El proceso de fisión
Cuando son bombardeados por neutrones, ciertos isótopos de uranio y plutonio (y algunos otros elementos más pesados) se dividen en átomos de elementos más ligeros, proceso conocido como fisión nuclear. Además de esta formación de átomos más ligeros, en el proceso de fisión se emiten por término medio entre 2,5 y 3 neutrones libres, junto con una energía considerable. Como regla general, la fisión completa de 1 kg (2,2 libras) de uranio o plutonio produce unos 17,5 kilotones de energía explosiva equivalente al TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
En una bomba atómica o en un reactor nuclear, primero un pequeño número de neutrones recibe suficiente energía para colisionar con algunos núcleos fisionables, que a su vez producen neutrones libres adicionales. Una parte de estos neutrones es capturada por núcleos que no se fisionan; otros escapan del material sin ser capturados; y los restantes provocan nuevas fisiones. Muchos núcleos atómicos pesados son capaces de fisionarse, pero sólo una parte de ellos son fisibles, es decir, fisionables no sólo por neutrones rápidos (altamente energéticos) sino también por neutrones lentos. El proceso continuo por el que los neutrones emitidos por los núcleos fisionables inducen fisiones en otros núcleos fisionables o fisibles se denomina reacción de fisión en cadena. Si el número de fisiones en una generación es igual al número de neutrones en la generación anterior, se dice que el sistema es crítico; si el número es mayor que uno, es supercrítico; y si es menor que uno, es subcrítico. En el caso de un reactor nuclear, el número de núcleos fisionables disponibles en cada generación se controla cuidadosamente para evitar una reacción en cadena «fuera de control». En el caso de una bomba atómica, sin embargo, se busca un crecimiento muy rápido del número de fisiones.
Las armas de fisión se fabrican normalmente con materiales que tienen altas concentraciones de los isótopos fisionables uranio-235, plutonio-239, o alguna combinación de éstos; sin embargo, también se han construido y probado algunos dispositivos explosivos que utilizan altas concentraciones de uranio-233.
Los principales isótopos naturales del uranio son el uranio-235 (0,7%), que es fisible, y el uranio-238 (99,3%), que es fisionable pero no fisible. En la naturaleza, el plutonio sólo existe en concentraciones mínimas, por lo que el isótopo fisible plutonio-239 se fabrica artificialmente en reactores nucleares a partir de uranio-238. (Véase procesamiento del uranio). (Véase el procesamiento del uranio.) Para hacer una explosión, las armas de fisión no requieren uranio o plutonio puro en los isótopos uranio-235 y plutonio-239. La mayor parte del uranio utilizado en las armas nucleares actuales es aproximadamente un 93,5 por ciento de uranio-235 enriquecido. Las armas nucleares suelen contener un 93% o más de plutonio-239, menos de un 7% de plutonio-240 y cantidades muy pequeñas de otros isótopos de plutonio. El plutonio-240, un subproducto de la producción de plutonio, tiene varias características indeseables, como una mayor masa crítica (es decir, la masa necesaria para generar una reacción en cadena), una mayor exposición a la radiación de los trabajadores (en relación con el plutonio-239) y, en el caso de algunos diseños de armas, una alta tasa de fisión espontánea que puede hacer que la reacción en cadena se inicie prematuramente, lo que da lugar a un rendimiento menor. En consecuencia, en los reactores utilizados para la producción de plutonio-239 apto para la fabricación de armas, el período de tiempo que se deja el uranio-238 en el reactor está restringido para limitar la acumulación de plutonio-240 a un 6% aproximadamente.