• "Restricted Data Declassification Decisions from 1946 until Present", Department of Energy report series published from 1994 until January 2001 which lists all known declassification actions and their dates. Hosted by Federation of American Scientists.
• The Holocaust Bomb: A Question of Time is an update of the 1979 court case USA v. The Progressive, with links to supporting documents on nuclear weapon design.
• Annotated bibliography on nuclear weapons design from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
• The Woodrow Wilson Center's Nuclear Proliferation International History Project or NPIHP is a global network of individuals and institutions engaged in the study of international nuclear history through archival documents, oral history interviews and other empirical sources.