Proceso Teller-Ulam

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Proceso Teller-Ulam
Faceta de Proceso Teller-Ulam

El diseño de Teller-Ulam es un diseño de arma nuclear que se utiliza en la gama de las armas termonucleares, y que se designa de forma familiar como “el secreto de la bomba de hidrógeno". Su nombre viene de los dos principales contribuidores, el físico húngaro-estadounidense Edward Teller y del matemático polaco-estadounidense Stanisław Ulam, que desarrolló el diseño en 1951. La idea básica es el uso de una bomba atómica de fisión a modo de disparador colocada cerca de una cantidad de combustible de fusión, y el uso de la “implosión de la radiación” para comprimir el combustible de la fusión y conseguir su encendido.

La bomba H, también llamada bomba de hidrógeno o bomba de fusión o bomba termonuclear es una bomba nuclear en la cual la energía liberada proviene de la fusión de átomos ligeros en átomos más pesados.

Explosión de Ivy Mike, la primera bomba H probada, el 31 de octubre de 1952.

Historia

En 1940, el húngaro-estadounidense Edward Teller estudia la posibilidad de utilizar la cantidad enorme de calor (108 °C, es decir cien millones de grados centígrados) producida por la explosión de una bomba atómica de fisión para poner en marcha el proceso de fusión nuclear. En 1941, Teller se une al proyecto Manhattan, que tiene como objetivo desarrollar la bomba atómica de fisión.

Después de trabajos preliminares en Chicago con Enrico Fermi, y en Berkeley con Robert Oppenheimer, Teller fue a los laboratorios de Los Álamos (Nuevo México, USA) para trabajar en la bomba atómica bajo la dirección de Oppenheimer. Debido a que las dificultades encontradas para realizar una bomba de fisión fueron enormes, no se siguió la pista de la bomba H, lo que causó una gran decepción a Teller.

En 1949, cuando los soviéticos hicieron explotar su propia bomba de fisión (RDS-1), los análisis de los servicios de inteligencia estadounidenses demostraron que se trataba de una bomba que utilizaba el plutonio como combustible nuclear. El monopolio de los Estados Unidos en el tema nuclear dejaba de existir, y la noticia causó un choque psicológico considerable, pues los estadounidenses estimaban poder conservar el monopolio del arma nuclear durante una decena de años. Se comprometen entonces en una nueva epopeya, la de la búsqueda de una bomba todavía más poderosa que la bomba de fisión: la bomba de fusión.

El presidente de los Estados Unidos Harry Truman pide así al laboratorio de Los Álamos desarrollar una bomba basada en la fusión de átomos de hidrógeno. Oppenheimer está en contra de esta decisión, considerando que es sólo otro instrumento de genocidio. Teller fue puesto a cargo del programa. Sin embargo, su modelo, aunque razonable, no permitió lograr el fin pretendido.

El matemático polaco-estadounidense Stanisław Ulam, en colaboración con C.J. Everett, realizó cálculos detallados que muestran que el modelo de Teller es ineficaz. Ulam sugiere entonces un nuevo método que sí resultará exitoso. Colocando en un recinto una bomba de fisión en una extremidad y el material termonuclear en la otra, es posible dirigir las ondas de choque producidas por la bomba de fisión para comprimir y encender el combustible termonuclear (hidrógeno).

En un principio Teller no aceptó la idea, pero luego comprendió todo su mérito y sugirió la utilización de radiación en vez de ondas de choque para comprimir el material termonuclear. La primera bomba H, Ivy Mike, estalla sobre el atolón de Eniwetok (cerca de Bikini, Océano Pacífico) el 1 de noviembre de 1952 a satisfacción de Teller, con el desacuerdo de una parte mayoritaria de la comunidad científica.

La "implosión por radiación" se convirtió entonces en el método estándar para crear las bombas de fusión. Ambos creadores, Ulam y Teller, produjeron así su bomba H.

Bomba H tipo Teller-Ulam

Estructura

Configuración de una bomba de fisión-fusión-fisión

A : etapa de fisión
B : etapa de fusión

1. Lentes de explosivos convencionales de alta potencia destinadas a desencadenar la reacción de fisión
2. Uranio-238 ("tampón")
3. Vacío ("levitación")
4. Gas de tritio ("refuerzo", en azul) encerrado en un núcleo hueco de plutonio o uranio
5. Espuma de poliestireno
6. Uranio-238 ("tampón")
7. Deuterio de litio 6 (combustible de la fusión)
8. Plutonio (bujía de encendido)
9. Envoltura reflectante (refleja los rayos X hacia el dispositivo de la fusión)

Una bomba de arquitectura Teller-Ulam es lo mismo que una bomba de fisión-fusión-fisión. Tal bomba consta de dos partes principales:

La propia bomba se rodea de una estructura para permitir retener en el interior los rayos X producidos por la explosión de la bomba de fisión. Esta radiación se redirige al interior con el fin de comprimir el material de fusión y conseguir que se "encienda".

Desarrollo de la explosión de una bomba Teller-Ulam

La explosión de una bomba H se realiza en un intervalo del tiempo muy corto: 6.10-8 s, o sea 6 cienmillonésimas de segundo. La reacción de fisión toma 5,5 cienmillonésimas partes de segundo y la de fusión 0,5 cienmillonésimas.

  1. Después del encendido del explosivo químico, la bomba de fisión en el primario se pone en marcha.
  2. La explosión provoca la aparición de rayos X, que se reflejan sobre la cubierta e ionizan el poliestireno que pasa al estado de plasma.
  3. Los rayos X irradian el tampón que comprime el combustible de fusión deuteruro de litio (6 LiD) y ceba el plutonio que, bajo el efecto de esta compresión y de los neutrones, comienza a fisionarse.
  4. Comprimido y llevado a temperaturas muy altas, el deuteruro de litio (6LiD) comienza la reacción de fusión. Generalmente se observan este tipo de reacciones de fusión:
    D + T → 4He + n
    D + D → 3He + n
    D + D → T + p
    D + 3He → 4He + p
    T + T → 4He + 2n
    6Li + n → T + 4He
    7Li + n → T + 4He + n
    n siendo un neutrón y p un protón.
    Cuando el material de fusión se fusiona a más de 100 millones de grados, libera muchísima energía. A la temperatura dada, el número de reacciones aumenta con arreglo al cuadrado de la densidad: así, una compresión mil veces más elevada incrementa un millón de veces la energía producida.
  5. La reacción de fusión produce un gran flujo de neutrones que va a irradiar el tampón, y si este está formado por materiales fisibles (como el 238 U) va a producirse una reacción de fisión, provocando una nueva liberación de energía del mismo orden de magnitud que la reacción de fusión.
Desarrollo de la explosión de una bomba H

A Bomba antes de la explosión. Etapa de fisión (arriba) llamada primaria, etapa de fusión (abajo), llamada secundaria, totalmente suspendidas en una espuma de poliestireno.
B Un explosivo de alta potencia detona en el primario, comprimiendo el uranio de forma supercrítica y empieza una reacción de fisión.
C El primario emite rayos X que son reflejados por la cubierta e irradian la espuma de poliestireno.
D La espuma de poliestireno se hace plasma a causa de la radiación y comprime el secundario, y el plutonio comienza su fisión.
E Comprimido y calentado, el deuteruro de litio-6 comienza la reacción de fusión, un flujo de neutrones enciende la fusión del tampón. Comienza a formarse una bola de fuego...

Potencia de una bomba H

La explosión de una bomba de fisión genera una energía de aproximadamente 14 kt de TNT es decir 14.000 toneladas de TNT. Una tonelada de TNT desarrolla 10 9 {\displaystyle 10^{9}} calorías, o sea 4 , .184 ′ 10 9 {\displaystyle 4,.184'10^{9}} julios.

En comparación, las bombas H típicamente serían por lo menos 1 000 veces más potentes que Little Boy, la bomba atómica de fisión lanzada sobre Hiroshima. Por ejemplo, Ivy Mike, la primera bomba de fusión estadounidense, liberó una energía de aproximadamente 10.400 kT. La explosión más potente de la historia fue la de la Bomba del Zar soviética que debía servir como prueba para bombas de 100 Mt, pero se redujo hasta las 50 Mt por precaución. La energía máxima liberada por una bomba de fusión no tiene límite teóricamente.

Bombas de fusión "célebres"

La prueba "Castle Bravo", de una potencia de 15 megatones (Bikini, 1954).

Véase también