¿Qué tan difícil es diseñar una ojiva nuclear?

Answer 1

El problema con las armas nucleares es que son difíciles de probar, si se le permite probarlas en primer lugar. Por lo tanto, debe hacer simulaciones para predecir mejor el comportamiento del arma. No puede hacer esto analíticamente (con una ecuación). Con el método de elementos finitos, divide el problema en muchas partes y calcula cómo reaccionan durante el proceso. El análisis de elementos finitos se usa ampliamente al diseñar aviones o al predecir qué tan seguros son los automóviles.

¿Por qué necesitamos grandes computadoras? Digamos que tenemos un explosivo en forma de cubo que se enciende en una esquina. Queremos estudiar cómo viaja la explosión a través del material. Si toma 8 elementos (2x2x2 cubos), el resultado será apenas mejor que para 1 cubo. Si divide el cubo en (3x3x3 =) 27 elementos, los resultados serán un poco mejores. Con (4x4x4 =) 64 elementos, los resultados serán aún mejores. Espero que el problema sea claro: cuanto mejor sea la resolución (elementos más pequeños), mayor será el número de elementos. Con una resolución espacial más alta, probablemente también necesite una resolución de tiempo alta. Necesitas mucha potencia computacional. Y nunca es suficiente: las computadoras más potentes significan que puede hacer la misma simulación con una mejor resolución, con la esperanza de obtener mejores predicciones.

Answer 2

En primer lugar, definamos qué es un “arma nuclear”, desde el punto de vista del diseño.

En este momento, hay tres diseños principales de armas nucleares:

1. La bomba atómica (fisión) de “arma”
2. La bomba de fisión de implosión
3. El diseño Teller-Ulam para un arma termonuclear (fusión)

Hoy, el primero de ellos es bastante simple. El concepto general es extremadamente simple, y solo se necesitan pruebas menores sin material nuclear para asegurar que el dispositivo físico funcione. Se necesitan algunos conocimientos de física nuclear de nivel moderado, pero la verdad es que alguien con una licenciatura en física, más una computadora de escritorio típica, puede hacer todos los cálculos necesarios. El diseño del arma es tan simple, que el Proyecto Manhattan original (es decir, las personas que fabricaron las primeras armas ) estaban tan seguros de haberlo hecho bien que decidieron que ni siquiera tenían que probarlo, y que podían haz un arma lista para el combate en el primer intento.

La segunda forma requiere significativamente más conocimiento sobre física nuclear, y una gran cantidad de conocimiento empírico que debe provenir de la fabricación y prueba repetidas del diseño. Esta prueba se realiza sin un núcleo nuclear, pero se deben utilizar grandes cantidades de instrumentos sensibles para registrar los resultados de las pruebas “ficticias”. Estos resultados se pueden alimentar a una pequeña variedad de sistemas de escritorio (no más de una docena sería suficiente) para hacer la simulación necesaria para asegurar un arma efectiva. El desafío principal en este diseño es la miniaturización y las tolerancias de fabricación. El diseño de Implosion requiere tolerancias extremadamente estrictas, y modelar el diseño a medida que se reduce su tamaño se vuelve extremadamente computacional. Es decir, la capacidad de diseñar el arma de implosión “básica” de aproximadamente el tamaño de un refrigerador de cocina es mucho, mucho, mucho más simple que tratar de diseñar un arma efectiva del tamaño de un horno de microondas. El último es varios órdenes de magnitud más difícil. Notarás que los diseños de armas pequeñas (necesarios para MIRV y otros usos compactos) no aparecieron durante más de 20 años después de los primeros diseños.

Por último, la bomba de hidrógeno TU es probablemente la cosa más compleja jamás construida, en términos de requisitos para el modelado. Es más difícil de hacer que el pronóstico del tiempo, la investigación de partículas subatómicas, y probablemente a la par con el modelado para el Cambio Climático Global, en términos de necesidades de cálculo. El diseño en sí es complejo, completamente secreto y contiene un gran número de variables, todas las cuales deben modelarse con una precisión de nanosegundos para predecir con precisión cómo funcionaría un diseño. El diseño de TU originalmente empleó a cientos de personas con una experiencia, educación y conocimientos prácticos extremadamente altos, y utilizó salas llenas de computadoras mainframe para hacer los cálculos básicos. Y, por supuesto, varias docenas de pruebas, incluidas varias con armas “vivas”, antes de que se lograra una detonación termonuclear exitosa.

Answer 3

Ya no diseñan tanto armas nucleares, pero gastan cada centavo en los presupuestos simulando cómo funcionarán las armas existentes después de que se corroen y decaen con el tiempo. Eso requiere mucha potencia de la computadora, ya que tiene que simular muchos procesos de descomposición diferentes.

La ojiva de plutonio original se diseñó simplemente adivinando, experimentando y calculando un poco con máquinas de sumar mecánicas y multiplicadores con tarjeta. ¡Estamos hablando de unas diez multiplicaciones por segundo! Y salió bien y cerca del rendimiento calculado. Entonces, una Apple II es más que suficiente. Usan computadoras con billones de veces más capacidad, bueno, porque pueden permitírselo.

Answer 4

Al no ser un experto, (solo tengo un título de secundaria científica y un hermano que trabaja en el campo nuclear) creo que los físicos necesitan muchos cálculos para controlar la explosión y pronosticar los posibles daños y resultados de tal arma.

Como parece muy lógico no probar las explosiones nucleares directamente en un laboratorio, creo que las pruebas y el modelado por computadora son la única forma de obtener el control sobre un arma de este tipo.

Las ojivas nucleares son el tipo de armas que solo quieres explotar
cuando sea necesario y realmente no puede permitirse el lujo de estar equivocado o realizar pruebas en la naturaleza sin un mínimo de control. Por lo tanto: las pruebas y el modelado de computadoras parecen una buena solución

En cuanto a la “grandeza” de la computadora, creo que la cantidad de cálculos para modelar y pronosticar los efectos de una reacción nuclear a una escala de microsegundos (más o menos) dentro de una ojiva y en 3 dimensiones es demasiado para un portátil.

Answer 5

Las armas nucleares tienen una alta fuerza destructiva que incluye explosiones, radiación térmica, efectos retardados producidos por la radiación ionizante y lluvia radiactiva. Los físicos nucleares tienen que calcular el rango de explosión del dispositivo y los efectos inmediatos posteriores. Deben asegurarse de que el dispositivo explote con precisión hasta un milisegundo. Si el dispositivo explota antes o después del tiempo prescrito, ¿cuáles son los efectos? Es por eso que supongo que necesitan computadoras de alta potencia para simular la explosión de un dispositivo nuclear para verificar si la explosión es factible o no.

Answer 6

No necesitan computadoras grandes para los estándares actuales. La simulación hidrodinámica termonuclear motivó algunas de las primeras computadoras en la década de 1950, pero hoy podría ejecutar simulaciones en su teléfono si conociera los datos físicos subyacentes, algunos de los cuales no están publicados.

Answer 7

En estos días, fácil de diseñar (los planos y dibujos generales están en Internet), extremadamente difícil de ejecutar ya que se necesitan piezas muy especializadas y materiales raros y mortales.