¿Es cierto que solo se usa alrededor del 5% de la energía potencial utilizada en una bomba atómica?

Si. Al menos en lo que respecta al primer dispositivo atómico utilizado en la guerra. Desde entonces, hemos mejorado (o peor, dependiendo de su perspectiva al respecto), más eficientes en el uso de material fisionable en dispositivos de alto rendimiento. Hoy en día se clasifica el rendimiento exacto de nuestro termonuclear, pero probablemente sea superior al 75%.

Un poco de historia: a menudo escuchas la palabra masa crítica lanzada. Se supone que su significado es la masa de combustible que debe ensamblarse para provocar una explosión de tipo nuclear de alto rendimiento. Pero la masa crítica es una especie de nombre inapropiado. Densidad crítica o geometría crítica es un término mejor.

¿Porque preguntas? Bueno, antes de responder, considere esto: ¿es más fácil alcanzar un objetivo cuando el objetivo está cerca o lejos? Piense en disparar un rifle o un arco o incluso lanzar dardos, ¿qué es más fácil, cerca o lejos?

Por supuesto, la respuesta está cerca. Si el objetivo está a 5 pies de distancia, es casi imposible pasarlo por alto, mientras que si está a 500 pies de distancia es muy fácil pasarlo por alto (imposible no, con dardos). Este es el principio básico detrás de hacer una bomba nuclear o un reactor nuclear. Tienes que acercar el uranio (o el plutonio o el curio o de lo que sea que esté hecho tu combustible) lo suficiente como para que cuando los neutrones estén volando casi tengan que golpear un núcleo e inducir fisión. Por lo tanto, geometría crítica, que es el término que me gusta usar.

El uranio altamente enriquecido, o uranio al que se le han eliminado la mayoría de sus núcleos de uranio 238 y solo queda uranio 235 (dentro de lo razonable, a aproximadamente 90% de U235 con solo aproximadamente 10% de U238) es un metal, y ese metal tiene una densidad suficientemente alta que si ensamblas lo suficiente obtienes fisión inducida y una reacción en cadena. El problema es que, tan pronto como ensamblas esa masa crítica (ahí está esa frase nuevamente), comienza a tratar de desarmarse. La fisión produce grandes cantidades de calor (como cantidades locas, como un millón de veces más que una cantidad equivalente de casi cualquier cosa, incluidos los explosivos) y ese calor tiende a separar los átomos de uranio, convirtiendo el metal sólido en un gas (en realidad, un plasma, un gas ionizado) y todo se aleja el uno del otro y en un tiempo ridículamente corto (como, mucho menos de un segundo) que se pierde la geometría crítica y es simplemente demasiado difícil para los neutrones golpear los núcleos .

Hay dos formas principales de combatir este efecto: más neutrones o forzar a la masa crítica a permanecer unida por más tiempo.

Se proporcionan más neutrones de tres maneras. Primero, puede reflejar los neutrones que tiene nuevamente en el combustible y esperar que golpeen algo la segunda (o tercera o cuarta …) vez. Este método se llama literalmente un reflector de neutrones. Los otros dos métodos no son importantes para esta discusión, pero implican el uso de la fusión para producir más neutrones.

Hacer que la masa crítica permanezca unida por más tiempo esencialmente implica rodear la masa crítica con un material muy denso que pueda absorber parte del calor y gran parte del impacto de la masa que se separa, y temporalmente rebotar de nuevo en sí misma. Esto se llama sabotaje.

La buena noticia (o mala, muy mala) es que un material realmente bueno para los reflectores de neutrones es el uranio natural (0.7% U235, el resto U238), que también resulta ser un material muy denso (razón por la cual el Ejército solía úsalo para proyectiles y armaduras de tanques) y hace un muy buen trabajo al mantener el combustible de la bomba lo suficiente como para dejarlo pasar de una explosión nuclear a una explosión de alto rendimiento. Tiene la ventaja adicional de que U238 es fisionable (lo que significa que un neutrón de alta energía lo causará fisión, a diferencia de los neutrones de menor energía que U235 puede usar) y, por lo tanto, el reflector de manipulación / neutrón aumenta el rendimiento general.

Todos estos factores entraron en el diseño de Little Boy, que en general fue bastante simplista (e ineficiente). Se dispararon anillos de uranio altamente enriquecido en un núcleo de HEU, y esta era una geometría crítica suficiente para provocar la fisión de aproximadamente 2 libras de las 141 libras de material de HEU antes de que todo se separara, produciendo aproximadamente 20 kilotones.

Este fue un diseño de primera generación, y no particularmente bueno, aunque se consideró tan confiable que ni siquiera se probó antes de que se descartara. El diseño de Fat Man no podría haber sido más diferente. Por un lado, usó Plutonio (isótopo 239 específicamente) como combustible. Por otro lado, en lugar de destruir dos masas críticas juntas como en el diseño de Little Boy, Fat Man comprimió explosivamente una esfera hueca de plutonio en una geometría crítica. Dado que el movimiento inicial (por así decirlo) del material de la bomba es hacia adentro y no hacia afuera, el mecanismo mismo para desencadenar la explosión es luchar contra la tendencia del material de la bomba a volar y detener la reacción en cadena. Si pones más deuterio y tritio (o litio, que produce tritio) en el centro de la esfera, obtienes esos neutrones adicionales de los que hablamos anteriormente, un proceso conocido como refuerzo, pero esto no se hizo hasta más tarde.

Todo esto significaba que, en lugar del 1.4% de eficiencia de Little Boy, Fat Man tenía una eficiencia de ~ 17% (2.2 libras de 13.6 libras presentes). Si ese hubiera sido el final de la historia, nunca habría habido una carrera armamentista por falta de material para fabricar las armas. Pero los humanos son creativos, si no otra cosa, y se encontró un medio para aumentar enormemente el rendimiento mientras se reduce el material de la bomba presente, es decir, la fusión.

Fusion utiliza un dispositivo de fisión inicial construido de manera muy similar a Fat Man (suponemos que nadie lo sabe con certeza excepto las personas con permisos de seguridad muy altos) para generar rayos X que causan la fusión de esa misma mezcla de deuterio-tritio (en realidad litio) anteriormente para generar una gran cantidad de neutrones, lo que provoca la fisión de muchos más núcleos de uranio. La eficiencia aumenta en órdenes de magnitud.

Entonces, en total, la respuesta es sí para el dispositivo original Little Boy, pero no para casi todo después de eso.

La pregunta está mal formulada. Esto puede explicar por qué las respuestas a continuación responden principalmente a una pregunta diferente.

La pregunta formulada originalmente era: “¿es cierto que solo se usa alrededor del 5% de la energía potencial utilizada en una bomba atómica?”.

Parece que estaba destinado a leer, “¿es cierto que solo se usa alrededor del 5% de la energía potencial presente en una bomba atómica?”

Esto a su vez parece que debía significar “¿es cierto que solo alrededor del 5% de la masa en reposo en el material de la bomba se convierte en energía en la detonación del arma”?

La respuesta a esta pregunta es: ni siquiera el 5% se acostumbra. Sin embargo, tenemos grandes rendimientos de energía de todos modos.

Las otras respuestas parecen haber asumido que la pregunta era preguntar cuánto material fisionable se somete a fisión, una pregunta bastante diferente.

Realmente no.

Las bombas atómicas modernas de fisión pura son entre un 25% y un 50% eficientes, lo que significa que alrededor del 25% al ​​50% del material fisionable de la bomba realmente sufre fisión.

La bomba de implosión de plutonio Fat Man fue un 17% eficiente, mientras que la bomba de uranio enriquecido Little Boy fue solo un 1.4% eficiente.

El problema con las bombas atómicas de fisión es que tienes que armar una masa crítica de tu material fisible para comenzar la fisión incontrolada, pero una vez que comienza la reacción de fisión, se rompe el material fisible, deteniendo así la reacción de fisión. Puede confinar el material fisionable durante la reacción de fisión y prolongar la reacción, aumentando así la eficiencia, pero no puede evitar que la explosión detenga la reacción de fisión.

Ver: Introducción a la física y el diseño de armas nucleares

Las bombas de fusión, también conocidas como bombas termonucleares, son bestias diferentes y quemarán su combustible (deuterio, litio, etc.) hasta que se agote.