Projeto de arma nuclear

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Os primeiros dispositivos explosivos nucleares, pesados ​​e ineficientes, forneceram os blocos básicos de construção de todas as armas futuras. Na foto está o dispositivo Gadget sendo preparado para o primeiro teste nuclear , Trinity .

Projetos de armas nucleares são arranjos físicos, químicos e de engenharia que fazem com que o pacote de física [1] de uma arma nuclear detone. Existem três tipos básicos de design existentes:

  • as armas de fissão puras , as mais simples e menos exigentes tecnicamente, foram as primeiras armas nucleares construídas e até agora foram o único tipo já usado na guerra (pelos Estados Unidos no Japão durante a Segunda Guerra Mundial ).
  • as armas de fissão reforçadas aumentam o rendimento além do projeto de implosão usando pequenas quantidades de combustível de fusão para aumentar a reação em cadeia de fissão. O reforço pode mais que dobrar o rendimento de energia de fissão da arma.
  • as armas termonucleares encenadas são essencialmente arranjos de dois ou mais "estágios", geralmente dois. O primeiro estágio é normalmente uma arma de fissão reforçada como acima (exceto para as primeiras armas termonucleares, que usavam uma arma de fissão pura). Sua detonação faz com que brilhe intensamente com radiação X, que ilumina e implode o segundo estágio preenchido com uma grande quantidade de combustível de fusão. Isso põe em movimento uma sequência de eventos que resulta em uma queima termonuclear, ou fusão. Este processo proporciona rendimentos potenciais até centenas de vezes superiores aos das armas de fissão. [2]

Um quarto tipo, armas de fusão pura , são uma possibilidade teórica. Essas armas produziriam muito menos subprodutos radioativos do que os projetos atuais, embora liberassem um grande número de nêutrons.

Armas de fissão pura historicamente têm sido o primeiro tipo a ser construído por novas potências nucleares. Grandes estados industriais com arsenais nucleares bem desenvolvidos têm armas termonucleares de dois estágios, que são a opção mais compacta, escalável e econômica, uma vez que a base técnica necessária e a infraestrutura industrial estejam construídas.

A maioria das inovações conhecidas no projeto de armas nucleares se originou nos Estados Unidos, embora algumas tenham sido desenvolvidas posteriormente de forma independente por outros estados. [3]

Nas primeiras notícias, armas de fissão puras eram chamadas de bombas atômicas ou bombas A e armas envolvendo fusão eram chamadas de bombas de hidrogênio ou bombas H. Os praticantes, no entanto, favorecem os termos nuclear e termonuclear, respectivamente.

Reações nucleares [ editar ]

A fissão nuclear separa ou divide átomos mais pesados ​​para formar átomos mais leves. A fusão nuclear combina átomos mais leves para formar átomos mais pesados. Ambas as reações geram cerca de um milhão de vezes mais energia do que reações químicas comparáveis, tornando as bombas nucleares um milhão de vezes mais poderosas do que as bombas não nucleares, que uma patente francesa reivindicou em maio de 1939. [4]

De certa forma, fissão e fusão são reações opostas e complementares, mas as particularidades são únicas para cada uma. Para entender como as armas nucleares são projetadas, é útil conhecer as importantes semelhanças e diferenças entre fissão e fusão. A explicação a seguir usa números arredondados e aproximações. [5]

Fissão [ editar ]

Quando um nêutron livre atinge o núcleo de um átomo físsil como o urânio-235 ( 235 U), o núcleo de urânio se divide em dois núcleos menores chamados fragmentos de fissão, além de mais nêutrons (para 235 U três vezes como dois; uma média de 2,5 por fissão). A reação em cadeia de fissão em uma massa supercrítica de combustível pode ser autossustentável porque produz nêutrons excedentes suficientes para compensar as perdas de nêutrons que escapam do conjunto supercrítico. A maioria deles tem a velocidade (energia cinética) necessária para causar novas fissões nos núcleos de urânio vizinhos.

O núcleo U-235 pode se dividir de muitas maneiras, desde que os números atômicos somam 92 e as massas atômicas somam 236 (urânio mais o nêutron extra). A equação a seguir mostra uma possível divisão, a saber, em estrôncio-95 ( 95 Sr), xenônio-139 ( 139 Xe) e dois nêutrons (n), mais energia: [6]

A liberação imediata de energia por átomo é de cerca de 180 milhões de elétron-volts (MeV); isto é, 74 TJ/kg. Apenas 7% disso é radiação gama e energia cinética de nêutrons de fissão. Os 93% restantes são energia cinética (ou energia de movimento) dos fragmentos de fissão carregados, voando para longe um do outro mutuamente repelidos pela carga positiva de seus prótons (38 para estrôncio, 54 para xenônio). Esta energia cinética inicial é de 67 TJ/kg, dando uma velocidade inicial de cerca de 12.000 quilômetros por segundo. A alta carga elétrica dos fragmentos carregados causa muitas colisões coulombianas inelásticas com núcleos próximos, e esses fragmentos permanecem presos dentro do poço físsil e adulteração da bombaaté que seu movimento seja convertido em calor. Dada a velocidade dos fragmentos e o caminho livre médio entre os núcleos no conjunto de combustível comprimido (para o projeto de implosão), isso leva cerca de um milionésimo de segundo (um microssegundo), quando o núcleo e a violação da bomba se expandiram para plasma de vários metros de diâmetro com uma temperatura de dezenas de milhões de graus Celsius.

Isso é quente o suficiente para emitir radiação de corpo negro no espectro de raios-X. Esses raios X são absorvidos pelo ar circundante, produzindo a bola de fogo e a explosão de uma explosão nuclear.

A maioria dos produtos de fissão tem muitos nêutrons para serem estáveis, então eles são radioativos por decaimento beta , convertendo nêutrons em prótons, liberando partículas beta (elétrons) e raios gama. Suas meias-vidas variam de milissegundos a cerca de 200.000 anos. Muitos decaem em isótopos que são radioativos, então de 1 a 6 (média de 3) decaimentos podem ser necessários para alcançar a estabilidade. [7] Nos reatores, os produtos radioativos são os resíduos nucleares do combustível irradiado. Em bombas, elas se tornam precipitação radioativa, tanto local quanto global.

Enquanto isso, dentro da bomba explosiva, os nêutrons livres liberados pela fissão carregam cerca de 3% da energia inicial da fissão. A energia cinética dos nêutrons aumenta a energia da explosão de uma bomba, mas não tão efetivamente quanto a energia dos fragmentos carregados, já que os nêutrons não desistem de sua energia cinética tão rapidamente em colisões com núcleos ou elétrons carregados. A contribuição dominante dos nêutrons de fissão para o poder da bomba é o início de fissões subsequentes. Mais da metade dos nêutrons escapam do núcleo da bomba, mas o resto atinge 235núcleos U causando fissão em uma reação em cadeia de crescimento exponencial (1, 2, 4, 8, 16, etc.). A partir de um átomo, o número de fissões pode teoricamente dobrar cem vezes em um microssegundo, o que poderia consumir todo o urânio ou plutônio até centenas de toneladas pelo centésimo elo da cadeia. Normalmente em uma arma moderna, o poço da arma contém 3,5 a 4,5 kg (7,7 a 9,9 lb) de plutônio e na detonação produz aproximadamente 5 a 10 quilotoneladas de TNT (21 a 42 TJ) de rendimento, representando a fissão de aproximadamente 0,5 kg (1,1 lb) de plutônio. [8] [9]

Materiais que podem sustentar uma reação em cadeia são chamados de físseis . Os dois materiais cindíveis usados ​​em armas nucleares são: 235 U, também conhecido como urânio altamente enriquecido (HEU), oralloy (Oy) significando Oak Ridge Alloy, ou 25 (os últimos dígitos do número atômico, que é 92 para urânio, e o peso atômico, aqui 235, respectivamente); e 239 Pu, também conhecido como plutônio, ou 49 (de 94 e 239). [ citação necessária ]

O isótopo mais comum do urânio, 238 U, é físsil, mas não físsil, o que significa que não pode sustentar uma reação em cadeia porque seus nêutrons de fissão-filhos não são (em média) energéticos o suficiente para causar fissões de 238 U subsequentes. No entanto, os nêutrons liberados pela fusão dos isótopos pesados ​​de hidrogênio deutério e trítio irão fissionar 238 U. rendimento, bem como a maioria de seus detritos radioativos.

Para as potências nacionais engajadas em uma corrida armamentista nuclear, o fato da capacidade do 238 U de fissão rápida do bombardeio de nêutrons termonucleares é de importância central. A abundância e o baixo custo tanto do combustível de fusão seco a granel (deutereto de lítio) quanto do 238 U (um subproduto do enriquecimento de urânio) permitem a produção econômica de arsenais nucleares muito grandes, em comparação com as armas de fissão puras que exigem os caros combustíveis de 235 U ou 239 Pu.

Fusão [ editar ]

A fusão produz nêutrons que dissipam a energia da reação. [10] Em armas, a reação de fusão mais importante é chamada de reação DT. Usando o calor e a pressão da fissão, hidrogênio-2 ou deutério ( 2 D), funde-se com hidrogênio-3 ou trítio ( 3 T), para formar hélio-4 ( 4 He) mais um nêutron (n) e energia: [11]

Fusão deutério-trítio.svg

A produção total de energia, 17,6 MeV, é um décimo daquela com fissão, mas os ingredientes são apenas um quinquagésimo da massa, então a produção de energia por unidade de massa é aproximadamente cinco vezes maior. Nessa reação de fusão, 14 dos 17,6 MeV (80% da energia liberada na reação) aparecem como a energia cinética do nêutron, que, não tendo carga elétrica e sendo quase tão massivo quanto os núcleos de hidrogênio que o criaram, pode escapar da cena sem deixar sua energia para trás para ajudar a sustentar a reação – ou para gerar raios-x para explosão e fogo. [ citação necessária ]

A única maneira prática de capturar a maior parte da energia de fusão é prender os nêutrons dentro de uma enorme garrafa de material pesado, como chumbo, urânio ou plutônio. Se o nêutron de 14 MeV é capturado por urânio (de qualquer um dos isótopos; 14 MeV é alto o suficiente para fissionar 235 U e 238 U) ou plutônio, o resultado é a fissão e a liberação de 180 MeV de energia de fissão, multiplicando a produção de energia dez vezes . [ citação necessária ]

Para uso de armas, a fissão é necessária para iniciar a fusão, ajuda a sustentar a fusão e captura e multiplica a energia transportada pelos nêutrons de fusão. No caso de uma bomba de nêutrons (veja abaixo), o último fator mencionado não se aplica, pois o objetivo é facilitar o escape de nêutrons, em vez de usá-los para aumentar a potência bruta da arma. [ citação necessária ]

Produção de trítio [ editar ]

Uma reação nuclear essencial é aquela que cria trítio , ou hidrogênio-3. O trítio é empregado de duas maneiras. Primeiro, o gás de trítio puro é produzido para colocação dentro dos núcleos de dispositivos de fissão reforçada para aumentar seus rendimentos de energia. Isto é especialmente verdade para as primárias de fissão de armas termonucleares. A segunda forma é indireta, e aproveita o fato de que os nêutrons emitidos por uma "vela de ignição" de fissão supercrítica na montagem secundária de uma bomba termonuclear de dois estágios produzirão trítio in situ quando esses nêutrons colidirem com os núcleos de lítio no combustível de deutereto de lítio da bomba.

O trítio gasoso elementar para primárias de fissão também é feito bombardeando lítio-6 ( 6 Li) com nêutrons (n), apenas em um reator nuclear. Este bombardeio de nêutrons fará com que o núcleo de lítio-6 se divida, produzindo uma partícula alfa, ou hélio -4 ( 4 He), mais um tritão ( 3 T) e energia: [11]

Os nêutrons são fornecidos pelo reator nuclear de maneira semelhante à produção de plutônio 239 Pu a partir de matéria-prima de 238 U: as hastes-alvo da matéria- prima de 6 Li são dispostas em torno de um núcleo alimentado por urânio e são removidas para processamento uma vez calculado que a maioria dos núcleos de lítio foi transmutada em trítio.

Dos quatro tipos básicos de arma nuclear, o primeiro, fissão pura, usa a primeira das três reações nucleares acima. A segunda, fissão impulsionada por fusão, usa as duas primeiras. O terceiro, termonuclear de dois estágios, usa todos os três.

Armas de fissão pura [ editar ]

A primeira tarefa de um projeto de arma nuclear é montar rapidamente uma massa supercrítica de urânio ou plutônio físsil (de grau de arma). Uma massa supercrítica é aquela em que a porcentagem de nêutrons produzidos por fissão capturados por outros núcleos físseis vizinhos é grande o suficiente para que cada evento de fissão, em média, cause mais de um evento de fissão subsequente. Os nêutrons liberados pelos primeiros eventos de fissão induzem eventos de fissão subsequentes a uma taxa exponencialmente acelerada. Cada fissão subsequente continua uma sequência dessas reações que percorre toda a massa supercrítica dos núcleos de combustível. Este processo é concebido e descrito coloquialmente como a reação nuclear em cadeia .

Para iniciar a reação em cadeia em uma montagem supercrítica, pelo menos um nêutron livre deve ser injetado e colidir com um núcleo de combustível físsil. O nêutron se une ao núcleo (tecnicamente um evento de fusão) e desestabiliza o núcleo, que explode em dois fragmentos nucleares de peso médio (da separação da força nuclear fortemantendo juntos os prótons mutuamente repulsivos), mais dois ou três nêutrons livres. Estes fogem e colidem com os núcleos de combustível vizinhos. Esse processo se repete várias vezes até que o conjunto de combustível fique subcrítico (de expansão térmica), após o que a reação em cadeia é encerrada porque os nêutrons filhos não podem mais encontrar novos núcleos de combustível para atingir antes de escapar da massa de combustível menos densa. Cada evento de fissão seguinte na cadeia duplica aproximadamente a população de nêutrons (líquido, após perdas devido a alguns nêutrons que escapam da massa de combustível e outros que colidem com quaisquer núcleos de impurezas não combustíveis presentes).

Para o método de montagem da pistola (veja abaixo) de formação de massa supercrítica, o próprio combustível pode ser invocado para iniciar a reação em cadeia. Isso ocorre porque mesmo o melhor urânio para armas contém um número significativo de núcleos de 238 U. Estes são suscetíveis a eventos de fissão espontânea , que ocorrem aleatoriamente (é um fenômeno da mecânica quântica). Como o material físsil em uma massa crítica montada em uma arma não é comprimido, o projeto precisa apenas garantir que as duas massas subcríticas permaneçam próximas o suficiente uma da outra por tempo suficiente para que um 238A fissão espontânea ocorrerá enquanto a arma estiver nas proximidades do alvo. Isso não é difícil de organizar, pois leva um ou dois segundos em uma massa de combustível de tamanho típico para que isso ocorra. (Ainda assim, muitas dessas bombas destinadas a serem lançadas pelo ar (bomba gravitacional, projétil de artilharia ou foguete) usam nêutrons injetados para obter um controle mais preciso sobre a altitude exata de detonação, importante para a eficácia destrutiva das explosões aéreas.)

Esta condição de fissão espontânea destaca a necessidade de montar a massa supercrítica de combustível muito rapidamente. O tempo necessário para fazer isso é chamado de tempo crítico de inserção da arma . Se a fissão espontânea ocorresse quando a massa supercrítica estivesse apenas parcialmente montada, a reação em cadeia começaria prematuramente. As perdas de nêutrons através do vazio entre as duas massas subcríticas (montagem do canhão) ou os vazios entre os núcleos de combustível não totalmente comprimidos (montagem por implosão) esgotariam a bomba do número de eventos de fissão necessários para atingir o rendimento total do projeto. Além disso, o calor resultante das fissões que ocorrem funcionaria contra a montagem continuada da massa supercrítica, a partir da expansão térmica do combustível. Esta falha é chamada de predetonação. A explosão resultante seria chamada de "fracasso" por engenheiros de bombas e usuários de armas. A alta taxa de fissão espontânea do plutônio torna o combustível de urânio uma necessidade para bombas montadas em armas, com seu tempo de inserção muito maior e uma massa muito maior de combustível necessária (por causa da falta de compressão de combustível).

Há outra fonte de nêutrons livres que podem estragar uma explosão de fissão. Todos os núcleos de urânio e plutônio têm um modo de decaimento que resulta em partículas alfa energéticas . Se a massa de combustível contém elementos de impureza de baixo número atômico (Z), esses alfas carregados podem penetrar na barreira de coulomb desses núcleos de impureza e sofrer uma reação que produz um nêutron livre. A taxa de emissão alfa de núcleos físseis é de um a dois milhões de vezes a da fissão espontânea, então os engenheiros de armas são cuidadosos em usar combustível de alta pureza.

As armas de fissão usadas nas proximidades de outras explosões nucleares devem ser protegidas da intrusão de nêutrons livres vindos de fora. Tal material de blindagem quase sempre será penetrado, no entanto, se o fluxo de nêutrons externo for intenso o suficiente. Quando uma arma falha ou falha por causa dos efeitos de outras detonações nucleares, é chamado de fratricídio nuclear .

Para o projeto montado por implosão, uma vez que a massa crítica é montada na densidade máxima, uma explosão de nêutrons deve ser fornecida para iniciar a reação em cadeia. As primeiras armas usavam um gerador de nêutrons modulado com o codinome " Urchin " dentro do poço contendo polônio -210 e berílio separados por uma fina barreira. A implosão do poço esmaga o gerador de nêutrons, misturando os dois metais, permitindo assim que as partículas alfa do polônio interajam com o berílio para produzir nêutrons livres. Nas armas modernas, o gerador de nêutrons é um tubo de vácuo de alta tensão contendo um acelerador de partículas que bombardeia um alvo de hidreto de deutério/trítio-metal com íons de deutério e trítio.. A fusão em pequena escala resultante produz nêutrons em um local protegido fora do pacote de física, a partir do qual eles penetram no poço. Este método permite uma melhor sincronização dos primeiros eventos de fissão na reação em cadeia, que deve ocorrer de forma ideal no ponto de máxima compressão/supercriticalidade. O tempo da injeção de nêutrons é um parâmetro mais importante do que o número de nêutrons injetados: as primeiras gerações da reação em cadeia são muito mais eficazes devido à função exponencial pela qual a multiplicação de nêutrons evolui.

A massa crítica de uma esfera não comprimida de metal nu é de 50 kg (110 lb) para urânio-235 e 16 kg (35 lb) para plutônio-239 em fase delta. Em aplicações práticas, a quantidade de material necessária para a criticidade é modificada pela forma, pureza, densidade e proximidade do material refletor de nêutrons , os quais afetam a fuga ou captura de nêutrons.

Para evitar uma reação em cadeia prematura durante o manuseio, o material físsil na arma deve ser mantido subcrítico. Pode consistir em um ou mais componentes contendo menos de uma massa crítica não comprimida cada. Uma casca oca fina pode ter mais do que a massa crítica da esfera nua, assim como um cilindro, que pode ser arbitrariamente longo sem nunca atingir a criticidade. Outro método para reduzir o risco de criticidade é incorporar material com uma grande seção transversal para captura de nêutrons, como boro (especificamente 10 B compreendendo 20% de boro natural). Naturalmente, esse absorvedor de nêutrons deve ser removido antes que a arma seja detonada. Isso é fácil para uma bomba montada em uma arma: a massa do projétil simplesmente empurra o absorvedor para fora do vazio entre as duas massas subcríticas pela força de seu movimento.

O uso de plutônio afeta o design de armas devido à sua alta taxa de emissão alfa. Isso resulta na produção espontânea de calor significativo pelo metal Pu; uma massa de 5 quilogramas produz 9,68 watts de energia térmica. Tal peça seria quente ao toque, o que não é problema se esse calor for dissipado prontamente e não for permitido aumentar a temperatura. Mas este é um problema dentro de uma bomba nuclear. Por esta razão, as bombas que usam combustível de Pu usam peças de alumínio para afastar o excesso de calor, e isso complica o projeto da bomba porque o Al não desempenha nenhum papel ativo nos processos de explosão.

Um tamper é uma camada opcional de material denso que envolve o material físsil. Devido à sua inércia , atrasa a expansão térmica da massa de combustível em fissão, mantendo-a supercrítica por mais tempo. Muitas vezes, a mesma camada serve tanto como tamper quanto como refletor de nêutrons.

Montagem tipo pistola [ editar ]

Diagrama de uma arma de fissão do tipo arma

Little Boy , a bomba de Hiroshima, usou 64 kg (141 lb) de urânio com um enriquecimento médio de cerca de 80%, ou 51 kg (112 lb) de U-235, quase a massa crítica de metal nu. (Veja o artigo Little Boy para um desenho detalhado.) Quando montado dentro de seu tamper/refletor de carboneto de tungstênio , os 64 kg (141 lb) tinham mais que o dobro da massa crítica. Antes da detonação, o urânio-235 foi formado em duas peças subcríticas, uma das quais foi posteriormente disparada pelo cano de uma arma para se juntar à outra, iniciando a explosão nuclear. A análise mostra que menos de 2% da massa de urânio sofreu fissão; [12] o restante, representando a maior parte de toda a produção de guerra das gigantes fábricas Y-12 em Oak Ridge, espalhadas inutilmente.[13]

A ineficiência foi causada pela velocidade com que o urânio de fissão não comprimido se expandiu e se tornou subcrítico em virtude da diminuição da densidade. Apesar de sua ineficiência, esse projeto, por causa de sua forma, foi adaptado para uso em projéteis de artilharia cilíndricos de pequeno diâmetro (uma ogiva tipo canhão disparada do cano de um canhão muito maior). Essas ogivas foram implantadas pelos Estados Unidos até 1992, representando uma fração significativa do U-235 no arsenal [ carece de fontes ] , e foram algumas das primeiras armas desmanteladas para cumprir os tratados limitando o número de ogivas. [ citação necessária ]A justificativa para esta decisão foi, sem dúvida, uma combinação do menor rendimento e graves problemas de segurança associados ao design do tipo de arma. [ citação necessária ]

Tipo de implosão[ editar ]

Arma nuclear de implosão.svg

Tanto para o dispositivo Trinity quanto para o Fat Man , a bomba de Nagasaki, foram usadas fissões de plutônio quase idênticas por meio de projetos de implosão. O dispositivo Fat Man usou especificamente 6,2 kg (14 lb), cerca de 350 ml ou 12 onças americanas em volume, de Pu-239 , que é apenas 41% da massa crítica da esfera nua. (Veja o artigo Fat Man para um desenho detalhado.) Cercado por um U-238refletor/tamper, o poço do Fat Man foi trazido perto da massa crítica pelas propriedades refletoras de nêutrons do U-238. Durante a detonação, a criticidade foi alcançada por implosão. O poço de plutônio foi espremido para aumentar sua densidade por detonação simultânea, como na detonação de teste "Trinity" três semanas antes, dos explosivos convencionais colocados uniformemente ao redor do poço. Os explosivos foram detonados por vários detonadores de fios de ponte explosivos . Estima-se que apenas cerca de 20% do plutônio sofreu fissão; o resto, cerca de 5 kg (11 lb), foi espalhado.

Bomba de implosão animada.gif
Imagens de raios-X em flash das ondas de choque convergentes formadas durante um teste do sistema de lentes altamente explosivas.

Uma onda de choque de implosão pode ter uma duração tão curta que apenas parte do poço é comprimida a qualquer instante à medida que a onda passa por ele. Para evitar isso, pode ser necessário um propulsor. O empurrador está localizado entre a lente explosiva e o tamper. Ele funciona refletindo parte da onda de choque para trás, tendo assim o efeito de prolongar sua duração. É feito de um metal de baixa densidade – como alumínio , berílio ou uma liga dos dois metais (o alumínio é mais fácil e seguro de moldar e é duas ordens de magnitude mais barato; o berílio tem alta capacidade de reflexão de nêutrons). Fat Man usou um empurrador de alumínio.

A série de testes RaLa Experiment de conceitos de design de armas de fissão do tipo implosão, realizados de julho de 1944 a fevereiro de 1945 no Laboratório de Los Alamos e um local remoto 14,3 km (9 milhas) a leste dele em Bayo Canyon, provou a praticidade do projeto de implosão para um dispositivo de fissão, com os testes de fevereiro de 1945 determinando positivamente sua usabilidade para o projeto final de implosão de plutônio Trinity/Fat Man. [14]

A chave para a maior eficiência do Fat Man foi o impulso interno do enorme tamper U-238. (A adulteração de urânio natural não sofreu fissão de nêutrons térmicos, mas contribuiu talvez com 20% do rendimento total da fissão por nêutrons rápidos). Uma vez que a reação em cadeia começou no plutônio, o momento da implosão teve que ser revertido antes que a expansão pudesse parar a fissão. Ao manter tudo junto por mais algumas centenas de nanossegundos, a eficiência foi aumentada.

Poço de plutônio [ editar ]

O núcleo de uma arma de implosão – o material físsil e qualquer refletor ou tamper ligado a ele – é conhecido como poço . Algumas armas testadas durante a década de 1950 usaram poços feitos apenas com U-235 , ou em compostos com plutônio , [15] mas poços totalmente de plutônio são os menores em diâmetro e têm sido o padrão desde o início dos anos 1960. [ citação necessária ]

A fundição e a usinagem do plutônio são difíceis não apenas por causa de sua toxicidade, mas também porque o plutônio possui muitas fases metálicas diferentes . À medida que o plutônio esfria, as mudanças de fase resultam em distorção e rachaduras. Esta distorção é normalmente superada ligando-o com 30–35 mMol (0,9–1,0% em peso) de gálio , formando uma liga de plutônio-gálio , que faz com que ele ocupe sua fase delta em uma ampla faixa de temperatura. [16] Ao resfriar do fundido, ele tem apenas uma única mudança de fase, de épsilon para delta, em vez das quatro mudanças pelas quais passaria. Outros metais trivalentes também funcionariam, mas o gálio tem uma pequena seção de choque de absorção de nêutronse ajuda a proteger o plutônio contra a corrosão . Uma desvantagem é que os compostos de gálio são corrosivos e, portanto, se o plutônio é recuperado de armas desmontadas para conversão em dióxido de plutônio para reatores de energia , há a dificuldade de remover o gálio. [ citação necessária ]

Como o plutônio é quimicamente reativo, é comum revestir a fossa completa com uma fina camada de metal inerte, o que também reduz o risco tóxico. [17] A engenhoca usava chapeamento de prata galvânica; depois, o níquel depositado a partir de vapores de níquel tetracarbonil foi usado, [17] o ouro foi preferido por muitos anos. [ citação necessária ] Projetos recentes melhoram a segurança ao cobrir os poços com vanádio para torná-los mais resistentes ao fogo. [ citação necessária ]

Implosão do poço levitado [ editar ]

A primeira melhoria no projeto do Fat Man foi colocar um espaço de ar entre o tamper e o poço para criar um impacto de martelo no prego. O poço, apoiado em um cone oco dentro da cavidade do tamper, foi dito ter levitado. Os três testes da Operação Sandstone , em 1948, usaram desenhos do Fat Man com fossos levitados. O maior rendimento foi de 49 quilotons, mais que o dobro do rendimento do Fat Man não levitado. [18]

Ficou imediatamente claro que a implosão era o melhor projeto para uma arma de fissão. Sua única desvantagem parecia ser seu diâmetro. Fat Man tinha 1,5 metros (5 pés) de largura contra 61 centímetros (2 pés) de Little Boy.

O poço Pu-239 de Fat Man tinha apenas 9,1 centímetros de diâmetro, o tamanho de uma bola de softball. A maior parte da circunferência de Fat Man era o mecanismo de implosão, ou seja, camadas concêntricas de U-238, alumínio e explosivos. A chave para reduzir essa circunferência foi o projeto de implosão de dois pontos. [ citação necessária ]

Implosão linear de dois pontos [ editar ]

Esquema de implosão linear.svg

Na implosão linear de dois pontos, o combustível nuclear é fundido em uma forma sólida e colocado dentro do centro de um cilindro de alto explosivo. Os detonadores são colocados em cada extremidade do cilindro explosivo, e um inserto em forma de placa, ou modelador , é colocado no explosivo dentro dos detonadores. Quando os detonadores são disparados, a detonação inicial fica presa entre o modelador e a extremidade do cilindro, fazendo com que ela se desloque para as bordas do modelador, onde é difratada ao redor das bordas na massa principal do explosivo. Isso faz com que a detonação se forme em um anel que prossegue para dentro do modelador. [19]

Devido à falta de um tamper ou lentes para moldar a progressão, a detonação não chega ao poço em forma esférica. Para produzir a implosão esférica desejada, o próprio material físsil é moldado para produzir o mesmo efeito. Devido à física da propagação da onda de choque dentro da massa explosiva, isso requer que o poço tenha uma forma oblonga, aproximadamente em forma de ovo. A onda de choque primeiro atinge o poço em suas pontas, levando-os para dentro e fazendo com que a massa se torne esférica. O choque também pode mudar o plutônio da fase delta para a fase alfa, aumentando sua densidade em 23%, mas sem o impulso interno de uma verdadeira implosão. [ citação necessária ]

A falta de compressão torna tais projetos ineficientes, mas a simplicidade e o pequeno diâmetro o tornam adequado para uso em projéteis de artilharia e munições atômicas de demolição – ADMs – também conhecidas como mochila ou mala nuclear ; um exemplo é o projétil de artilharia W48 , a menor arma nuclear já construída ou implantada. Todas essas armas de campo de batalha de baixo rendimento, sejam projetos U-235 do tipo canhão ou projetos Pu-239 de implosão linear, pagam um alto preço em material físsil para atingir diâmetros entre 15 e 25 cm. [ citação necessária ]

Lista de armas de implosão linear dos EUA [ editar ]

Artilharia [ carece de fontes ]

  • W48 (1963-1992)
  • W74 (cancelado)
  • W75 (cancelado)
  • W79 Mod 1 (1976–1992)
  • W82 Mod 1 (cancelado)

Implosão de poço oco [ editar ]

Um sistema de implosão mais eficiente usa um poço oco. [ citação necessária ]

Um poço oco de plutônio era o plano original para a bomba Fat Man de 1945, mas não houve tempo suficiente para desenvolver e testar o sistema de implosão para isso. Um projeto de poço sólido mais simples foi considerado mais confiável, dadas as restrições de tempo, mas exigia um pesado tamper U-238, um empurrador de alumínio grosso e três toneladas de explosivos. [ citação necessária ]

Após a guerra, o interesse no projeto do poço oco foi revivido. Sua vantagem óbvia é que uma casca oca de plutônio, deformada por choque e empurrada para dentro em direção ao seu centro vazio, carregaria impulso em sua montagem violenta como uma esfera sólida. Seria auto-apertador, exigindo um tamper U-238 menor, sem empurrador de alumínio e menos explosivo. [ citação necessária ]

Fissão impulsionada por fusão [ editar ]

O próximo passo na miniaturização foi acelerar a fissão da cava para reduzir o tempo mínimo de confinamento inercial. Isso permitiria a fissão eficiente do combustível com menos massa na forma de tamper ou do próprio combustível. A chave para alcançar uma fissão mais rápida seria introduzir mais nêutrons e, entre as muitas maneiras de fazer isso, adicionar uma reação de fusão era relativamente fácil no caso de um poço oco. [ citação necessária ]

A reação de fusão mais fácil de alcançar é encontrada em uma mistura 50-50 de trítio e deutério. [20] Para experimentos de energia de fusão , esta mistura deve ser mantida em altas temperaturas por tempos relativamente longos para ter uma reação eficiente. Para uso explosivo, no entanto, o objetivo não é produzir uma fusão eficiente, mas simplesmente fornecer nêutrons extras no início do processo. [ citação necessária ]Como uma explosão nuclear é supercrítica, quaisquer nêutrons extras serão multiplicados pela reação em cadeia, de modo que mesmo pequenas quantidades introduzidas no início podem ter um grande efeito no resultado final. Por esta razão, mesmo as pressões e tempos de compressão relativamente baixos (em termos de fusão) encontrados no centro de uma ogiva de poço oco são suficientes para criar o efeito desejado. [ citação necessária ]

No projeto reforçado, o combustível de fusão na forma de gás é bombeado para o poço durante o armamento. Isso se fundirá em hélio e liberará nêutrons livres logo após o início da fissão. [21] Os nêutrons iniciarão um grande número de novas reações em cadeia enquanto o poço ainda estiver crítico ou quase crítico. Uma vez que o poço oco é aperfeiçoado, há poucas razões para não aumentar; deutério e trítio são facilmente produzidos nas pequenas quantidades necessárias, e os aspectos técnicos são triviais. [20]

O conceito de fissão impulsionada pela fusão foi testado pela primeira vez em 25 de maio de 1951, no Item shot da Operação Greenhouse , Eniwetok , com rendimento de 45,5 quilotons. [ citação necessária ]

O reforço reduz o diâmetro de três maneiras, tudo resultado de uma fissão mais rápida:

  • Uma vez que o poço comprimido não precisa ser mantido unido por tanto tempo, o enorme tamper U-238 pode ser substituído por uma casca de berílio leve (para refletir os nêutrons que escapam de volta ao poço). O diâmetro é reduzido. [ citação necessária ]
  • A massa da cova pode ser reduzida pela metade, sem reduzir o rendimento. O diâmetro é reduzido novamente. [ citação necessária ]
  • Como a massa do metal sendo implodido (tamper + pit) é reduzida, é necessária uma carga menor de alto explosivo, reduzindo ainda mais o diâmetro. [ citação necessária ]
US Swan Device.svg

[ citação necessária ]

O primeiro dispositivo cujas dimensões sugerem o emprego de todas essas características (implosão de dois pontos, poço oco, impulsionado por fusão) foi o dispositivo Swan . Tinha uma forma cilíndrica com um diâmetro de 11,6 polegadas (29 cm) e um comprimento de 22,8 polegadas (58 cm). [ citação necessária ]

Foi testado primeiro sozinho e depois como o primário de um dispositivo termonuclear de dois estágios durante a Operação Redwing . Foi armada como a primária Robin e se tornou a primeira primária multiuso pronta para uso e o protótipo para tudo o que se seguiu. [ citação necessária ]

Miniaturização de Armas Nucleares.png

Após o sucesso do Swan, 11 ou 12 polegadas (28 ou 30 cm) pareciam se tornar o diâmetro padrão dos dispositivos de estágio único reforçados testados durante a década de 1950. [ citação necessário ] O comprimento era geralmente o dobro do diâmetro, mas um desses dispositivos, que se tornou a ogiva W54 , estava mais próximo de uma esfera, apenas 15 polegadas (38 cm) de comprimento.

Uma das aplicações do W54 foi o projétil de fuzil sem recuo Davy Crockett XM-388 . Ele tinha uma dimensão de apenas 11 polegadas (28 cm), e é mostrado aqui em comparação com seu predecessor Fat Man (60 polegadas (150 cm)).

Outro benefício do reforço, além de tornar as armas menores, mais leves e com menos material físsil para um determinado rendimento, é que ele torna as armas imunes à predetonação. [ citação necessário ] Foi descoberto em meados da década de 1950 que os poços de plutônio seriam particularmente suscetíveis à predetonação parcial se expostos à intensa radiação de uma explosão nuclear próxima (a eletrônica também pode ser danificada, mas este era um problema separado). [ citação necessária ] RI era um problema particular antes do radar de alerta precoce eficazsistemas porque um primeiro ataque pode tornar as armas de retaliação inúteis. O reforço reduz a quantidade de plutônio necessária em uma arma para abaixo da quantidade que seria vulnerável a esse efeito. [ citação necessária ]

Termonuclear de dois estágios [ editar ]

As armas de fissão puras ou de fissão impulsionadas pela fusão podem ser feitas para produzir centenas de quilotons, com grandes despesas em material físsil e trítio, mas de longe a maneira mais eficiente de aumentar o rendimento das armas nucleares além de dez ou mais quilotons é adicionar um segundo estágio independente , chamado de secundário. [ citação necessária ]

Ivy Mike , a primeira detonação termonuclear de dois estágios, 10,4 megatons, 1 de novembro de 1952.

Na década de 1940, os projetistas de bombas em Los Alamos pensaram que o secundário seria uma lata de deutério na forma liquefeita ou de hidreto. A reação de fusão seria DD, mais difícil de alcançar do que DT, mas mais acessível. Uma bomba de fissão em uma extremidade comprimiria e aqueceria a extremidade mais próxima, e a fusão se propagaria através da lata até a extremidade mais distante. Simulações matemáticas mostraram que não funcionaria, mesmo com grandes quantidades de trítio caro adicionado. [ citação necessária ]

Todo o recipiente de combustível de fusão precisaria ser envolvido pela energia de fissão, tanto para comprimi-lo quanto para aquecê-lo, como acontece com a carga de reforço em um primário reforçado. O avanço do projeto veio em janeiro de 1951, quando Edward Teller e Stanislaw Ulam inventaram a implosão de radiação – por quase três décadas conhecida publicamente apenas como o segredo da bomba H de Teller-Ulam . [22] [23]

O conceito de implosão de radiação foi testado pela primeira vez em 9 de maio de 1951, no tiro George da Operação Greenhouse , Eniwetok, com rendimento de 225 quilotons. O primeiro teste completo foi em 1º de novembro de 1952, o tiro de Mike da Operação Ivy , Eniwetok, rendeu 10,4 megatons. [ citação necessária ]

Na implosão de radiação, a explosão de energia de raios X proveniente de uma explosão primária é capturada e contida dentro de um canal de radiação de parede opaca que envolve os componentes de energia nuclear do secundário. A radiação rapidamente transforma a espuma plástica que estava preenchendo o canal em um plasma que é principalmente transparente aos raios X, e a radiação é absorvida nas camadas mais externas do empurrador / adulterador ao redor do secundário, que abla e aplica uma força massiva [24](muito parecido com um motor de foguete de dentro para fora) fazendo com que a cápsula de combustível de fusão imploda muito parecido com o poço do primário. À medida que o secundário implode, uma "vela de ignição" físsil em seu centro acende e fornece nêutrons e calor que permitem que o combustível de fusão de deutereto de lítio produza trítio e também inflama. As reações em cadeia de fissão e fusão trocam nêutrons entre si e aumentam a eficiência de ambas as reações. A maior força implosiva, a eficiência aprimorada da "vela de ignição" físsil devido ao aumento via nêutrons de fusão e a própria explosão de fusão fornecem um rendimento explosivo significativamente maior do secundário, apesar de muitas vezes não ser muito maior que o primário. [ citação necessária ]

Sequência de disparo do mecanismo de ablação.
  1. Ogiva antes de disparar. As esferas aninhadas no topo são as primárias de fissão; os cilindros abaixo são o dispositivo secundário de fusão.
  2. Os explosivos do primário de fissão detonaram e desmoronaram o poço físsil do primário .
  3. A reação de fissão do primário foi concluída, e o primário está agora a vários milhões de graus e irradia raios gama e raios-X duros, aquecendo o interior do hohlraum , o escudo e o tamper do secundário.
  4. A reação do primário acabou e se expandiu. A superfície do empurrador para o secundário está agora tão quente que também está se afastando ou se expandindo, empurrando o resto do secundário (tamper, combustível de fusão e vela de ignição físsil) para dentro. A vela de ignição começa a fissão. Não representado: o estojo de radiação também está ablando e expandindo para fora (omitido para maior clareza do diagrama).
  5. O combustível do secundário iniciou a reação de fusão e em breve queimará. Uma bola de fogo começa a se formar.

Por exemplo, para o teste Redwing Mohawk em 3 de julho de 1956, um secundário chamado Flauta foi anexado ao primário Swan. A Flauta tinha 38 cm de diâmetro e 59 cm de comprimento, aproximadamente o tamanho do Cisne. Mas pesava dez vezes mais e produzia 24 vezes mais energia (355 quilotons, contra 15 quilotons). [ citação necessária ]

Igualmente importante, os ingredientes ativos da Flauta provavelmente não custam mais do que os do Cisne. A maior parte da fissão veio do barato U-238, e o trítio foi fabricado no local durante a explosão. Apenas a vela de ignição no eixo do secundário precisava ser cindível. [ citação necessária ]

Um secundário esférico pode atingir densidades de implosão mais altas do que um secundário cilíndrico, porque a implosão esférica empurra de todas as direções em direção ao mesmo ponto. No entanto, em ogivas que rendem mais de um megaton, o diâmetro de um secundário esférico seria muito grande para a maioria das aplicações. Um secundário cilíndrico é necessário em tais casos. Os pequenos veículos de reentrada em forma de cone em mísseis balísticos de múltiplas ogivas após 1970 tendiam a ter ogivas com secundários esféricos e rendimentos de algumas centenas de quilotons. [ citação necessária ]

Assim como no boosting, as vantagens do projeto termonuclear de dois estágios são tão grandes que há pouco incentivo para não usá-lo, uma vez que uma nação domina a tecnologia. [ citação necessária ]

Em termos de engenharia, a implosão por radiação permite a exploração de várias características conhecidas de materiais de bombas nucleares que até agora não tinham aplicação prática. Por exemplo:

  • A maneira ideal de armazenar deutério em um estado razoavelmente denso é ligá-lo quimicamente com lítio, como deutério de lítio. Mas o isótopo de lítio-6 também é a matéria-prima para a produção de trítio, e uma bomba explosiva é um reator nuclear. A implosão da radiação manterá tudo unido por tempo suficiente para permitir a conversão completa do lítio-6 em trítio, enquanto a bomba explode. Assim, o agente de ligação para deutério permite o uso da reação de fusão DT sem que nenhum trítio pré-fabricado seja armazenado no secundário. A restrição de produção de trítio desaparece. [ citação necessária ]
  • Para que o secundário seja implodido pelo plasma quente induzido pela radiação que o envolve, ele deve permanecer frio durante o primeiro microssegundo, ou seja, deve ser envolto em um escudo maciço de radiação (calor). A solidez do escudo permite que ele funcione como um tamper, adicionando impulso e duração à implosão. Nenhum material é mais adequado para esses dois trabalhos do que o urânio-238 comum e barato, que também sofre fissão quando atingido pelos nêutrons produzidos pela fusão DT. Essa carcaça, chamada de empurrador, tem assim três funções: manter a refrigeração secundária; mantê-lo, inercialmente, em estado altamente comprimido; e, finalmente, servir como a principal fonte de energia para toda a bomba. O empurrador consumível torna a bomba mais uma bomba de fissão de urânio do que uma bomba de fusão de hidrogênio. Insiders nunca usaram o termo "bomba de hidrogênio".
  • Finalmente, o calor para a ignição por fusão não vem do primário, mas de uma segunda bomba de fissão chamada vela de ignição, embutida no coração do secundário. A implosão do secundário implode esta vela de ignição, detonando-a e iniciando a fusão no material ao seu redor, mas a vela de ignição continua a fissão no ambiente rico em nêutrons até ser totalmente consumida, aumentando significativamente o rendimento. [26]

Nos cinquenta anos seguintes, ninguém apresentou uma maneira mais eficiente de construir uma bomba nuclear. É o projeto escolhido pelos Estados Unidos, Rússia, Reino Unido, China e França, as cinco potências termonucleares. Em 3 de setembro de 2017, a Coreia do Norte realizou o que relatou como seu primeiro teste de "arma termonuclear de dois estágios". [27] De acordo com o Dr. Theodore Taylor , depois de revisar fotos vazadas de componentes de armas desmontadas tiradas antes de 1986, Israel possuía armas reforçadas e exigiria supercomputadores daquela época para avançar ainda mais em direção a armas completas de dois estágios na faixa de megatons sem detonações de testes nucleares . [28]As outras nações com armas nucleares, Índia e Paquistão, provavelmente têm armas de estágio único, possivelmente reforçadas. [26]

Inter -estágio [ editar ]

Em uma arma termonuclear de dois estágios, a energia do primário impacta o secundário. Um modulador de transferência de energia essencial chamado interstage , entre o primário e o secundário, protege o combustível de fusão do secundário do aquecimento muito rápido, o que poderia fazer com que ele explodisse em uma explosão de calor convencional (e pequena) antes da fusão e fissão reações têm a chance de começar. [ citação necessária ]

Há muito pouca informação na literatura aberta sobre o mecanismo do estágio intermediário. [ citação necessária ] Sua primeira menção em um documento do governo dos EUA formalmente divulgado ao público parece ser uma legenda em um gráfico promovendo o Programa de Ogiva de Substituição Confiável em 2007. Se construído, este novo design substituiria "material tóxico e frágil" e " material 'especial' caro" no interstage. [29] Esta afirmação sugere que o estágio intermediário pode conter berílio para moderar o fluxo de nêutrons do primário, e talvez algo para absorver e re-irradiar os raios X de uma maneira particular. [30] Há também alguma especulação de que este material interstage, que pode ser codinome Fogbank, pode ser um aerogel , possivelmente dopado com berílio e/ou outras substâncias. [31] [32]

O estágio intermediário e o secundário são encaixados dentro de uma membrana de aço inoxidável para formar o subconjunto enlatado (CSA), um arranjo que nunca foi representado em nenhum desenho de código aberto. [33] A ilustração mais detalhada de um interstage mostra uma arma termonuclear britânica com um conjunto de itens entre seu primário e um secundário cilíndrico. Eles são rotulados como "end-cap e lente de foco de nêutrons", "refletor / carruagem de nêutrons" e "envoltório do refletor". A origem do desenho, postado na internet pelo Greenpeace, é incerta, e não há explicação. [34]

Projetos específicos [ editar ]

Embora todo projeto de arma nuclear caia em uma das categorias acima, projetos específicos ocasionalmente se tornaram assunto de notícias e discussões públicas, muitas vezes com descrições incorretas sobre como funcionam e o que fazem. Exemplos:

Despertador/Sloika [ editar ]

O primeiro esforço para explorar a relação simbiótica entre fissão e fusão foi um projeto da década de 1940 que misturava fissão e combustível de fusão em camadas finas alternadas. Como um dispositivo de estágio único, teria sido uma aplicação complicada de fissão reforçada. Tornou-se prático quando incorporado ao secundário de uma arma termonuclear de dois estágios. [35]

O nome americano, Alarm Clock, veio de Teller: ele o chamou assim porque poderia "despertar o mundo" para a possibilidade do potencial do Super. [36] O nome russo para o mesmo desenho era mais descritivo: Sloika ( russo : Слойка ), um bolo de massa em camadas. Um Sloika soviético de estágio único foi testado em 12 de agosto de 1953. Nenhuma versão americana de estágio único foi testada, mas o tiro da União da Operação Castle , 26 de abril de 1954, era um dispositivo termonuclear de dois estágios com o codinome Alarm Clock. Seu rendimento, em Bikini , foi de 6,9 ​​megatons. [ citação necessária ]

Como o teste soviético Sloika usou deutereto de lítio-6 seco oito meses antes do primeiro teste dos EUA para usá-lo (Castle Bravo, 1 de março de 1954), às vezes foi afirmado que a URSS venceu a corrida da bomba H, embora os Estados Unidos testou e desenvolveu a primeira bomba de hidrogênio: o teste da bomba H de Ivy Mike. O teste de 1952 US Ivy Mike usou deutério líquido resfriado criogenicamente como combustível de fusão no secundário e empregou a reação de fusão DD. No entanto, o primeiro teste soviético a usar um secundário implodido por radiação, a característica essencial de uma verdadeira bomba H, foi em 23 de novembro de 1955, três anos depois de Ivy Mike. De fato, o trabalho real no esquema de implosão na União Soviética só começou no início de 1953, vários meses após o teste bem-sucedido do Sloika. [ citação necessária ]

Bombas limpas [ editar ]

Fagote, o protótipo de uma bomba limpa de 9,3 megatons ou uma bomba suja de 25 megatons. Versão suja mostrada aqui, antes do teste de 1956. Os dois anexos à esquerda são tubos de luz ; veja abaixo para elaboração.

Em 1º de março de 1954, a maior explosão de teste nuclear dos EUA, o tiro Bravo de 15 megatons da Operação Castle no Atol de Bikini, liberou uma dose letal de precipitação de produtos de fissão para mais de 16.000 km 2 de Superfície do Oceano Pacífico. [37] As lesões causadas pela radiação em habitantes das Ilhas Marshall e pescadores japoneses tornaram esse fato público e revelaram o papel da fissão nas bombas de hidrogênio.

Em resposta ao alarme público sobre as consequências, foi feito um esforço para projetar uma arma limpa de vários megatons, confiando quase inteiramente na fusão. A energia produzida pela fissão do urânio natural não enriquecido , quando usado como material de adulteração nas etapas secundárias e subsequentes do projeto Teller-Ulam, pode exceder em muito a energia liberada pela fusão, como foi o caso do teste Castle Bravo . Substituindo o fissionávelmaterial na adulteração com outro material é essencial para produzir uma bomba "limpa". Em tal dispositivo, o tamper não contribui mais com energia, portanto, para qualquer peso, uma bomba limpa terá menos rendimento. A primeira incidência conhecida de um dispositivo de três estágios sendo testado, com o terceiro estágio, chamado terciário, sendo acionado pelo secundário, foi em 27 de maio de 1956 no dispositivo Fagote. Este dispositivo foi testado no tiro Zuni da Operação Redwing . Este tiro usou tampers não fissionáveis; foi usado um material substituto inerte, como tungstênio ou chumbo. Seu rendimento foi de 3,5 megatons, 85% de fusão e apenas 15% de fissão. [ citação necessária ]

Os registros públicos de dispositivos que produziram a maior proporção de seu rendimento por meio de reações de fusão são as explosões nucleares pacíficas da década de 1970, com as 3 detonações que escavaram parte do Canal Pechora-Kama sendo citadas como 98% de fusão cada nos 15 quilotons do teste de Taiga dispositivos de rendimento explosivo; ou seja, uma fração total de fissão de 0,3 quilotons em um dispositivo de 15 kt. [38] Outros incluem o Tsar Bomba de 50 megatons a 97% de fusão, [39] o teste Hardtack Poplar de 9,3 megatons a 95%, [40] e o teste Redwing Navajo de 4,5 megatons a 95% de fusão. [41]

Em 19 de julho de 1956, o presidente da AEC, Lewis Strauss, disse que o teste de bomba limpa com tiro de Redwing Zuni "produziu muita importância ... de um aspecto humanitário". No entanto, menos de dois dias após este anúncio, a versão suja do Bassoon, chamada Bassoon Prime, com um calcador de urânio-238 no lugar, foi testada em uma barca na costa do Atol de Bikini quando o Redwing Tewa disparou. O Bassoon Prime produziu um rendimento de 5 megatons, dos quais 87% vieram da fissão. Os dados obtidos a partir deste teste, e outros, culminaram na eventual implantação da arma nuclear americana de maior rendimento conhecida, e a arma de maior rendimento em peso já fabricada , uma arma termonuclear de três estágios com um rendimento máximo "sujo" de 25 megatons, designado como obomba nuclear B41 , que deveria ser transportada por bombardeiros da Força Aérea dos EUA até ser desativada; esta arma nunca foi totalmente testada. [ citação necessária ]

Como tal, bombas limpas de alto rendimento parecem ter sido de pouco valor do ponto de vista militar. As armas reais implantadas eram as versões sujas, que maximizavam o rendimento para o dispositivo do mesmo tamanho. A necessidade de dispositivos nucleares de baixa fração de fissão foi impulsionada apenas por projetos como o Projeto Orion e explosões nucleares pacíficas – para escavação de terra com pouca contaminação da área escavada resultante. [ citação necessária ]

Terceira geração [ editar ]

As armas nucleares de primeira e segunda geração liberam energia como explosões omnidirecionais. Armas nucleares de terceira geração [42] [43] [44] são ogivas e dispositivos experimentais de efeito especial que podem liberar energia de maneira direcionada, alguns dos quais foram testados durante a Guerra Fria, mas nunca foram implantados. Esses incluem:

Quarta geração [ editar ]

Projetos de armas nucleares de 4ª geração [46] mais recentes, incluindo armas de fusão pura e dispositivos semelhantes a propulsão de pulso nuclear catalisada por antimatéria , [47] [48] [49] estão sendo estudados pelos cinco maiores estados de armas nucleares. [50] [51]

Bombas de cobalto [ editar ]

Uma bomba do fim do mundo, popularizada pelo romance de Nevil Shute de 1957 e pelo filme de 1959, On the Beach , a bomba de cobalto é uma bomba de hidrogênio com uma capa de cobalto. O cobalto ativado por nêutrons teria maximizado os danos ambientais da precipitação radioativa. Essas bombas foram popularizadas no filme de 1964 Dr. Strangelove or: How I Learn to Stop Worrying and Love the Bomb ; o material adicionado às bombas é referido no filme como 'cobalto-tório G'. [ citação necessária ]

Essas armas "salgadas" foram solicitadas pela Força Aérea dos EUA e seriamente investigadas, possivelmente construídas e testadas, mas não implantadas. [ citação necessária ] Na edição de 1964 do livro do DOD/AEC The Effects of Nuclear Weapons, uma nova seção intitulada Radiological Warfare esclareceu a questão. [52] Os produtos da fissão são tão mortais quanto o cobalto ativado por nêutrons. A arma termonuclear de alta fissão padrão é automaticamente uma arma de guerra radiológica, tão suja quanto uma bomba de cobalto. [ citação necessária ]

Inicialmente, a radiação gama dos produtos de fissão de uma bomba de fissão-fusão-fissão de tamanho equivalente é muito mais intensa do que o Co-60 : 15.000 vezes mais intensa em 1 hora; 35 vezes mais intenso em 1 semana; 5 vezes mais intenso em 1 mês; e aproximadamente igual aos 6 meses. Depois disso, a fissão cai rapidamente, de modo que a precipitação de Co-60 é 8 vezes mais intensa do que a fissão em 1 ano e 150 vezes mais intensa em 5 anos. Os isótopos de vida muito longa produzidos por fissão ultrapassariam o 60 Co novamente após cerca de 75 anos. [53]

O teste de salva nuclear tripla "taiga" , como parte do projeto preliminar do Canal Pechora-Kama de março de 1971 , produziu uma pequena quantidade de produtos de fissão e, portanto, uma quantidade comparativamente grande de produtos ativados por material de caso é responsável pela maior parte da atividade residual no local hoje, ou seja, Co-60. A partir de 2011, a ativação de nêutrons gerados por fusão foi responsável por cerca de metade da dose gama no local do teste. Essa dose é muito pequena para causar efeitos deletérios, e a vegetação verde normal existe ao redor do lago que se formou. [54] [55]

Dispositivos multiestágios arbitrariamente grandes [ editar ]

A ideia de um dispositivo que tem um número arbitrariamente grande de estágios Teller-Ulam, com cada um conduzindo uma implosão maior acionada por radiação do que o estágio anterior, é frequentemente sugerida, [56] [57] mas tecnicamente contestada. [58] Existem "esboços bem conhecidos e alguns cálculos de aparência razoável na literatura aberta sobre armas de dois estágios, mas nenhuma descrição igualmente precisa dos verdadeiros conceitos de três estágios". [58]

De acordo com o artigo da Força Aérea e Dissuasão Estratégica 1951-1960 de George Lemmer de 1967 , em 1957, o LANL afirmou que uma ogiva de 1.000 megatons poderia ser construída. [59] Aparentemente, três desses projetos americanos foram analisados ​​na faixa de gigatons (1.000 megatons); GNOMON e SUNDIAL do LLNL – objetos que projetam sombras – e o "TAV" do LANL. SUNDIAL tentando ter um rendimento de 10 Gt [ carece de fontes ] , enquanto os projetos Gnomon e TAV tentaram produzir um rendimento de 1 Gt. [60] [ melhor fonte necessária ] Liberdade de informaçãopedido foi arquivado (FOIA 13-00049-K) para obter informações sobre os três projetos dos EUA acima. O pedido foi negado sob isenções legais relativas a material classificado; a negação foi apelada, mas o pedido foi finalmente negado novamente em abril de 2016. [61] [62]

Seguindo a preocupação causada pela escala estimada de gigatons dos impactos do Cometa Shoemaker-Levy 9 de 1994 no planeta Júpiter , em uma reunião de 1995 no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Edward Teller propôs a um coletivo de ex-guerreiros americanos e russos projetistas de armas que eles colaboram no projeto de um dispositivo explosivo nuclear de 1000 megatons para desviar asteróides da classe de extinção (mais de 10 km de diâmetro), que seria empregado no caso de um desses asteróides estar em uma trajetória de impacto com a Terra. [63] [64] [65]

Também houve alguns cálculos feitos em 1979 por Lowell Wood , o protegido de Teller , que o projeto "Super clássico" inicialmente impraticável de Teller, análogo a acender um castiçal de combustível deutério, poderia atingir a ignição de forma confiável se fosse desencadeado por um suficientemente grande Dispositivo Teller-Ulam, em vez da arma de fissão do tipo arma usada no projeto original. [66]

Bombas de nêutrons [ editar ]

Uma bomba de nêutrons, tecnicamente chamada de arma de radiação aprimorada (ERW), é um tipo de arma nuclear tática projetada especificamente para liberar uma grande parte de sua energia como radiação de nêutrons energética. Isso contrasta com as armas termonucleares padrão, que são projetadas para capturar essa intensa radiação de nêutrons para aumentar seu rendimento explosivo geral. Em termos de rendimento, os ERWs normalmente produzem cerca de um décimo de uma arma atômica do tipo fissão. Mesmo com seu poder explosivo significativamente menor, os ERWs ainda são capazes de uma destruição muito maior do que qualquer bomba convencional. Enquanto isso, em relação a outras armas nucleares, os danos são mais focados no material biológico do que na infraestrutura material (embora os efeitos extremos de explosão e calor não sejam eliminados). [ citação necessária ]

ERWs são descritos com mais precisão como armas de rendimento suprimido. Quando o rendimento de uma arma nuclear é inferior a um quiloton, seu raio letal da explosão, 700 m (2.300 pés), é menor que o da radiação de nêutrons. No entanto, a explosão é mais do que potente o suficiente para destruir a maioria das estruturas, que são menos resistentes aos efeitos da explosão do que seres humanos desprotegidos. Pressões de explosão de mais de 20 PSI são suportáveis, enquanto a maioria dos edifícios desmoronará com uma pressão de apenas 5 PSI. [ citação necessária ]

Comumente mal concebidas como uma arma projetada para matar populações e deixar a infraestrutura intacta, essas bombas (como mencionado acima) ainda são muito capazes de nivelar edifícios em um grande raio. A intenção de seu projeto era matar tripulações de tanques - tanques que davam excelente proteção contra explosão e calor, sobrevivendo (relativamente) muito perto de uma detonação. Dadas as vastas forças de tanques dos soviéticos durante a Guerra Fria, esta era a arma perfeita para combatê-los. A radiação de nêutrons poderia incapacitar instantaneamente uma tripulação de tanque até aproximadamente a mesma distância que o calor e a explosão incapacitariam um humano desprotegido (dependendo do design). O chassi do tanque também se tornaria altamente radioativo, impedindo temporariamente sua reutilização por uma nova tripulação. [ citação necessária ]

As armas de nêutrons também foram destinadas para uso em outras aplicações, no entanto. Por exemplo, eles são eficazes em defesas antinucleares – o fluxo de nêutrons é capaz de neutralizar uma ogiva de entrada em um alcance maior do que calor ou explosão. Ogivas nucleares são muito resistentes a danos físicos, mas são muito difíceis de endurecer contra fluxos de nêutrons extremos. [ citação necessária ]

Distribuição de energia da arma
Padrão Melhorada
Explosão 50% 40%
Energia térmica 35% 25%
Radiação instantânea 5% 30%
Radiação residual 10% 5%

ERWs eram termonucleares de dois estágios com todo o urânio não essencial removido para minimizar o rendimento de fissão. A fusão forneceu os nêutrons. Desenvolvido na década de 1950, eles foram implantados pela primeira vez na década de 1970, por forças dos EUA na Europa. Os últimos foram aposentados na década de 1990. [ citação necessária ]

Uma bomba de nêutrons só é viável se o rendimento for suficientemente alto para que a ignição eficiente do estágio de fusão seja possível, e se o rendimento for baixo o suficiente para que a espessura da caixa não absorva muitos nêutrons. Isso significa que as bombas de nêutrons têm uma faixa de rendimento de 1 a 10 quilotons, com proporção de fissão variando de 50% em 1 quiloton a 25% em 10 quilotons (todos provenientes do estágio primário). A saída de nêutrons por quiloton é então 10 a 15 vezes maior do que para uma arma de implosão de fissão pura ou para uma ogiva estratégica como uma W87 ou W88 . [67]

Laboratórios de design de armas [ editar ]

Todas as inovações de design de armas nucleares discutidas neste artigo se originaram dos três laboratórios a seguir da maneira descrita. Outros laboratórios de design de armas nucleares em outros países duplicaram essas inovações de design de forma independente, fizeram engenharia reversa a partir de análises de precipitação radioativa ou as adquiriram por espionagem. [68]

Lawrence Berkeley [ editar ]

A primeira exploração sistemática de conceitos de design de armas nucleares ocorreu em meados de 1942 na Universidade da Califórnia, Berkeley . Importantes descobertas iniciais foram feitas no Laboratório Lawrence Berkeley adjacente , como a produção de 1940 feita por ciclotron e o isolamento de plutônio. Um professor de Berkeley, J. Robert Oppenheimer , acabara de ser contratado para dirigir o esforço de projeto de bombas secretas do país. Seu primeiro ato foi convocar a conferência de verão de 1942. [ citação necessária ]

Quando ele mudou sua operação para a nova cidade secreta de Los Alamos, Novo México, na primavera de 1943, a sabedoria acumulada sobre o projeto de armas nucleares consistia em cinco palestras do professor de Berkeley Robert Serber , transcritas e distribuídas como o Los Alamos Primer . [69] O Primer abordou energia de fissão, produção e captura de nêutrons , reações nucleares em cadeia , massa crítica , adulterações, predetonação e três métodos de montagem de uma bomba: montagem de armas, implosão e "métodos autocatalíticos", a única abordagem que resultou ser um beco sem saída. [ citação necessária ]

Los Alamos [ editar ]

Em Los Alamos, foi descoberto em abril de 1944 por Emilio Segrè que a bomba do tipo Thin Man Gun proposta não funcionaria para o plutônio por causa de problemas de predetonação causados ​​por impurezas de Pu-240 . Então Fat Man, a bomba do tipo implosão, recebeu alta prioridade como a única opção para o plutônio. As discussões de Berkeley geraram estimativas teóricas de massa crítica, mas nada precisas. O principal trabalho de guerra em Los Alamos foi a determinação experimental da massa crítica, que teve que esperar até que quantidades suficientes de material físsil chegassem das plantas de produção: urânio de Oak Ridge, Tennessee , e plutônio de Hanford Site em Washington. [ citação necessária]

Em 1945, usando os resultados de experimentos de massa crítica, os técnicos de Los Alamos fabricaram e montaram componentes para quatro bombas: o Trinity Gadget , Little Boy, Fat Man e um Fat Man sobressalente não utilizado. Após a guerra, aqueles que puderam, incluindo Oppenheimer, retornaram aos cargos de professor universitário. Aqueles que permaneceram trabalharam em poços ocos e levitados e conduziram testes de efeitos de armas como Crossroads Able e Baker no Atol de Bikini em 1946. [ carece de fontes ]

Todas as idéias essenciais para incorporar a fusão em armas nucleares se originaram em Los Alamos entre 1946 e 1952. Após o avanço da implosão de radiação Teller-Ulam em 1951, as implicações e possibilidades técnicas foram totalmente exploradas, mas idéias não diretamente relevantes para fazer o maior possível bombas para bombardeiros de longo alcance da Força Aérea foram arquivadas. [ citação necessária ]

Por causa da posição inicial de Oppenheimer no debate da bomba H, em oposição às grandes armas termonucleares, e a suposição de que ele ainda tinha influência sobre Los Alamos apesar de sua partida, aliados políticos de Edward Teller decidiram que ele precisava de seu próprio laboratório para perseguir H. -bombas. Quando foi inaugurado em 1952, em Livermore , Califórnia, Los Alamos havia terminado o trabalho que Livermore foi projetado para fazer. [ citação necessária ]

Lawrence Livermore [ editar ]

Com sua missão original não mais disponível, o laboratório de Livermore tentou novos projetos radicais que falharam. Seus três primeiros testes nucleares foram fracassados : em 1953, dois dispositivos de fissão de estágio único com poços de hidreto de urânio e, em 1954, um dispositivo termonuclear de dois estágios no qual o secundário aqueceu prematuramente, rápido demais para que a implosão de radiação funcionasse corretamente. [ citação necessária ]

Mudando de marcha, Livermore se contentou em pegar ideias que Los Alamos havia arquivado e desenvolvê-las para o Exército e a Marinha. Isso levou Livermore a se especializar em armas táticas de pequeno diâmetro, particularmente aquelas que usam sistemas de implosão de dois pontos, como o Swan. Armas táticas de pequeno diâmetro tornaram-se primárias para secundárias de pequeno diâmetro. Por volta de 1960, quando a corrida armamentista das superpotências se tornou uma corrida de mísseis balísticos, as ogivas de Livermore eram mais úteis do que as grandes e pesadas ogivas de Los Alamos. Ogivas de Los Alamos foram usadas nos primeiros mísseis balísticos de alcance intermediário , IRBMs, mas ogivas menores de Livermore foram usadas nos primeiros mísseis balísticos intercontinentais , ICBMs e mísseis balísticos lançados por submarinos , SLBMs, bem como no primeiromúltiplos sistemas de ogivas em tais mísseis. [70]

Em 1957 e 1958, ambos os laboratórios construíram e testaram tantos projetos quanto possível, na expectativa de que uma proibição de testes planejada em 1958 pudesse se tornar permanente. Quando os testes foram retomados em 1961, os dois laboratórios haviam se tornado duplicatas um do outro, e os trabalhos de projeto foram atribuídos mais por considerações de carga de trabalho do que por especialidades de laboratório. Alguns projetos foram negociados a cavalo. Por exemplo, a ogiva W38 para o míssil Titan I começou como um projeto de Livermore, foi entregue a Los Alamos quando se tornou a ogiva do míssil Atlas , e em 1959 foi devolvida a Livermore, em troca da ogiva W54 Davy Crockett , que foi de Livermore para Los Alamos. [ citação necessária ]

Os designs de ogivas após 1960 assumiram o caráter de mudanças de modelo, com cada novo míssil recebendo uma nova ogiva por razões de marketing. A principal mudança substantiva envolveu empacotar mais urânio-235 físsil no secundário, à medida que se tornava disponível com o enriquecimento contínuo de urânio e o desmantelamento das grandes bombas de alto rendimento. [ citação necessária ]

Começando com a instalação de Nova em Livermore em meados da década de 1980, a atividade de projeto nuclear referente à implosão acionada por radiação foi informada por pesquisas com fusão a laser de acionamento indireto . Este trabalho foi parte do esforço para investigar a Fusão por Confinamento Inercial . Trabalho semelhante continua no mais poderoso National Ignition Facility . O Programa de Manejo e Gestão de Estoques também se beneficiou de pesquisas realizadas no NIF . [ citação necessária ]

Testes explosivos [ editar ]

As armas nucleares são em grande parte projetadas por tentativa e erro. O teste geralmente envolve a explosão de teste de um protótipo.

Em uma explosão nuclear, um grande número de eventos discretos, com várias probabilidades, agregam-se em fluxos de energia caóticos e de curta duração dentro do invólucro do dispositivo. Modelos matemáticos complexos são necessários para aproximar os processos, e na década de 1950 não havia computadores poderosos o suficiente para executá-los corretamente. Mesmo os computadores e softwares de simulação de hoje não são adequados. [71]

Foi bastante fácil projetar armas confiáveis ​​para o estoque. Se o protótipo funcionasse, poderia ser transformado em arma e produzido em massa. [ citação necessária ]

Era muito mais difícil entender como funcionava ou por que falhava. Os projetistas coletaram o máximo de dados possível durante a explosão, antes que o dispositivo se destruísse, e usaram os dados para calibrar seus modelos, muitas vezes inserindo fatores falsos em equações para fazer as simulações corresponderem aos resultados experimentais. Eles também analisaram os destroços das armas para ver o quanto de uma reação nuclear potencial havia ocorrido. [ citação necessária ]

Tubos de luz [ editar ]

Uma ferramenta importante para análise de teste foi o tubo de luz de diagnóstico. Uma sonda dentro de um dispositivo de teste poderia transmitir informações aquecendo uma placa de metal até a incandescência, um evento que poderia ser registrado por instrumentos localizados na extremidade de um tubo longo e muito reto. [ citação necessária ]

A foto abaixo mostra o dispositivo Shrimp, detonado em 1º de março de 1954, em Bikini, como teste do Castle Bravo . Sua explosão de 15 megatons foi a maior já registrada pelos Estados Unidos. A silhueta de um homem é mostrada em escala. O dispositivo é suportado por baixo, nas extremidades. Os tubos que vão para o teto da cabine de tiro, que parecem ser suportes, são na verdade tubos de luz de diagnóstico. Os oito tubos na extremidade direita (1) enviaram informações sobre a detonação do primário. Dois no meio (2) marcaram o momento em que os raios X do primário atingiram o canal de radiação ao redor do secundário. Os dois últimos tubos (3) anotaram o tempo de radiação que atingiu a extremidade do canal de radiação, sendo a diferença entre (2) e (3) o tempo de trânsito de radiação para o canal. [72]

Castle Bravo Shrimp composite.png

Da cabine de tiro, os tubos giraram horizontalmente e percorreram 2,3 km ao longo de uma calçada construída no recife de Bikini até um bunker de coleta de dados controlado remotamente na Ilha Namu. [ citação necessária ]

Enquanto os raios X normalmente viajam na velocidade da luz através de um material de baixa densidade como o enchimento de canal de espuma plástica entre (2) e (3), a intensidade da radiação da explosão primária cria uma frente de radiação relativamente opaca no canal enchimento, que age como um impasse lento para retardar a passagem de energia radiante. Enquanto o secundário está sendo comprimido por meio de ablação induzida por radiação, os nêutrons do primário alcançam os raios X, penetram no secundário e começam a produzir trítio através da terceira reação observada na primeira seção acima. Esta reação Li-6 + n é exotérmica, produzindo 5 MeV por evento. A vela de ignição ainda não foi comprimida e, portanto, permanece subcrítica, portanto, nenhuma fissão ou fusão significativa ocorre como resultado. Se nêutrons suficientes chegarem antes que a implosão do secundário esteja completa, o diferencial crucial de temperatura entre as partes externa e interna do secundário pode ser degradado, potencialmente causando a falha de ignição do secundário. A primeira arma termonuclear projetada por Livermore, o dispositivo Morgenstern, falhou dessa maneira quando foi testado como Castle Koonem 7 de abril de 1954. O primário acendeu, mas o secundário, pré-aquecido pela onda de nêutrons do primário, sofreu o que foi denominado como uma detonação ineficiente ; [73] : 165  assim, uma arma com um rendimento previsto de um megaton produziu apenas 110 quilotons, dos quais apenas 10 kt foram atribuídos à fusão. [74] : 316 

Esses efeitos de temporização e quaisquer problemas que causem são medidos pelos dados do tubo de luz. As simulações matemáticas que calibram são chamadas de códigos hidrodinâmicos de fluxo de radiação, ou códigos de canal. Eles são usados ​​para prever o efeito de futuras modificações de projeto. [ citação necessária ]

Não está claro a partir do registro público quão bem sucedidos foram os tubos leves de camarão. O bunker de dados não tripulado estava longe o suficiente para permanecer fora da cratera de uma milha de largura, mas a explosão de 15 megatons, duas vezes e meia mais poderosa do que o esperado, violou o bunker explodindo sua porta de 20 toneladas das dobradiças e atravessando o bunker. dentro do bunker. (As pessoas mais próximas estavam a vinte milhas (32 km) mais longe, em um bunker que sobreviveu intacto.) [75]

Análise de Fallout [ editar ]

Os dados mais interessantes do Castle Bravo vieram da análise radioquímica de detritos de armas em precipitação. Por causa da escassez de lítio-6 enriquecido, 60% do lítio no secundário de camarão era lítio-7 comum, que não produz trítio tão facilmente quanto o lítio-6. Mas ele gera lítio-6 como o produto de uma reação (n, 2n) (um nêutron entra, dois nêutrons saem), um fato conhecido, mas com probabilidade desconhecida. A probabilidade acabou sendo alta. [ citação necessária ]

A análise de precipitação revelou aos projetistas que, com a reação (n, 2n), o secundário Shrimp efetivamente tinha duas vezes e meia mais lítio-6 do que o esperado. O trítio, o rendimento da fusão, os nêutrons e o rendimento da fissão foram todos aumentados de acordo. [76]

Como observado acima, a análise de precipitação do Bravo também disse ao mundo exterior, pela primeira vez, que as bombas termonucleares são mais dispositivos de fissão do que dispositivos de fusão. Um barco de pesca japonês, Daigo Fukuryū Maru , navegou para casa com precipitação suficiente em seus conveses para permitir que cientistas no Japão e em outros lugares determinassem e anunciassem que a maior parte da precipitação havia vindo da fissão do U-238 por 14 MeV produzidos por fusão. nêutrons. [ citação necessária ]

Testes subterrâneos [ editar ]

Crateras de subsidência em Yucca Flat, Nevada Test Site.

O alarme global sobre precipitação radioativa, que começou com o evento Castle Bravo, acabou levando os testes nucleares literalmente para o subsolo. O último teste acima do solo dos EUA ocorreu na Ilha Johnston em 4 de novembro de 1962. Durante as três décadas seguintes, até 23 de setembro de 1992, os Estados Unidos realizaram uma média de 2,4 explosões nucleares subterrâneas por mês, todas menos algumas no local. Local de Teste de Nevada (NTS) a noroeste de Las Vegas. [ citação necessária ]

A seção Yucca Flat do NTS é coberta por crateras de subsidência resultantes do colapso do terreno sobre cavernas radioativas criadas por explosões nucleares (ver foto).

Após o Threshold Test Ban Treaty (TTBT) de 1974, que limitou as explosões subterrâneas a 150 quilotons ou menos, ogivas como a W88 de meio megaton tiveram que ser testadas com rendimento inferior ao total. Como o primário deve ser detonado com rendimento total para gerar dados sobre a implosão do secundário, a redução no rendimento teve que vir do secundário. A substituição de grande parte do combustível de fusão de deutereto de lítio-6 por hidreto de lítio-7 limitou o trítio disponível para fusão e, portanto, o rendimento geral, sem alterar a dinâmica da implosão. O funcionamento do dispositivo pode ser avaliado usando tubos de luz, outros dispositivos de detecção e análise de detritos de armas presos. O rendimento total da arma armazenada poderia ser calculado por extrapolação. [ citação necessária ]

Instalações de produção [ editar ]

Quando as armas de dois estágios se tornaram padrão no início da década de 1950, o design das armas determinou o layout das novas instalações de produção americanas amplamente dispersas e vice-versa.

Como as primárias tendem a ser volumosas, especialmente em diâmetro, o plutônio é o material físsil de escolha para poços, com refletores de berílio. Tem uma massa crítica menor que o urânio. A fábrica de Rocky Flats perto de Boulder, Colorado, foi construída em 1952 para a produção de poços e, consequentemente, tornou-se a instalação de fabricação de plutônio e berílio. [ citação necessária ]

A planta Y-12 em Oak Ridge , Tennessee , onde espectrômetros de massa chamados calutrons enriqueceram urânio para o Projeto Manhattan , foi redesenhada para fazer secundários. Físsil U-235 é a melhor vela de ignição porque sua massa crítica é maior, especialmente na forma cilíndrica dos primeiros secundários termonucleares. Os primeiros experimentos usaram os dois materiais físseis em combinação, como poços compostos de Pu-Oy e velas de ignição, mas para a produção em massa, era mais fácil deixar as fábricas se especializarem: poços de plutônio em primários, velas de ignição de urânio e empurradores em secundários. [ citação necessária ]

Y-12 fez combustível de fusão de deutereto de lítio-6 e partes de U-238, os outros dois ingredientes de secundários. [ citação necessária ]

O local de Hanford perto de Richland WA operou reatores nucleares de produção de plutônio e instalações de separação durante a Segunda Guerra Mundial e a Guerra Fria. Nove reatores de produção de plutônio foram construídos e operados lá. O primeiro sendo o B-Reactor que iniciou suas operações em setembro de 1944 e o último sendo o N-Reactor que encerrou suas operações em janeiro de 1987. [ citação necessária ]

O local do rio Savannah em Aiken , Carolina do Sul , também construído em 1952, operava reatores nucleares que converteram U-238 em Pu-239 para poços e converteram lítio-6 (produzido em Y-12) em trítio para gás de reforço. Como seus reatores eram moderados com água pesada, óxido de deutério, também produzia deutério para gás de reforço e para Y-12 para usar na fabricação de deutereto de lítio-6. [ citação necessária ]

Segurança do projeto da ogiva [ editar ]

Como mesmo as ogivas nucleares de baixo rendimento têm um poder destrutivo surpreendente, os projetistas de armas sempre reconheceram a necessidade de incorporar mecanismos e procedimentos associados destinados a impedir a detonação acidental. [ citação necessária ]

Um diagrama do dispositivo de segurança de esfera de aço da ogiva Green Grass , mostrado à esquerda, cheio (seguro) e à direita, vazio (ao vivo). As esferas de aço foram esvaziadas em uma tremonha embaixo da aeronave antes do voo e podem ser reinseridas usando um funil girando a bomba em seu carrinho e levantando a tremonha.

Tipo de arma [ editar ]

É inerentemente perigoso ter uma arma contendo uma quantidade e forma de material físsil que pode formar uma massa crítica por meio de um acidente relativamente simples. Por causa desse perigo, o propulsor em Little Boy (quatro sacos de cordite ) foi inserido na bomba em vôo, logo após a decolagem em 6 de agosto de 1945. Esta foi a primeira vez que uma arma nuclear do tipo canhão foi totalmente montada. [ citação necessária ]

Se a arma cair na água, o efeito moderador da água também pode causar um acidente de criticidade , mesmo sem que a arma seja fisicamente danificada. Da mesma forma, um incêndio causado pela queda de uma aeronave poderia facilmente inflamar o propelente, com resultados catastróficos. Armas do tipo arma sempre foram inerentemente inseguras. [ citação necessária ]

Inserção de poço em voo [ editar ]

Nenhum desses efeitos é provável com armas de implosão, pois normalmente há material físsil insuficiente para formar uma massa crítica sem a detonação correta das lentes. No entanto, as primeiras armas de implosão tinham poços tão próximos da criticidade que a detonação acidental com algum rendimento nuclear era uma preocupação. [ citação necessária ]

Em 9 de agosto de 1945, o Fat Man foi carregado em seu avião totalmente montado, mas mais tarde, quando os poços levitados criaram um espaço entre o poço e o tamper, foi possível usar a inserção do poço em voo. O bombardeiro decolaria sem material físsil na bomba. Algumas armas mais antigas do tipo implosão, como as US Mark 4 e Mark 5 , usavam esse sistema. [ citação necessária ]

A inserção do poço em voo não funcionará com um poço oco em contato com seu tamper. [ citação necessária ]

Método de segurança de bola de aço [ editar ]

Conforme mostrado no diagrama acima, um método usado para diminuir a probabilidade de detonação acidental empregava bolas de metal . As bolas foram esvaziadas no poço: isso evitou a detonação aumentando a densidade do poço oco, evitando assim a implosão simétrica em caso de acidente. Este projeto foi usado na arma Green Grass, também conhecida como Interim Megaton Weapon, que foi usada nas bombas Violet Club e Yellow Sun Mk.1 . [ citação necessária ]

Teste de segurança de um ponto.svg

Método de segurança da corrente [ editar ]

Alternativamente, o poço pode ser "protegido" tendo seu núcleo normalmente oco preenchido com um material inerte, como uma fina corrente de metal, possivelmente feita de cádmio para absorver nêutrons. Enquanto a corrente estiver no centro da fossa, a fossa não pode ser comprimida em uma forma apropriada para fissão; quando a arma deve ser armada, a corrente é removida. Da mesma forma, embora um incêndio grave pudesse detonar os explosivos, destruindo o poço e espalhando plutônio para contaminar os arredores, como aconteceu em vários acidentes com armas , não poderia causar uma explosão nuclear. [ citação necessária ]

Segurança de um ponto [ editar ]

Embora o disparo de um detonador entre muitos não faça com que um poço oco se torne crítico, especialmente um poço oco de baixa massa que requer reforço, a introdução de sistemas de implosão de dois pontos tornou essa possibilidade uma preocupação real. [ citação necessária ]

Em um sistema de dois pontos, se um detonador disparar, um hemisfério inteiro do poço implodirá conforme projetado. A carga altamente explosiva em torno do outro hemisfério explodirá progressivamente, do equador em direção ao pólo oposto. Idealmente, isso irá apertar o equador e espremer o segundo hemisfério para longe do primeiro, como pasta de dente em um tubo. Quando a explosão o envolver, sua implosão estará separada tanto no tempo quanto no espaço da implosão do primeiro hemisfério. A forma de haltere resultante, com cada extremidade atingindo a densidade máxima em um momento diferente, pode não se tornar crítica. [ citação necessária ]

Infelizmente, não é possível dizer na prancheta como isso vai acontecer. Também não é possível usar um poço falso de U-238 e câmeras de raios X de alta velocidade, embora esses testes sejam úteis. Para determinação final, um teste precisa ser feito com material físsil real. Consequentemente, a partir de 1957, um ano depois de Swan, ambos os laboratórios iniciaram testes de segurança de um ponto. [ citação necessária ]

Dos 25 testes de segurança de um ponto realizados em 1957 e 1958, sete tiveram rendimento nuclear zero ou leve (sucesso), três tiveram altos rendimentos de 300 t a 500 t (falha grave) e o restante teve rendimentos inaceitáveis ​​entre esses extremos. [ citação necessária ]

De particular preocupação foi o W47 de Livermore , que gerou rendimentos inaceitavelmente altos em testes de um ponto. Para evitar uma detonação acidental, Livermore decidiu usar proteção mecânica no W47. O esquema de segurança do fio descrito abaixo foi o resultado. [ citação necessária ]

Quando os testes foram retomados em 1961 e continuaram por três décadas, houve tempo suficiente para tornar todos os projetos de ogivas inerentemente seguros em um ponto, sem necessidade de proteção mecânica. [ citação necessária ]

Método de segurança do fio [ editar ]

No último teste antes da moratória de 1958, descobriu-se que a ogiva W47 para o Polaris SLBM não era um ponto seguro, produzindo um rendimento nuclear inaceitavelmente alto de 400 lb (180 kg) de equivalente TNT (Hardtack II Titania). Com a moratória dos testes em vigor, não havia como refinar o projeto e torná-lo inerentemente seguro em um ponto. Uma solução foi concebida consistindo de um fio revestido de boro inserido no poço oco da arma na fabricação. A ogiva foi armada retirando o fio para um carretel acionado por um motor elétrico. Uma vez retirado, o fio não pode ser reinserido. [77] O fio tinha a tendência de se tornar quebradiço durante o armazenamento e quebrar ou ficar preso durante o armamento, impedindo a remoção completa e tornando a ogiva um fracasso. [78]Estimou-se que 50-75% das ogivas falhariam. Isso exigiu uma reconstrução completa de todas as primárias W47. [79] O óleo usado para lubrificar o fio também promoveu a corrosão do pit. [80]

Link forte/elo fraco [ editar ]

Sob o sistema de elo forte/elo fraco, os "elos fracos" são construídos entre os componentes críticos das armas nucleares (os "elos físicos"). No caso de um acidente, os elos fracos são projetados para falhar primeiro de uma maneira que impede a transferência de energia entre eles. Então, se um link físico falhar de uma maneira que transfere ou libera energia, a energia não pode ser transferida para outros sistemas de armas, potencialmente iniciando uma detonação nuclear. Os links físicos geralmente são componentes críticos de armas que foram reforçados para sobreviver a ambientes extremos, enquanto os links fracos podem ser ambos os componentes deliberadamente inseridos no sistema para atuar como um link fraco e componentes nucleares críticos que podem falhar previsivelmente. [ citação necessária ]

Um exemplo de elo fraco seria um conector elétrico que contém fios elétricos feitos de uma liga de baixo ponto de fusão. Durante um incêndio, esses fios derreteriam quebrando qualquer conexão elétrica. [ citação necessária ]

Link de ação permissiva [ editar ]

Um Link de Ação Permissiva é um dispositivo de controle de acesso projetado para impedir o uso não autorizado de armas nucleares. Os primeiros PALs eram interruptores eletromecânicos simples e evoluíram para sistemas de armamento complexos que incluem opções integradas de controle de rendimento, dispositivos de bloqueio e dispositivos antiviolação.

Referências [ editar ]

Bibliografia [ editar ]

  • Cohen, Sam , A verdade sobre a bomba de nêutrons: o inventor da bomba fala , William Morrow & Co., 1983
  • Coster-Mullen, John, "Atom Bombs: The Top Secret Inside Story of Little Boy and Fat Man", auto-publicado, 2011
  • Glasstone, Samuel e Dolan, Philip J., editores, The Effects of Nuclear Weapons (terceira edição) Arquivado em 2016-03-03 na Wayback Machine (PDF), US Government Printing Office, 1977.
  • Grace, S. Charles, Armas Nucleares: Princípios, Efeitos e Sobrevivência (Land Warfare: Brassey's New Battlefield Weapons Systems and Technology, vol 10)
  • Hansen, Chuck , " Swords of Armageddon: US Nuclear Weapons Development since 1945 Arquivado em 2016-12-30 na Wayback Machine " (CD-ROM e download disponíveis). PDF. 2.600 páginas, Sunnyvale, Califórnia, Chucklea Publications, 1995, 2007. ISBN  978-0-9791915-0-3 (2ª Ed.)
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  • Rodes, Ricardo. A Fabricação da Bomba Atômica . Simon e Schuster, Nova York, (1986 ISBN 978-0-684-81378-3 ) 
  • Rodes, Ricardo . Dark Sun: A fabricação da bomba de hidrogênio . Simon e Schuster, Nova York, (1995 ISBN 978-0-684-82414-7 ) 
  • Smyth, Henry DeWolf , Atomic Energy for Military Purposes Arquivado em 21/04/2017 na Wayback Machine , Princeton University Press, 1945. (ver: Smyth Report )

Notas [ editar ]

  1. O pacote de física é o módulo explosivo nuclear dentro do invólucro da bomba, ogiva de míssil ou projétil de artilharia, etc., que entrega a arma ao seu alvo. Enquanto fotografias de invólucros de armas são comuns, fotografias do pacote de física são bastante raras, mesmo para as armas nucleares mais antigas e grosseiras. Para uma fotografia de um pacote de física moderna, veja W80 .
  2. Life Editors (1961), "To the Outside World, a Superbomb more Bluff than Bang" , Life , New York, no. Vol. 51, nº 19, 10 de novembro de 1961, pp. 34–37, arquivado do original em 04/09/2021 , recuperado em 28/06/2010 {{citation}}: |last=tem nome genérico ( ajuda ) . Artigo sobre o teste soviético Tsar Bomba . Como as explosões são esféricas e os alvos estão espalhados na superfície relativamente plana da Terra, várias armas menores causam mais destruição. Da página 35: "... cinco armas de cinco megatoneladas demoliriam uma área maior do que uma única de 50 megatoneladas."
  3. Os Estados Unidos e a União Soviética foram as únicas nações a construir grandes arsenais nucleares com todos os tipos possíveis de armas nucleares. Os EUA tiveram uma vantagem de quatro anos e foram os primeiros a produzir material físsil e armas de fissão, tudo em 1945. A única reivindicação soviética para um projeto primeiro foi a detonação Joe 4 em 12 de agosto de 1953, considerada a primeira entrega Bomba de hidrogênio. No entanto, como Herbert York revelou pela primeira vez em The Advisors: Oppenheimer, Teller and the Superbomb(WH Freeman, 1976), não era uma verdadeira bomba de hidrogênio (era uma arma de fissão reforçada do tipo Sloika/Alarm Clock, não uma termonuclear de dois estágios). As datas soviéticas para os elementos essenciais da miniaturização de ogivas – primárias de lentes de ar, de poço oco, de dois pontos – não estão disponíveis na literatura aberta, mas o tamanho maior dos mísseis balísticos soviéticos é frequentemente explicado como evidência de uma dificuldade soviética inicial na miniaturização de ogivas.
  4. ^ FR 971324 , Caisse Nationale de la Recherche Scientifique (Fundo Nacional para Pesquisa Científica) , "Perfectionnements aux cargas explosivos (Melhorias para cargas explosivas)", publicado 1951-01-16  .
  5. A fonte principal desta seção é Samuel Glasstone e Philip Dolan, The Effects of Nuclear Weapons , Third Edition, 1977, US Dept of Defense and US Dept of Energy (veja links em General References, abaixo), com as mesmas informações em mais detalhe em Samuel Glasstone, Sourcebook on Atomic Energy , Terceira Edição, 1979, Comissão de Energia Atômica dos EUA, Krieger Publishing.
  6. ^ Glasstone e Dolan, Efeitos , p. 12.
  7. ^ Glasstone, Sourcebook , p. 503.
  8. ^ Sublette, Carey. "NWFAQ: 4.2.5 Aplicações para fins especiais" . Nuclearweaponarchive.org . Recuperado em 11 de agosto de 2021 . Os modernos gatilhos de fissão impulsionada levam essa evolução para maior rendimento em peso, menor volume e maior facilidade de escape de radiação ao extremo. Rendimentos explosivos comparáveis ​​são produzidos por um núcleo consistindo de 3,5 a 4,5 kg de plutônio, 5 a 6 kg de refletor de berílio e cerca de 20 kg de alto explosivo contendo essencialmente nenhum material de alto Z.
  9. ^ Sublette, Carey. "NWFAQ: 4.4.3.4 Princípios de Compressão" . nuclearweaponarchive.org . Recuperado em 11 de agosto de 2021 . Um cálculo simplista do trabalho realizado na implosão de um secundário de 10 litros no "W-80" ... o primário realmente produzido (5 kt) ...
  10. ^ "nêutrons carregam a maior parte da energia da reação", Glasstone e Dolan, Effects , p. 21.
  11. ^ a b Glasstone e Dolan, Efeitos , p. 21.
  12. ^ Glasstone e Dolan, Efeitos , pp. 12–13. Quando 454 g (uma libra) de U-235 sofre fissão completa, o rendimento é de 8 quilotons. O rendimento de 13 a 16 quilotons da bomba Little Boy foi, portanto, produzido pela fissão de não mais que 2 libras (910 g) de U-235, das 141 libras (64.000 g) no poço. Assim, os restantes 139 libras (63 kg), 98,5% do total, em nada contribuíram para o rendimento energético.
  13. ^ Compere, AL, e Griffith, WL 1991. "O Programa Calutron dos EUA para Enriquecimento de Urânio: História,. Tecnologia, Operações e Produção. Relatório", ORNL-5928, conforme citado em John Coster-Mullen, "Atom Bombs: The Top Secret Inside Story of Little Boy and Fat Man", 2003, nota de rodapé 28, p. 18. A produção total de tempo de guerra de Oralloy produzida em Oak Ridge em 28 de julho de 1945 foi de 165 libras (74,68 kg). Deste montante, 84% estavam espalhados por Hiroshima (ver nota de rodapé anterior).
  14. ^ Hoddeson, Lilian; et ai. (2004). Montagem crítica: uma história técnica de Los Alamos durante os anos Oppenheimer, 1943-1945 . Cambridge University Press. pág. 271. ISBN 978-0-521-54117-6.
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