miniaturadaimagem|Primeiro dispositivo de fissão com reforço, Greenhouse Item, antes do teste em 1951. Uma arma de fissão intensificada corresponde a um tipo de arma nuclear que utiliza uma pequena quantidade de combustível de fusão para elevar a taxa e, consequentemente, o rendimento de uma reação de fissão nuclear. Os nêutrons rápidos liberados pelas reações de fusão somam-se aos liberados pelas reações de fissão, permitindo que esses induzam a ocorrência de novas reações de fissão nuclear, perpetuando a reação em cadeia. O aumento na taxa de reação garante que uma quantidade maior de material físsil seja consumido antes do núcleo se desintegrar. O combustível dessa arma usualmente é uma mistura gasosa 50/50 de deutério-trítio. O processo de fusão em si adiciona uma pequena quantidade de energia à reação global, cerca de 1%) "Facts about Nuclear Weapons: Boosted Fission Weapons", Indian Scientists Against Nuclear Weapons Archived July 8, 2008, at the Wayback Machine..

O benefício primário de acelerar a miniaturização de armas nucleares é a redução do confinamento inercial mínimo requerido para a explosão nuclear supercrítica, providenciando um repentino acréscimo do fluxo de nêutrons rápidos antes da massa crítica se auto detonar. Enquanto o volumoso “Fat Man” tinha um diâmetro de 5 pés (1,5 metros) e necessitava de 3 toneladas de altos explosivos para a implosão, uma arma de fissão intensificada como estágio primário pode caber em uma pequena ogiva nuclear como as W88 para, em seguida, começar a ignição termonuclear. A fissão intensificada é a principal responsável pelo notável aumento de 100 vezes na eficiência de armas de fissão Westervelt, Donald R. (1988). "The role of laboratory tests". In Goldblat, Jozef; Cox, David (eds.). Nuclear Weapon Tests: Prohibition Or Limitation?. Oxford University Press. p. 56. ISBN 0-19-829120-5. It is boosting that is mainly responsible for the remarkable 100-fold increase in the efficiency of fission weapons cited by Mark in 1971..

A ideia da fissão intensificada foi originalmente desenvolvida entre o final do ano de 1947 e o final do ano de 1949 no Laboratório nacional de Los Alamos Bethe, Hans A. (28 May 1952). Chuck Hansen (ed.). "Memorandum on the History Of Thermonuclear Program". Federation of American Scientists. Retrieved 19 May 2010..

Intensificação gasosa Em uma bomba de fissão, o combustível físsil é rapidamente montado através de uma implosão esférica uniforme criada com explosões convencionais, produzindo a massa supercrítica. Neste estado, muitos dos nêutrons liberados pela fissão de um núcleo irão induzir a fissão de outros núcleos na massa de combustível, liberando assim outros nêutrons adicionais, criando uma reação em cadeia. Essa reação consome pelo menos 20% do combustível antes mesmo da bomba em si explodir, ou até possivelmente menos, se as condições não forem ideais: as bombas “Little Boy” (que utilizou mecanismo tipo canhão ou arma de fogo) e o “Fat Man” (mecanismo do tipo implosão) tinham eficiência de apenas 1,38% e 13%, respectivamente.

Intensificação por fusão é atingida introduzindo trítio e gás deutério. Hidreto de Lítio-deutério-trítio sólido também já foi usado em alguns casos, mas gás permite mais flexibilidade (e pode ser armazenado externamente) e pode ser injetado em uma cavidade vazia até o centro da esfera de combustível físsil, ou na cavidade entre uma camada externa e a uma interna levitada, pouco tempo antes da implosão. Quando 1% do combustível físsil fissionar, a temperatura aumenta ao ponto de causar fusão termonuclear, a qual produz um número relativamente alto de nêutrons altamente energéticos. Este fluxo de entrada de nêutrons acelera a reação em cadeia para os estágios finais, fazendo com que aproximadamente o dobro do material físsil entre em fissão, antes que a própria liberação de energia desmonte (ou disperse) a massa crítica.

Nêutrons de fusão de Deutério-Trítio são extremamente energéticos, cerca de sete vezes mais energéticos que nêutrons de fusão convencional , o que faz com que eles sejam mais facilmente capturados no material físsil, iniciando a fissão nuclear em si. Isso ocorre por alguns motivos, dentre eles:

Quando estes nêutrons energéticos atingem um núcleo atômico físsil, a fissão libera um número secundário de nêutrons muito maior (por exemplo, 4.6 vs 2.9 para 239Pu). A probabilidade destes nêutrons interagirem com um núcleo físsil é maior do que a interação de nêutrons de baixa energia de uma reação físsil típica; a área do núcleo de plutônio ou urânio onde um “impacto” irá resultar em fissão é muito maior. Formalmente, a área de seção de choque de fissão é superior para nêutrons de alta energia, comparando ambos em termos absolutos e em proporções à da seção de choque de dispersão e captura.

Consequentemente, o tempo para que a população de nêutrons no núcleo duplique é reduzida para um fator de 8 "Nuclear Weapon Archive: 4.3 Fission-Fusion Hybrid Weapons".. Uma noção do potencial de ganha da contribuição da intensificação da fusão pode ser observada no fato de que a fusão completa de um mol de trítio (três gramas) e um mol de deutério (dois gramas) irão produzir 1 mol de nêutrons (um grama), que, deixando de lado perda e dispersão, pode fissionar um mol (239 gramas) de plutônio diretamente, produzindo 4,6 mols de nêutrons secundários, que podem, por sua vez, fissionar outros 4,6 mols de plutônio (1099 gramas). A fissão destes 1338 g (mil trezentas e trinta e oito gramas) de plutônio em suas primeiras duas gerações irá liberar o equivalente a 23 quilo-tonelada de TNT (97 TJ - tera joules) de energia, e irá, por si só, resultar em 29,7% de eficiência para uma bomba contendo de 4, 5 quilos de plutônio (um gatilho típico de fissão pequena) "Nuclear Weapon Archive: 12.0 Useful Tables".. A energia liberada pela fusão de 5 gramas do combustível em si é somente 1,73% da energia liberada pela fissão de 1338 gramas de plutônio. Quantias superiores visando eficiência superior a estes valores são possíveis, desde que a reação em cadeia possa continuar além da segunda geração de intensificação de fusão.

Bombas de fissão por intensificação de fusão podem inclusive serem fabricadas com imunidade a radiação de nêutrons de explosões nucleares próximas, já que tal circunstância pode causar pré-detonação e implosão precoce em certos designs, impossibilitando a obtenção de uma maior produtividade. A combinação de peso reduzido com rendimento, e imunidade à radiação, assegurou que a fusão intensificada seja utilizada nas armas nucleares modernas.

A taxa de reação de fusão tipicamente se torna significante entre 20 a 30 mega kelvin. Essa temperatura é atingida com eficiências muito baixas, quando menos de 1% do material físsil já foi fissionado (correspondente ao rendimento alcançado em centenas de toneladas de TNT). Como armas de implosão podem ser arquitetadas de forma a atingir rendimentos deste tipo mesmo que os nêutrons estejam presentes no momento da criticalidade, a intensificação de fusão permite a manufatura de armas eficientes que são também imunes à pré-detonação. A eliminação deste risco é uma vantagem muito importante no uso da intensificação. Pode-se dizer que toda arma hoje no arsenal dos Estados Unidos da América é deste design de intensificação de fusão .

Trítio é um isótopo radioativo com tempo de meia-vida de 12,3 anos. Seu produto principal de decaimento é o  Hélio-3, que está entre os nuclídeos com a maior seção de choque de captura de nêutrons. Por isso, periodicamente, o hélio de armas deste tipo precisa ser retirado e descartado, e seu suprimento de trítio recarregado. Isso ocorre porque qualquer traço de 3He no suprimento de trítio da arma agiria como um envenenador de nêutrons (substância com alta taxa de absorção de nêutrons) durante a detonação da arma, absorvendo nêutrons que deveriam estar colidindo com o núcleo do combustível físsil "Section 6.3.1.2 Nuclear Materials Tritium". High Energy Weapons Archive FAQ. Carey Sublette. Retrieved June 7, 2016..

Dispositivos 'Layer Cake' Alguns dos primeiros projetos, tal como a Joe-4 e a "Layer Cake" soviética, denominada "Sloika" (Em Russo: Слойка), utilizavam múltiplas reações de fusão para induzir a fissão dos átomos de 238U que compõem o urânio empobrecido. Tais armas têm um núcleo físsil envolto em uma camada de 6Li deuterado, a qual, subsequentemente, está cercada por uma camada de urânio empobrecido. Alguns projetos (incluindo as “layer cake”), apresentam múltiplas camadas alternando esses materiais. A Layer Cake Soviética era similar ao projeto americano “Alarm Clock” (“despertador”), o qual nunca foi construído, e ao projeto britânico “Green Bamboo” (“bamboo verde”), que foi construído mas nunca testado.

Durante a explosão desse tipo de bomba, a fissão do urânio altamente enriquecido ou do núcleo de plutônio gera nêutrons. Alguns desses escapam do núcleo e colidem com átomos de 6Li, produzindo trítio. Na temperatura atingida pela fusão no núcleo, o trítio e o deutério podem passar por fusão termonuclear sem estarem altamente comprimidos. A fusão do trítio e do deutério produz um nêutron com energia de 14 MeV, muito mais alta que o nêutron de 1 MeV que deu início à reação. Essa produção de nêutrons altamente energéticos, ao invés da pequena adição de energia à reação global, é a principal razão para que ocorra a fusão nesse tipo de arma. O nêutron altamente energético (14 MeV), então, atinge um átomo de 238U, causando sua fissão: sem o estágio inicial de fissão, o nêutron de 1 MeV colidiria com o átomo de 238U e, com grandes chances, seria absorvido. Essa fissão libera energia e nêutrons, os quais geram mais trítio do 6Li ainda disponível e assim sucessivamente, de maneira cíclica. A energia liberada na fissão do 238U é bastante útil em armamentos: tanto porque o urânio empobrecido é consideravelmente mais barato que o urânio altamente enriquecido, quanto porque não pode chegar em estado crítico e, portanto, é menos provável de envolver-se em acidentes.

Esse tipo de dispositivo pode produzir até 20% de seu rendimento da fusão, com o restante resultante da fissão, e é limitado em rendimento por preocupações práticas, como massa e diâmetro de menos de um megaton de TNT (4 PJ) equivalente. A Joe-4 equivale a 400 kilotons de TNT (1.7 PJ). Em comparação, uma bomba de hidrogênio “genuína”, como a soviética Bomba Tsar, pode produzir até 97% do seu rendimento em fusão e o seu rendimento é limitado apenas pelo tamanho do dispositivo.

Testes de fissão potencializada por país miniaturadaimagem|Teste atmosférico do dispositivo Greenhouse Item, 25 de maio de 1951. Várias nações demonstraram dispositivos que utilizam fissão potencializada: +Tabela de testes de fissão intensificada por nações PaísSérie de TestesTesteAnoRendimento (kt)Tipo de dispositivoEstados UnidosGreenhouseItem195145,5Intensificação gasosaUnião SoviéticaRDS-6s1953400Layer cakeReino UnidoMosaicoG1195615-20Layer cakeChina596L1966220Layer cakeFrança1966-70Rigel1966125PaquistãoChagaiChagai-I193835-40

Referências

Categoria:Desenho de arma nuclear Categoria:Laboratório Nacional de Los Alamos

Ver também

Desenho de arma nuclear