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 de forma familiar, se designa como “el secreto de la bomba de hidrógeno". Su nombre viene de los dos principales contribuidores, el húngaro-americano Edward Teller y del matemático 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 pues una bomba nuclear en la cual la energía proviene de la fusión de átomos ligeros.

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Historia

En 1940, el húngaro-americano Edward Teller envisiona la posibilidad de utilizar la cantidad enorme de calor (10⁸ °C, es decir cien millones de grados centígrados) soltada 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 va a los laboratorios de Los Alamos (Nuevo México, USA) para trabajar en la bomba atómica bajo la dirección de Oppenheimer. Debido a las dificultades encontradas para realizar una bomba de fisión, menos compleja, no se siguió la pista de la bomba H, causando una gran decepción a Teller.

En 1949, cuando los soviéticos explosionaron su propia bomba de fisión, los análisis de los servicios de inteligencia americanos demostraron que se trataba de una bomba que utilizaba el plutonio como combustible nuclear. El monopolio de los Estados Unidos en el tema nuclear deja de existir y la noticia causa 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 Alamos desarrollar una bomba que funciona gracias a la fusión de los núcleos de hidrógeno. Oppenheimer está en contra de esta decisión, considerado que es sólo otro instrumento de genocidio. Teller fue puesto a cargo del programa. Sin embargo, su modelo, aunque razonable, no permite lograr el fin pretendido.

El matemático polaco-americano Stanislaw Marcin Ulam, en colaboración con C.J. Everett, realiza cálculos detallados que muestran que el modelo de Teller es ineficaz. Ulam sugiere entonces un nuevo método que sí será retenido. Colocando una bomba de fisión a una extremidad y el material termonuclear a la otra extremidad de un recinto, es posible dirigir las ondas de choque producidas por la bomba de fisión. Estas ondas comprimen y encienden el combustible termonuclear.

Al principio Teller no acepta la idea, pero luego comprende todo su mérito y sugiere 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 uno de noviembre de 1952 a satisfacción de Teller, a pesar del 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, produjereron así su bomba H.

Bomba H tipo Teller-Ulam

Estructura

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

• La parte primaria alta: es la bomba de fisión que, al estallar, conlleva un aumento muy fuerte de la temperatura y por ello, el encendido de la fusión.

• La parte secundaria baja: es el material que va a fusionarse, en este caso litio, acompañado por un núcleo de plutonio y de una cubierta de uranio 238. Esta parte está rodeada de una espuma de poliestireno que permitirá una subida muy alta de la temperatura.

• Por último, es posible utilizar una tercera etapa, del mismo tipo que la segunda, para producir una bomba de hidrógeno mucho más poderosa. Este piso suplementario es mucho más voluminoso (por término medio 10 veces más) y su fusión comienza gracias a la energía soltada por la fusión de la segunda etapa. Podemos pues fabricar bombas H de potencias muy grandes añadiendo varias etapas.

La misma bomba se rodea de una estructura que va a permitir retener la aportación de rayos X producidos por la explosión de la bomba de fisión. Estas ondas son redirigidas con el fin de comprimir el material de fusión.

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^-7, osea 600 mil millonesimas de segundo. La reacción de fisión toma 550 mil millonésimas partes del segundo y la de la fusión 50 mil millonésimas.

1. Después del encendido del explosivo químico, la bomba a fisión 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 en el estado de plasma.
3. Los rayos X irradian el tampón que comprime el combustible de fusión deuterio de litio (⁶ LiD) y ceba el plutonio que, bajo el efecto de esta compresión y de los neutrones, comienza a fisionar.
4. Comprimido y llevado a temperaturas muy altas, el deuterio de litio (⁶LiD) comienza la reacción de fusión. Generalemente se observan este tipo de reacciones de fusión :
   
   D + D → ³He + n D + D = (sup/48) 5 dh + e*n D + D → T + p
   D + ³He → ⁴He + p
   T + T → ⁴He + 2n
   ³He + S → ⁴He + p
   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 conduce a la producción de un millón de reacciones más.
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 dimensión que la reacción de fusión.

Potencia de una bomba H

La explosión de una bomba a fisión genera una energía de aproximadamente 14 kt de TNT (a saber, 14 000 toneladas), una tonelada de TNT que desarrolla 10⁹ calorías, osea 4,184.10⁹ julios. Esta energía máxima no sobrepasa las 700 kt.

En comparación, las bombas H típicamente serían por lo menos 1000 veces más poderosas que Little Boy, la bomba atómica de fisión lanzada sobre Hiroshima. Por ejemplo, Ivy Mike, la primera bomba de fusión americana, liberó una energía de aproximadamente 10.400 kT. La explosión más poderosa de la historia fue la de Bomba del Zar soviética que debía servir de prueba de bombas de 100 Mt, ésta fue de 57 Mt. La energía máxima liberada por una bomba de fusión no tiene límite (teóricamente, por lo menos).

Bombas de fusión "célebres"

• Ivy Mike: una bomba americana, fue la primera bomba H a ser sometida a un test. Estalló sobre el atolón de Eniwetok (en las Islas Marshall) el 31 de octubre de 1952. Tenía una potencia de 10,4 Mt. La onda de choque generada por la explosión de esta bomba dio tres veces la vuelta alrededor de la Tierra.

• Castle Bravo: es el nombre de la bomba H más poderosa sometida a test por los Estados Unidos. De una potencia de 15 Mt, la explosión se efectuó sobre el atolón de Bikini (en las Islas Marshall), el primero de marzo de 1954.

• Bomba del Zar: fue una bomba H de tres etapas desarrollada por la Unión Soviética. De una potencia estimada de más de 50 Mt, estalló el 31 de octubre de 1961 sobre el archipiélago de Nueva Zembla (sobre la ubicación "C" de Sukhoy Nos), en un momento de demostración de fuerza efectuada por los soviéticos. Se trata de la explosión nuclear más poderosa de origen humano.