miniatura|300x300px|Els primers dispositius explosius nuclears van proporcionar els components bàsics de les futures armes. A la imatge es pot veure el dispositiu Gadget que es prepara per a la prova nuclear Trinity. El disseny d'armes nuclears fa referència als arranjaments físics, químics i d'enginyeria que fan que el paquet físicThe physics package is the nuclear explosive module inside the bomb casing, missile warhead, or artillery shell, etc., which delivers the weapon to its target. While photographs of weapon casings are common, photographs of the physics package are quite rare, even for the oldest and crudest nuclear weapons. For a photograph of a modern physics package see W80. d'una arma nuclear detoni. Hi ha tres tipus bàsics de disseny existents:
Les armes de fissió pura són les més simples, les menys exigents tècnicament, van ser les primeres armes nuclears construïdes, i fins ara l'únic tipus utilitzat mai en la guerra, pels Estats Units contra el Japó durant la Segona Guerra Mundial. Les armes de fissió potenciades són armes de fissió que utilitzen reaccions de fusió nuclear per generar neutrons d'alta energia que acceleren la reacció en cadena de fissió i n'augmenten l'eficiència. El potenciador pot més que duplicar el rendiment energètic de fissió de l'arma. Les armes termonuclears per etapes són disposicions de dues o més "etapes", generalment dues, on l'arma obté una fracció significativa de la seva energia de la fusió nuclear (així com, generalment, de la fissió nuclear). La primera etapa és típicament una arma de fissió potenciada (excepte en les primeres armes termonuclears, que utilitzaven una arma de fissió pura). La seva detonació fa que brilli intensament amb raigs X, que il·luminen i implosionen la segona etapa plena de combustible de fusió. Això inicia una seqüència d'esdeveniments que resulta en una combustió termonuclear, o de fusió. Aquest procés ofereix rendiments potencials centenars o milers de vegades més grans que els de les armes de fissió.. Article on the Soviet Tsar Bomba test. Because explosions are spherical in shape and targets are spread out on the relatively flat surface of the earth, numerous smaller weapons cause more destruction. From page 35: "... five five-megaton weapons would demolish a greater area than a single 50-megatonner."
Les armes de fissió pura han estat el primer tipus construït per les noves potències nuclears. Els grans estats industrials amb arsenals nuclears ben desenvolupats tenen armes termonuclears de dues etapes, que són l'opció més compacta, escalable i rendible un cop construïda la base tècnica i la infraestructura industrial necessàries.
La majoria de les innovacions conegudes en el disseny d'armes nuclears es van originar als Estats Units, tot i que algunes van ser desenvolupades posteriorment de forma independent per altres estats.
En les primeres notícies, les armes de fissió pura s'anomenaven bombes atòmiques o bombes A i les armes de fusió s'anomenaven bombes d'hidrogen o bombes H. Els professionals de la política nuclear, però, prefereixen els termes nuclear i termonuclear, respectivament.
Reaccions nuclears La fissió nuclear separa o divideix àtoms més pesants per formar àtoms més lleugers. La fusió nuclear combina àtoms més lleugers per formar àtoms més pesants. Ambdues reaccions generen aproximadament un milió de vegades més energia que les reaccions químiques comparables, fent que les bombes nuclears siguin un milió de vegades més potents que les bombes no nuclears, cosa que una patent francesa va reclamar el maig de 1939..
En certa manera, la fissió i la fusió són reaccions oposades i complementàries, però les particularitats són úniques per a cadascuna. Per entendre com es dissenyen les armes nuclears, és útil conèixer les similituds i diferències importants entre la fissió i la fusió. La següent explicació utilitza nombres arrodonits i aproximacions.The main source for this section is Samuel Glasstone and Philip Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, 1977, U.S. Dept of Defense and U.S. Dept of Energy (see links in General References, below), with the same information in more detail in Samuel Glasstone, Sourcebook on Atomic Energy, Third Edition, 1979, U.S. Atomic Energy Commission, Krieger Publishing.
Fissió Quan un neutró lliure colpeja el nucli d'un àtom fissible com l'urani-235 (235U), el nucli d'urani es divideix en dos nuclis més petits anomenats fragments de fissió, a més de més neutrons (per al 235U, tres aproximadament tan sovint com dos; una mitjana d'una mica menys de 2,5 per fissió). La reacció en cadena de fissió en una massa supercrítica de combustible pot ser autosostenible perquè produeix prou neutrons excedents per compensar les pèrdues de neutrons que s'escapen del muntatge supercrític. La majoria d'aquests tenen la velocitat (energia cinètica) necessària per causar noves fissions en nuclis d'urani veïns.
El nucli d'urani-235 es pot dividir de moltes maneres, sempre que els nombres atòmics sumin 92 i els nombres màssics sumin 236 (urani-235 més el neutró que va causar la divisió). L'equació següent mostra una possible divisió, concretament en estronci-95 (95Sr), xenó-139 (139Xe) i dos neutrons (n), més l'energia:Glasstone and Dolan, Effects, p. 12.
L'alliberament immediat d'energia per àtom és d'uns 180 milions d'electron-volts (MeV); és a dir, 74 TJ/kg. Només el 7% d'aquesta és radiació gamma i energia cinètica dels neutrons de fissió. El 93% restant és energia cinètica (o energia de moviment) dels fragments de fissió carregats, que volen lluny els uns dels altres repel·lits mútuament per la càrrega positiva dels seus protons (38 per a l'estronci, 54 per al xenó). Aquesta energia cinètica inicial és de 67 TJ/kg, cosa que li confereix una velocitat inicial d'uns 12.000 quilòmetres per segon (és a dir, 1,2 cm per nanosegon). L'alta càrrega elèctrica dels fragments carregats provoca moltes col·lisions inelàstiques de Coulomb amb nuclis propers, i aquests fragments romanen atrapats dins del pou fissible de la bomba i es manipulen fins que la seva energia cinètica es converteix en calor. Donada la velocitat dels fragments i el recorregut lliure mitjà entre els nuclis en el conjunt de combustible comprimit (per al disseny d'implosió), això triga aproximadament una milionèsima de segon (un microsegon), moment en què el nucli i el manipulador de la bomba s'han expandit fins a convertir-se en una bola de plasma de diversos metres de diàmetre amb una temperatura de desenes de milions de graus Celsius.
Això és prou calent per emetre radiació de cos negre en l'espectre de raigs X. Aquests raigs X són absorbits per l'aire circumdant, produint la bola de foc i l'explosió d'una explosió nuclear.
La majoria dels productes de fissió tenen massa neutrons per ser estables, de manera que són radioactius per desintegració beta, convertint els neutrons en protons emetent partícules beta (electrons), neutrins i raigs gamma. Les seves vides mitjanes oscil·len entre mil·lisegons i uns 200.000 anys. Molts es desintegren en isòtops que són ells mateixos radioactius, de manera que poden caldre d'1 a 6 desintegracions (una mitjana de 3) per assolir l'estabilitat.Glasstone, Sourcebook, p. 503. En els reactors, els productes radioactius són els residus nuclears del combustible gastat. En les bombes, es converteixen en pluja radioactiva, tant local com global.
Mentrestant, dins de la bomba que explota, els neutrons lliures alliberats per la fissió s'emporten aproximadament un 3% de l'energia de fissió inicial. L'energia cinètica dels neutrons s'afegeix a l'energia explosiva d'una bomba, però no tan eficaçment com l'energia dels fragments carregats, ja que els neutrons no cedeixen la seva energia cinètica tan ràpidament en col·lisions amb nuclis o electrons carregats. La contribució dominant dels neutrons de fissió a la potència de la bomba és la iniciació de fissions posteriors. Més de la meitat dels neutrons escapen del nucli de la bomba, però la resta xoquen amb nuclis de 235 U, provocant la seva fissió en una reacció en cadena que creix exponencialment (1, 2, 4, 8, 16, etc.). Partint d'un àtom, el nombre de fissions teòricament es pot duplicar cent vegades en un microsegon, cosa que podria consumir tot l'urani o el plutoni fins a centenars de tones per cada centena baula de la cadena. Normalment, en una arma moderna, el pou de l'arma conté de plutoni i en la detonació produeix aproximadament de rendiment , que representa la fissió d'aproximadament de plutoni.
Els materials que poden sostenir una reacció en cadena s'anomenen fissibles. Els dos materials fissibles utilitzats en armes nuclears són: 235U, també conegut com a urani altament enriquit (HEU), "oralloy" que significa "aliatge d'Oak Ridge", o "25" (una combinació de l'últim dígit del nombre atòmic de l'urani-235, que és 92, i l'últim dígit del seu nombre màssic, que és 235); i 239Pu, també conegut com a plutoni-239, o "49" (de "94" i "239").
L'isòtop més comú de l'urani, el 238U, és fissionable però no fissible, és a dir, que no pot mantenir una reacció en cadena perquè els seus neutrons de fissió fills no són (de mitjana) prou energètics per causar fissions posteriors de 238U. Tanmateix, els neutrons alliberats per la fusió dels isòtops pesants d'hidrogen deuteri i triti fissionaran el 238U. Aquesta reacció de fissió del 238U a la camisa exterior del conjunt secundari d'una bomba termonuclear de dues etapes produeix, amb diferència, la fracció més gran del rendiment energètic de la bomba, així com la major part de les seves restes radioactives.
Per a les potències nacionals immerses en una cursa d'armament nuclear, aquest fet de la capacitat del 238U per a la fissió ràpida a partir del bombardeig de neutrons termonuclears és de vital importància. La plenitud i el baix cost tant del combustible de fusió seca a granel (deuterur de liti) com del 238U (un subproducte de l'enriquiment d'urani) permeten la producció econòmica d'arsenals nuclears molt grans, en comparació amb les armes de fissió pura que requereixen els cars combustibles 235U o 239Pu.
Fusió La fusió produeix neutrons que dissipen l'energia de la reacció."neutrons carry off most of the reaction energy", Glasstone and Dolan, Effects, p. 21. En les armes, la reacció de fusió més important s'anomena reacció DT. Utilitzant la calor i la pressió de la fissió, l'hidrogen-2, o deuteri (2D), es fusiona amb l'hidrogen-3, o triti (3T), per formar heli-4 (4He) més un neutró (n) i energia:
240x240px L'energia total generada, 17,6 MeV, és una dècima part de la de la fissió, però els ingredients només tenen una cinquantena part de la seva massa, de manera que la producció d'energia per unitat de massa és aproximadament cinc vegades més gran. En aquesta reacció de fusió, 14 dels 17,6 MeV (el 80% de l'energia alliberada en la reacció) apareixen com l'energia cinètica del neutró, que, en no tenir càrrega elèctrica i ser gairebé tan massiu com els nuclis d'hidrogen que el van crear, pot escapar de l'escena sense deixar la seva energia per ajudar a mantenir la reacció, o per generar raigs X per a explosions i foc.
L'única manera pràctica de capturar la major part de l'energia de fusió és atrapar els neutrons dins d'una ampolla massiva de material pesant com ara plom, urani o plutoni. Si el neutró de 14 MeV és capturat per urani (de qualsevol dels dos isòtops; 14 MeV és prou alt per a la fissió tant del 235U com del 238U) o del plutoni, el resultat és la fissió i l'alliberament de 180 MeV d'energia de fissió, multiplicant deu vegades la producció d'energia.
Per a l'ús d'armes, la fissió és necessària per iniciar la fusió, ajuda a mantenir la fusió i captura i multiplica l'energia transportada pels neutrons de fusió. En el cas d'una bomba de neutrons (vegeu més avall), aquest últim factor no s'aplica, ja que l'objectiu és facilitar l'escapament dels neutrons, en lloc d'utilitzar-los per augmentar la potència bruta de l'arma.
Producció de triti