Como dice Vincent Maldia, varía según el tipo de arma.
Sin embargo, para las ojivas de misiles termonucleares estratégicos modernos con rendimientos en los cientos de kilotones que dominan los arsenales de los EE. UU., Rusia, el Reino Unido y Francia, y parece ser el tipo desarrollado por Corea del Norte, es aproximadamente 50/50, pero puede ir más alto en el extremo de fisión.
Este es más o menos el diseño “punto óptimo” si desea hacer una ojiva de peso ligero (relación rendimiento-peso alto, YTWR).
Para explicar:
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El rendimiento del primario es de aproximadamente 10 kT y es una contribución trivial al rendimiento del arma general, por lo que todo se trata de cómo está diseñado el secundario.
El secundario requiere un denso empujador / manipulador Z (número atómico) denso para impulsar la compresión del combustible de fusión a alta densidad antes de que la radiación térmica pueda calentarlo. Luego, el combustible se enciende mediante una “bujía” de algún tipo (se utilizó un pequeño núcleo de fisión en las primeras armas, pero esta no es la única posibilidad).
Si la manipulación consiste en algún material no fisionable (plomo, tungsteno, etc.), entonces el rendimiento de la fisión sería muy pequeño y sería casi por completo fusión. Pero esto genera una ojiva pesada, y rara vez, si es que alguna vez, algún militar ha hecho que las “bajas consecuencias” sean un requisito de arma. Se han probado configuraciones de baja caída, pero es muy dudoso que alguna de esas ojivas hayan sido almacenadas, y casi seguramente ninguna está en arsenales hoy en día.
En cambio, las manipulaciones están hechas de alguna forma de uranio que contribuye al rendimiento cuando es irradiado por el flujo de neutrones de alta energía de la combustión de fusión.
En las primeras armas, que eran bombas masivas de múltiples megatones, se usó uranio natural o incluso agotado, barato y abundante, ya que la alta energía de la mayoría de los neutrones de fusión pueden fisión U-238.
Cuando comenzaron a exprimir bombas de peso para caber en misiles balísticos que tienen una capacidad de entrega mucho más limitada en comparación con los bombarderos, se dio cuenta (creo que Edward Teller propuso esto en el programa Polaris) que usar uranio altamente enriquecido daría un rendimiento mucho mayor. por el mismo peso simplemente por la sección transversal de fisión más grande del U-235.
Pero el propósito de la manipulación no es proporcionar energía para la fisión, es proporcionar la contención inercial necesaria del combustible de fusión para que el combustible pueda arder.
El contenido energético del combustible de fusión de deuteruro de litio-6 es de 64 kT / kg (o 0.51 kT / mol).
El contenido de energía del U-235 es de 17.6 kT / kg (o 4.1 kT / mol).
Dado que el combustible de fusión contiene 3,6 veces más energía por kilogramo, es una ventaja obtener tanta energía del combustible de fusión ligero como sea posible.
Por lo tanto, en un diseño de maximización de YTWR, desea utilizar la mayor cantidad posible de combustible de fusión ligero (y barato) y hacer que la manipulación sea lo más ligera posible, y aún así confinar el combustible de fusión adecuadamente. Recuerde que la fisión de manipulación es “solo” un bono para que la manipulación no sea (enérgicamente) peso muerto.
Las reacciones de fusión reales involucradas son:
- D + D → T + p + 4.03 MeV (50% de probabilidad)
- D + D → He-3 + n + 3.27 MeV (50% de probabilidad)
- D + T → He-4 + n + 17.6 MeV
La reacción D + T es mucho más rápida que la (s) reacción (es) D + D, por lo que el tritio producido por 1. se consume inmediatamente por 3. para que podamos agruparlos en una pseudo reacción:
5 D → He-3 + He-4 + p + 2 n + 24.9 MeV
Vemos que por cada exceso de neutrones liberado aquí, también hay 12.45 MeV de energía total liberada.
Y finalmente tenemos una reacción importante que no es realmente una reacción termonuclear ya que el calor no está involucrado. Es la reacción de reproducción de tritio inducida por neutrones:
4. Li-6 + n → T + He-4 + 4.784 MeV
Las reacciones 3. y 4. también se pueden agrupar y equilibrar para dar la pseudo reacción:
Li-6 + D → 2 He-4 + 22.4 MeV
Esta última pseudo reacción es la fuente principal de la energía de fusión producida, consumiendo efectivamente una molécula de Li-6 D, pero no produce producción neutra de neutrones. El flujo del exceso de neutrones se debe completamente a la quema de deuterio (y que se requiere para cebar la bomba para la reacción 4).
La fisión de un átomo de U-235 libera 202.5 MeV.
En la situación en la que el rendimiento es 50% de fisión / 50% de fusión, por cada átomo de uranio fisionado, que consume un neutrón, se producen 202,5 MeV de energía de fusión, pero solo 12,45 MeV se asocian con la liberación del neutrón. De hecho, muchos neutrones de fusión escapan del arma por completo sin ser capturados por el sabotaje, por lo que la proporción de energía debida al proceso D + D es mucho mayor que el ~ 6% que esto sugeriría.
Tenga en cuenta que la utilización de estos materiales no es del 100%. Este es un comportamiento bastante diferente de los explosivos altos que se consumen por completo. Una quemadura por fusión podría consumir solo el 30% del combustible, y el flujo de neutrones podría fisión una fracción similar del sabotaje. *
En la ojiva W-87, la versión principal desplegada tiene un rendimiento de 300 kT, pero se puede actualizar a 475 kT agregando anillos de uranio enriquecido a la ojiva. Este puede ser un caso en el que para optimizar un alto YTWR se utiliza una cantidad mínima de manipulación de uranio, pero para optimizar el rendimiento total (pero con una penalización de YTWR) se puede agregar uranio enriquecido adicional que conduce el rendimiento de fisión del 50% (quizás) a 70%
* Hay dos reacciones secundarias que contribuyen en cierta medida.
La primera es que al final de la fusión se puede acumular suficiente He-3 para hacer que esta reacción sea significativa (como Li-6 se ‘quema’ por el bombardeo de neutrones, He-3 toma su lugar):
5. He-3 + n → T + p + 0.764 MeV
Junto con 3. y equilibrando los neutrones, obtenemos:
He-3 + D → He-4 + p + 18.4 MeV
Nuevamente, no hay producción neta de neutrones.
El segundo proceso es la multiplicación de neutrones subcríticos en el sabotaje.
Cuando se usa uranio enriquecido como sabotaje, los neutrones producidos por la absorción de neutrones de fusión pueden causar fisiones adicionales, lo que resulta en un multiplicador significativo en el rendimiento de fisión por neutrón de fusión.