Con l'espressione arma nucleare a fissione amplificata ci si riferisce solitamente a un tipo di arma nucleare a fissione che utilizza un piccolo quantitativo di combustibile di fusione per aumentare il tasso di fissione del materiale fissile e di conseguenza la potenza dell'ordigno. In questi ordigni, i neutroni rilasciati dalle reazioni di fusione si aggiungono a quelli rilasciati dalla fissione portando a un aumento delle reazioni di fissione indotte dai neutroni; il tasso di fissione aumenta quindi significativamente e di conseguenza aumenta la percentuale di materiale fissile che partecipa alla reazione prima che l'esplosione del nucleo (o nocciolo) distrugga l'intero sistema con un aumento anche di due volte dell'energia rilasciata. Il processo di fusione in sé, invece, aggiunge solo una piccola percentuale all'energia dell'esplosione, più o meno nell'ordine dell'1%.
Un altro dispositivo a cui si può riferire con "arma nucleare a fissione amplificata" è un tipo di bomba nucleare a singolo stadio, ormai obsoleto, che usa la fusione termonucleare su ampia scala per creare neutroni veloci che possono causare la fissione nucleare nell'uranio impoverito. Nei loro studi, Edward Teller e Andrei Sakharov, che svilupparono indipendentemente l'idea di questa bomba, la quale comunque non viene considerata una vera e propria bomba termonucleare dato che la percentuale dell'energia da essa sprigionata dovuta al processo di fusione è solo del 20% circa, si riferiscono a questo ordigno rispettivamente come "Alarm Clock" e come "Sloika".
Sviluppo L'idea dell'amplificazione fu originariamente sviluppata tra la fine del 1947 e la fine del 1949 nei laboratori nazionali di Los Alamos. Il principale beneficio dell'amplificazione risiedeva nella riduzione delle dimensioni degli ordigni che essa consentiva di realizzare, l'amplificazione delle fissione, infatti, riduce il tempo di confinamento inerziale minimo necessario affinché avvenga un'esplosione nucleare supercritica fornendo un flusso di neutroni veloci prima che la massa critica venga distrutta dalla sua stessa esplosione. Tutto ciò elimina, in un ordigno nucleare a implosione, la necessità del rivestimento in alluminio e del tamper (una sorta di "contenitore" dell'esplosione che sopravvive per circa mezzo microsecondo ma che svolge il ruolo cruciale di prolungare la fase esponenziale) di uranio che circondano il nucleo, nonché quella di avere degli esplosivi che, una volta detonati, li facciano comprimere contro il materiale fissile per fargli raggiungere uno stato supercritico. Poiché, infatti, il nucleo compresso non deve essere tenuto insieme per lungo tempo, il massiccio tamper di uranio-238 può essere rimpiazzato da un leggero scudo di berillio atto a riflettere indietro nel nucleo i neutroni non catturati. Aggiungendo il fatto che, come spiegato più avanti, anche lo stesso nucleo può essere ridotto della metà, ne consegue che l'esplosivo convenzionale necessario a far implodere l'intera massa metallica (il tamper più il nocciolo) risulta notevolmente inferiore.
Per avere un'idea della miniaturizzazione consentita dalla fissione amplificata, basta pensare che Fat Man, la bomba lanciata su Nagasaki il 9 agosto 1945, aveva un diametro di oltre un metro e mezzo e necessitava di 3 tonnellate di esplosivo convenzionale per attuare l'implosione, mentre una bomba a fissione intensificata di pari potenza può essere inserita all'interno di una piccola testata, come una W88 (1,75 m in altezza; 0,55 m in larghezza ed un peso di 360 Kg), per essere utilizzata come stadio primario atto a innescare la bomba termonucleare secondaria.
Amplificazione nelle moderne armi nucleari
Nelle bombe a fissione moderne, rifacendosi al funzionamento di Fat Man, il materiale fissile viene unito per raggiungere un valore di massa supercritico attraverso un'implosione sferica causata dalla detonazione di esplosivo convenzionale e dalla tecnica della lente esplosiva. Allo stato supercritico, molti dei neutroni rilasciati dalla fissione dei nuclei indurranno la fissione di altri nuclei, portando a un aumento esponenziale della reazioni di fissione e quindi a una reazione a catena. In genere, una reazione di questo tipo consuma circa il 20% del combustibile disponibile prima che l'esplosione della bomba stessa distrugga il sistema, ma tale percentuale dipende dalla configurazione dell'ordigno, ad esempio in Little Boy, la bomba che fu lanciata su Hiroshima il 6 agosto 1945 e che usava una configurazione "a cannone", tale percentuale fu solo dell'1,38%, mentre Fat Man, che, come detto, utilizzava una configurazione "a implosione", fu 17,5 volte più efficiente.
L'amplificazione della fissione data dalla fusione è raggiunta utilizzando deuterio e trizio gassosi. Talvolta è stato usato anche deuteruro-triziuro di litio solido ma un materiale gassoso permette una maggiore flessibilità e può essere iniettato, pochi attimi prima dell'implosione, in una cavità posta al centro del nocciolo di materiale fissile, o, nel caso di un ordigno con una configurazione a nucleo sospeso, nel vuoto esistente tra il nucleo e il guscio esterno. Il luogo ideale dove piazzare il combustibile da fusione è infatti una cavità posta nel centro del nocciolo, sia per il fatto che lì la temperatura raggiunta del nocciolo è maggiore che per il fatto che ciò massimizza la probabilità di cattura neutronica da parte del materiale fissile circostante. Poiché il tasso di fusione è proporzionale al quadrato della densità a una data temperatura, inoltre, è quindi importante che la densità del combustibile sia più alta possibile, anche perché più alta è la densità raggiunta, più bassa è la temperatura necessaria a innescare l'amplificazione e quindi più bassa è l'energia derivante dalla fissione necessaria a innescare la fusione che poi, come detto, amplificherà la fissione. Ciò significa che, avendo a disposizione un combustibile di fusione a elevata densità, per ottenere la stessa potenza si può utilizzare un nucleo (o nocciolo) più piccolo. Tali elevate densità possono essere raggiunte sia utilizzando combustibile con una densità iniziale già alta (ad esempio gas compresso o idrogeno liquido) sia ottenendo una compressione sufficientemente alta nella fase di implosione. In genere vengono utilizzati entrambi i metodi ed è noto che le moderne armi nucleari a fissione statunitensi utilizzino gas di deuterio e trizio ad alta pressione mantenuto in serbatoi esterni al nucleo, gas che vengono iniettati nella cavità presente nel nucleo pochi momenti prima della detonazione come parte della sequenza di armamento. Certamente l'utilizzo di fonti solide, come ad esempio l'idruro di litio, porterebbe a una densità atomica di idrogeno maggiore, ma lo svantaggio cruciale sarebbe dato dal fatto di dover sistemare il contenitore del combustibile di fusione all'interno del nucleo e di dover quindi smontare tutto il dispositivo quando fosse richiesto un rifornimento del serbatoio per rimpiazzare il trizio che, essendo radioattivo, decade. Quando circa l'1% del materiale fissile ha subito la fissione, la temperatura si alza abbastanza (nell'ordine dei 20-30 milioni di kelvin), da causare una fusione termonucleare, la quale produce un numero relativamente alto di neutroni, velocizzando gli ultimi stadi della catena e all'incirca raddoppiando l'efficienza dell'ordigno (ossia la percentuale di materiale fissile che subisce fissione). I neutroni rilasciati dalla fusione deuterio-trizio sono infatti estremamente energetici, circa sette volte di più della media dei neutroni da fissione, il che rende più probabile che essi siano assorbiti dal materiale fissile e inneschino una nuova fissione. Ciò è dovuto a diverse ragioni:
Quando questi neutroni energetici colpiscono un nucleo fissile, la reazione di fissione produce un numero di neutroni maggiore rispetto a quanto avviene con i neutroni termici. Nel caso del plutonio-239, ad esempio, il numero di neutroni prodotti è 4,6 se i nuclei vengono bombardati con neutroni energetici e 2,9 se la fissione è invece prodotta da neutroni termici. La sezione d'urto della fissione aumenta sia in termini assoluti che in proporzione alle sezioni d'urto dello scattering e della cattura neutronica.
Ci si può fare un'idea del potenziale contributo dato da una tale intensificazione osservando che la completa fusione di una mole di trizio (3 grammi) e di una mole di deuterio (2 grammi) produrrebbe una mole di neutroni (1 grammo), la quale, senza conto delle perdite dovute alle fughe o allo scattering, potrebbe fissionare una mole di plutonio (239 grammi) producendo 4,6 moli di neutroni secondari che possono a loro volta fissionare altre quattro moli di plutonio (1.099 grammi). La fissione di questi 1.338 grammi totali di plutonio nelle prime due generazioni porterebbe al rilascio di 23 chilotoni di energia (circa 97 TJ), e risulterebbe, da sola, in un'efficienza del 29,7% per una bomba contenente 4,5 kg di plutonio (ossia una tipica piccola bomba a fissione). L'energia rilasciata dalla fusione di 5 g di combustibile da fusione sarebbe, nel caso, solamente l'1,73% dell'energia rilasciata dalla fissione dei 1.338 g di plutonio. Poiché comunque la reazione di fissione amplificata a catena può continuare ben oltre la seconda generazione, è possibile ottenere potenze totali e efficienze molto maggiori.
A metà degli anni 1950 si scoprì che i noccioli di plutonio sarebbero stati particolarmente suscettibili a una predetonazione se esposti alle forti radiazioni provenienti da esplosioni atomiche vicine, come quelle che si verificherebbero nell'eventualità di un primo colpo nucleare da parte di una nazione nemica. Ciò, naturalmente rese necessaria una tecnologia che rendesse immuni le armi nucleari del proprio arsenale a una tale evenienza, onde evitare che esse venissero rese inutilizzabili, o addirittura detonassero prima che fosse stato possibile lanciarle, da un attacco nemico. Prima dell'avvento dei moderni sistemi radar, che sono in grado di rilevare l'avvicinamento di missili quel tanto che basta da far sì che la potenza attaccata possa lanciare un secondo colpo nucleare, un ottimo modo fu trovato proprio nell'amplificazione delle fissione data dalla fusione. In ordigni del genere, infatti, per ottenere la stessa energia si può utilizzare un quantitativo decisamente inferiore di plutonio, sufficientemente basso da non risultare pericoloso in caso irraggiamento da una fonte esterna. Proprio questo fatto, in combinazione con il peso ridotto relativamente alla potenza ottenuta ha fatto sì che le più moderne armi nucleari a fissione utilizzino l'amplificazione per fusione. In queste ultime, le quali hanno tutte una configurazione a nocciolo sospeso, il combustibile di fusione gassoso è iniettato tra il nocciolo e il guscio esterno, dove, durante la detonazione, è compresso contro il nocciolo dall'implosione del guscio esterno fino a raggiungere una densità pari a quella dell'idrogeno liquido, cosa importantissima, come detto poc'anzi, per l'ottenimento di un'alta efficienza nella reazione di fusione.