miniatura|La prova nuclear Greenhouse Item dels Estats Units, el 25 de maig de 1951, de la primera arma de fissió potenciada del món. Una arma de fissió potenciada normalment es refereix a un tipus de bomba nuclear que utilitza una petita quantitat de combustible de fusió per augmentar la velocitat, i per tant el rendiment, d'una reacció de fissió. Els neutrons de fusió ràpida alliberats per les reaccions de fusió s'afegeixen als neutrons ràpids alliberats a causa de la fissió, permetent que es produeixin més reaccions de fissió induïdes per neutrons. La velocitat de fissió augmenta considerablement, de manera que molta més part del material fissible pateix fissió abans que el nucli es desmunti explosivament. El procés de fusió en si només afegeix una petita quantitat d'energia al procés, potser l'1%."Facts about Nuclear Weapons: Boosted Fission Weapons", Indian Scientists Against Nuclear Weapons El combustible sol ser una barreja de gasos deuteri-triti 50-50, tot i que també s'ha provat amb deuterur de liti-6.

El significat alternatiu és un tipus obsolet de bomba nuclear d'una sola etapa que utilitza la fusió termonuclear a gran escala per crear neutrons ràpids que poden causar fissió en urani empobrit, però que no és una bomba d'hidrogen de dues etapes. Aquest tipus de bomba va ser anomenat per Edward Teller com a "Rellotge despertador", i per Andrei Sakharov com a "Sloika" o "Pastís de capes" (Teller i Sakharov van desenvolupar la idea de forma independent, pel que se sap).

Terminologia Els termes bombes o armes "termonuclears", "de fusió" i "d'hidrogen" es refereixen principalment a armes multietapa del disseny Teller-Ulam. Això malgrat que la major part del rendiment de les armes multietapa deriva de la fissió i malgrat l'ús potenciat de reaccions termonuclears entre isòtops d'hidrogen per part de les armes de fissió. També s'utilitzen els termes "impulsor de fusió" i "impulsor de triti", tot i que sempre es requereix una quantitat igual de deuteri.

Desenvolupament miniatura|Diagrama del Swan, un disseny d'arma de fissió potenciada del 1956. La idea del boosting es va desenvolupar originalment entre finals de 1947 i finals de 1949 a Los Alamos. El principal benefici del boosting és una major miniaturització de les armes nuclears, ja que redueix el temps mínim de confinament inercial necessari per a una explosió nuclear supercrítica proporcionant una afluència sobtada de neutrons ràpids abans que la massa crítica exploti. Això eliminaria la necessitat d'un empenyedor d'alumini i un manipulador d'urani i dels explosius necessaris per empènyer-los a ells i al material fissible a un estat supercrític. Mentre que el voluminós Fat Man tenia un diàmetre de i requeria 3 tones d'explosius d'alta potència per a la implosió, es pot instal·lar una primària de fissió potenciada en un petit cap nuclear (com el W88) per encendre la secundària termonuclear.

Impuls de gas en armes nuclears modernes En una bomba de fissió, el combustible fissible s'"acobla" ràpidament mitjançant una implosió esfèrica uniforme creada amb explosius convencionals, produint una massa supercrítica. En aquest estat, molts dels neutrons alliberats per la fissió d'un nucli induiran la fissió d'altres nuclis de la massa de combustible, alliberant també neutrons addicionals, donant lloc a una reacció en cadena. Aquesta reacció consumeix com a màxim el 20% del combustible abans que la bomba es desfaci, o possiblement molt menys si les condicions no són ideals: les bombes Little Boy (mecanisme de tipus canó) i Fat Man (mecanisme de tipus implosió) tenien eficiències de l'1,38% i el 13%, respectivament.

L'impuls de la fusió s'aconsegueix introduint gas triti i deuteri. En alguns casos també s'ha utilitzat deuterur-trítur de liti sòlid, però el gas permet més flexibilitat (i es pot emmagatzemar externament) i es pot injectar en una cavitat buida al centre de l'esfera de combustible de fissió, o en un espai entre una capa exterior i un nucli intern "levitat", en algun moment abans de la implosió. Quan aproximadament l'1% del combustible de fissió s'ha fisionat, la temperatura augmenta prou com per provocar la fusió termonuclear, que produeix un nombre relativament gran de neutrons d'alta energia. Aquesta afluència de neutrons accelera les etapes últimes de la reacció en cadena, fent que aproximadament el doble del material fissible es fissioni abans que l'explosió desmunti la massa crítica.

Els neutrons de fusió de deuteri-triti són extremadament energètics, set vegades més energètics que un neutró de fissió mitjà, cosa que fa que siguin molt més propensos a ser capturats en el material fissible i provocar la fissió. Això es deu a diverses raons:

Quan aquests neutrons energètics xoquen amb un nucli fissible, la fissió allibera un nombre molt més gran de neutrons secundaris (per exemple, 4,6 vs 2,9 per al Pu). La probabilitat que aquests neutrons interactuïn amb un nucli fissible és més alta que per als neutrons de baixa energia típics d'una reacció de fissió; l'àrea del nucli de plutoni o urani on un "impacte" conduirà a la fissió és molt més gran. Més formalment, la secció transversal de fissió és més gran per als neutrons de més alta energia, tant en termes absoluts com en proporció a les seccions transversals de dispersió i captura.

En conseqüència, el temps que triga la població de neutrons al nucli a duplicar-se es redueix per un factor d'aproximadament 8. Es pot fer una idea de la contribució potencial de l'impuls de la fusió observant que la fusió completa d'un mol de triti (3 grams) i un mol de deuteri (2 grams) produiria un mol de neutrons (1 gram), que, si es descuida les pèrdues d'escapament i la dispersió, podria fissionar directament un mol (239 grams) de plutoni, produint 4,6 mols de neutrons secundaris, que al seu torn poden fissionar altres 4,6 mols de plutoni (1.099 g). La fissió d'aquests 1.338 g de plutoni en les dues primeres generacions alliberaria 23 quilotones d'equivalent a TNT (97 TJ) d'energia, i per si sola donaria lloc a una eficiència del 29,7% per a una bomba que conté 4,5 kg de plutoni (un típic petit desencadenant de fissió). L'energia alliberada per la fusió dels 5 g de combustible de fusió és només l'1,73% de l'energia alliberada per la fissió de 1.338 g de plutoni. Són possibles rendiments totals més grans i una eficiència més alta, ja que la reacció en cadena pot continuar més enllà de la segona generació després de l'impuls de la fusió.

Les bombes de fissió impulsades per fusió també es poden fer immunes a la radiació de neutrons de les explosions nuclears properes, cosa que pot fer que altres dissenys predetonin, explotant sense aconseguir un alt rendiment. La combinació de pes reduït en relació amb el rendiment i immunitat a la radiació ha assegurat que la majoria d'armes nuclears modernes siguin impulsades per fusió.

La velocitat de reacció de fusió normalment esdevé significativa a 20 a 30 megakelvins. Aquesta temperatura s'assoleix a eficiències molt baixes, quan menys de l'1% del material fissible s'ha fisionat (corresponent a un rendiment de l'ordre de centenars de tones de TNT). Com que es poden dissenyar armes d'implosió que aconsegueixin rendiments en aquest rang fins i tot si hi ha neutrons presents en el moment de la criticalitat, la fusió impulsiva permet la fabricació d'armes eficients que són immunes a la predetonació. L'eliminació d'aquest perill és un avantatge molt important en l'ús de la fusió impulsiva. Sembla que totes les armes que actualment es troben a l'arsenal dels EUA són un disseny impulsat.

Segons un dissenyador d'armes, el boosting és el principal responsable de l'augment notable de 100 vegades en l'eficiència de les armes de fissió des del 1945.

Alguns dissenys inicials d'armes termonuclears no per etapes Els primers dissenys d'armes termonuclears com el Joe-4, el "Layer Cake" soviètic ("Sloika", ), utilitzaven grans quantitats de fusió per induir la fissió en els àtoms d'urani-238 que formen l'urani empobrit. Aquestes armes tenien un nucli fissible envoltat per una capa de deuterur de liti-6, al seu torn envoltat per una capa d'urani empobrit. Alguns dissenys (inclòs el Layer Cake) tenien diverses capes alternes d'aquests materials. El Layer Cake soviètic era similar al disseny americà del Despertador, que mai es va construir, i al disseny britànic Green Bamboo, que es va construir però mai es va provar.

Quan aquest tipus de bomba explota, la fissió del nucli d'urani o plutoni altament enriquit crea neutrons, alguns dels quals s'escapen i xoquen contra àtoms de liti-6, creant triti. A la temperatura creada per la fissió al nucli, el triti i el deuteri poden experimentar fusió termonuclear sense un alt nivell de compressió. La fusió del triti i el deuteri produeix un neutró amb una energia de 14 MeV, una energia molt més alta que l'1 MeV del neutró que va iniciar la reacció. Aquesta creació de neutrons d'alta energia, més que no pas el rendiment energètic, és el propòsit principal de la fusió en aquest tipus d'arma. Aquest neutró de 14 MeV colpeja llavors un àtom d'urani-238, provocant la fissió: sense aquesta etapa de fusió, el neutró original d'1 MeV que colpeja un àtom d'urani-238 probablement simplement hauria estat absorbit. Aquesta fissió allibera energia i també neutrons, que després creen més triti a partir del liti-6 restant, i així successivament, en un cicle continu. L'energia de la fissió de l'urani-238 és útil en armes: tant perquè l'urani empobrit és molt més barat que l'urani altament enriquit com perquè no pot arribar a ser crític i, per tant, és menys probable que estigui involucrat en un accident catastròfic.

Aquest tipus d'arma termonuclear pot produir fins a un 20% del seu rendiment a partir de la fusió, i la resta prové de la fissió, i el seu rendiment està limitat per preocupacions pràctiques de massa i diàmetre a menys d'una megatona de TNT (4 PJ equivalent). Joe-4 va produir 400 quilotones de TNT (1,7 PJ). En comparació, una bomba d'hidrogen "veritable" pot produir fins a un 97% del seu rendiment a partir de la fusió, i el seu rendiment explosiu només està limitat per la mida del dispositiu.

Manteniment d'armes nuclears impulsades per gas El triti és un isòtop radioactiu amb una vida mitjana de 12,355 anys. El seu principal producte de desintegració és l'heli-3, que es troba entre els núclids amb la secció transversal més gran per a la captura de neutrons. Per tant, periòdicament s'han de netejar els residus d'heli de l'arma i recarregar el subministrament de triti. Això es deu al fet que qualsevol heli-3 del subministrament de triti de l'arma actuaria com a verí durant la detonació de l'arma, absorbint els neutrons destinats a xocar amb els nuclis del seu combustible de fissió.

El triti és relativament car de produir perquè cada tritó (el nucli de triti) requereix la producció d'almenys un neutró lliure, que s'utilitza per irradiar un material de primera qualitat (liti-6, deuteri o heli-3). A causa de les pèrdues i les ineficiències, el nombre de neutrons lliures necessaris s'acosta més a dos per a cada tritó. A més, com que el triti es desintegra, hi ha pèrdues durant la recollida, l'emmagatzematge i el transport des de la instal·lació de producció fins a les armes sobre el terreny, i els subministraments de triti s'han de reposar periòdicament. Altres maneres de produir triti inclouen el funcionament d'un reactor reproductor o un accelerador de partícules (amb un objectiu d'espalació).

Referències

Categoria:Armes de destrucció massiva