derecha|miniatura|300px|Las primeras armas nucleares, aunque grandes, pesadas e ineficientes, proporcionaron las bases de diseño básico para todas las futuras armas. Aquí el dispositivo Gadget es preparado para la primera prueba nuclear: Trinity. Los diseños de armas nucleares son los arreglos físicos, químicos e ingenieriles que causan que el paquete físicoEl paquete físico es el módulo explosivo nuclear al interior de la carcasa de la bomba, cabeza de guerra del misil o proyectil de artillería, etc., que transporta el arma a su blanco. Mientras que las fotos de la carcasa del arma son comunes, las fotografías del paquete físico son muy raras, incluso de las armas más antiguas y crudas. Para la fotografía de un paquete físico moderno véase a la W80. de un arma nuclear detone. Existen tres tipos básicos de diseño. En los tres, la energía explosiva de los dispositivos desplegados se ha derivado principalmente de la fisión nuclear y no de la fusión.
Las armas de fisión nuclear fueron las primeras armas nucleares construidas y hasta el momento han sido las únicas usadas en combate. El material activo es el uranio fisible (U-235) o el plutonio (Pu-239), ensamblados explosivamente en una masa crítica reaccionando en cadena por uno de dos métodos: Armas de fisión con detonación por disparo: una pieza de uranio fisible se dispara hacia un blanco de uranio fisible en el otro extremo del arma, de forma similar a disparar una bala por un cañón, logrando una masa crítica cuando se combinan. Armas de fisión con detonación por implosión: una masa fisible de cualquier material (U-235, Pu-239 o una combinación) es rodeada por explosivos de gran potencia que al explotar comprimen la masa, resultando en una masa crítica. El método de implosión puede usar uranio o plutonio como combustible. El método de cañón solo usa uranio. El plutonio se considera como poco práctico para el método de cañón a causa del disparo prematuro debido a la contaminación con Pu-240 ya que su constante de tiempo para la fisión casi crítica es mucho más pequeña que la del U-235.
Las armas de fisión intensificada son una mejora sobre el diseño de implosión. La alta presión y temperatura ambiental en el centro de un arma de fisión explotando comprime y calienta una mezcla de tritio y gas de deuterio (isótopos pesados de hidrógeno). El hidrógeno se fusiona para formar helio y neutrones libres. La energía liberada de esta reacción de fusión es relativamente despreciable, pero cada neutrón comienza una nueva cadena de reacción de fisión, acelerando la fisión y reduciendo en forma importante la cantidad de material fisible que de otra forma sería desperdiciada cuando la expansión del material fisible detiene la reacción en cadena. La mejora puede más que doblar la liberación de energía de fisión del arma.
Las armas termonucleares o bombas de hidrógeno son esencialmente una cadena de armas de fisión intensificadas por fusión (no confundir con las armas de fisión mejoradas por fusión mencionadas en el punto anterior), normalmente con dos etapas en la cadena. La segunda etapa, llamada la "secundaria", es implosionada por la energía de los rayos-x de la primera etapa, llamada la "primaria". Consecuentemente, la secundaria puede ser mucho más poderosa que la primaria, sin ser más grande. La secundaria puede ser diseñada para maximizar la liberación de energía de la fusión, pero en la mayor parte de los diseños de fusión es solo empleada para sostener o mejorar la fisión, como lo es en la primaria. Se podrían agregar más etapas, pero el resultado sería un arma de gran potencia pero demasiado poderosa para servir a algún propósito plausible.. Artículo sobre la prueba nuclear soviética de la bomba del Zar. Debido a que las explosiones son de forma esférica y que los blancos están dispersos en la relativamente plana superficie de la tierra, numerosas armas más pequeñas pueden causar más destrucción. De la página 35: ". . .cinco bombas de cinco megatones demolerían una área mayor que una sola de 50 megatones". Estados Unidos desplegó brevemente una bomba de tres etapas de 25 megatones, la B41, a comienzos de 1961. También en 1961, la Unión Soviética probó, pero no desplegó, un dispositivo de tres etapas de 50 a 100 megatones, la Bomba del Zar.
Las armas de fisión pura históricamente han sido el primer tipo en ser construida por un país. Los países industrializados más grandes con arsenales nucleares bien desarrollados tienen armas termonucleares de dos etapas, que son más compactas, escalables y una opción más costo efectiva una vez que la infraestructura industrial necesaria es construida.
Las innovaciones más conocidas en el diseño de armas nucleares se originaron en Estados Unidos, aunque más tarde fueron desarrolladas independientemente por otros estados;Estados Unidos y Unión Soviética fueron las únicas naciones en construir grandes arsenales nucleares con cada tipo posible de arma nuclear. Estados Unidos comenzó cuatro años antes y fue el primero en producir material fisible y armas de fisión, todo en 1945. Los soviéticos dicen que detonaron la primera bomba de hidrógeno lanzable, la detonación de la Joe 4 el 12 de agosto de 1953. Sin embargo, Herbert York reveló en The Advisors: Oppenheimer, Teller and the Superbomb (W.H. Freeman, 1976), que no era una verdadera bomba de hidrógeno (era un arma de fisión del tipo Sloika/Reloj de alarma, no un arma termonuclear de dos etapas). Las fechas soviéticas para los elementos esenciales de la miniaturización de la cabeza de guerra - impulsión, pozo hueco, primarias de dos puntos con lentes de aire – no están disponibles en la literatura abierta, pero el gran tamaño de los misiles balísticos soviéticos es a menudo usado como evidencia de las dificultades iniciales de los soviéticos en miniaturizar las cabezas de guerra. las siguientes descripciones presentan los diseños estadounidenses.
En las primeras explicaciones, las armas de fisión pura eran llamadas bombas atómicas o bombas-A, un error dado que la energía proviene solo del núcleo del átomo. Las armas que usan la fusión fueron llamadas bombas de hidrógeno o bombas-H, también un error dado que la energía destructiva proviene principalmente de la fisión. Los expertos favorecen los términos nuclear y termonuclear respectivamente.
El término termonuclear se refiere a las altas temperatura requeridas para iniciar la fusión. Ignora el igualmente importante factor de la presión, que era considerado secreto en la época en que el término se hizo popular. Muchos términos sobre armas nucleares son inexactos debido a su origen clasificado.
Reacciones nucleares La fisión nuclear divide los átomos más pesados para formar átomos más ligeros. La fusión nuclear enlaza átomos más ligeros para formar átomos más pesados. Ambas reacciones generan aproximadamente un millón de veces más energía que reacciones químicas comparables, haciendo las bombas nucleares un millón de veces más poderosas que las bombas no nucleares, tal como lo dijo una patente francesa en mayo de 1939..
En algunas formas, la fisión y la fusión son reacciones opuestas y complementarias, pero los detalles son únicos para cada una de ellas. Para comprender cómo son diseñadas las armas nucleares, es útil conocer las similitudes y diferencias importantes entre ellas. La siguiente explicación usa redondeos y aproximaciones.La principal fuente para esta sección es la publicación de Samuel Glasstone y Philip Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, 1977, U.S. Dept of Defense and U.S. Dept of Energy (ver los enlaces en la sección de referencias), con mayor detalle en la publicación de Samuel Glasstone, Sourcebook on Atomic Energy, Third Edition, 1979, U.S. Atomic Energy Commission, Krieger Publishing.
Fisión thumb|Representación esquemática de los dos métodos para ensamblar una bomba de fisión nuclear. Cuando un neutrón libre golpea el núcleo de un átomo fisionable tal como el uranio-235 (235U), el uranio se divide en dos átomos más pequeños, llamados fragmentos de fisión, y neutrones adicionales. La fisión se puede autosostener, ya que produce más neutrones de la velocidad requerida para causar nuevas fisiones.
El átomo de uranio se puede dividir en cualquiera de una docena de alternativas diferentes, mientras el peso atómico sume 236 (uranio más el neutrón extra). La siguiente ecuación muestra una posible división, en estroncio-95 ( 95Sr), xenón-139 (139Xe) y dos neutrones (n), más energía:Glasstone and Dolan, Effects, p. 12.
La inmediata liberación de energía por átomo es de 180 millones de electronvoltios (MeV), por ejemplo 74 TJ/kg, de los cuales el 90% es energía cinética (o movimiento) de los fragmentos de fisión, alejándose unos de otros mutuamente repelidos por la carga positiva de sus protones (38 para el estroncio, 54 para el xenón). Así, su energía cinética inicial es de 67 TJ/kg, lo que significa que su velocidad inicial es de 12.000 kilómetros por segundo, pero su carga eléctrica causa muchas colisiones inelásticas con los núcleos cercanos. Los fragmentos permanecen atrapados en el interior del pozo de uranio de la bomba hasta que su movimiento es convertido en calor de rayos-x, un proceso que toma aproximadamente una millonésima de segundo (un microsegundo).
Esta energía de rayos-x produce una explosión y fuego que son normalmente el propósito de una explosión nuclear.
Después que los productos de la fisión disminuyen su velocidad, permanecen radiactivos. Siendo nuevos elementos con demasiados neutrones, estos elementos se vuelven estables por medio del decaimiento beta, convirtiendo los neutrones en protones lanzando electrones y rayos gamma. Cada núcleo de los productos de la fisión decae entre una y seis veces, con un promedio de tres veces, produciendo una variedad de isótopos de diferentes elementos, algunos estables, algunos altamente radiactivos, y otros radiactivos con vidas medias de hasta 200.000 años.Glasstone, Sourcebook, p. 503. En los reactores, los productos radiactivos son los desechos nucleares en el combustible gastado. En las bombas, se convierten en la lluvia radiactiva, tanto a nivel local como global.
Mientras tanto, en el interior de la bomba que está explotando, los neutrones libres liberados por la fisión golpean los núcleos de U-235 cercanos causando que se fisionen en una reacción en cadena creciente exponencial (1, 2, 4, 8, 16, etc.). Comenzando desde uno, la cantidad de fisiones teóricamente se puede doblar cien veces en un microsegundo, lo que podría consumir todo el uranio hasta centenares de toneladas al alcanzar el eslabón número cien en la cadena. En la práctica, las bombas no contienen tanto uranio y, de cualquier forma, solo unos pocos kilos se fisionan antes de que el núcleo vuele en pedazos.
Lograr mantener unida una bomba que explota es el mayor desafío del diseño de armas de fisión. El calor de la fisión expande rápidamente el pozo del uranio, separando el núcleo blanco y haciendo espacio para que los neutrones escapen sin ser capturados, y al suceder eso, la reacción en cadena se detiene.
Los materiales que pueden sostener una reacción en cadena son llamados fisibles. Los dos materiales fisibles usados en las armas nucleares son: el U-235, también conocido como uranio altamente enriquecido (en inglés: Highly Enriched Uranium, HEU), el oralloy (Oy) que significa Oak Ridge Alloy (en español: Aleación Oak Ridge), o 25 (los últimos dígitos del número atómico, que es 92 para el uranio, y el peso atómico, para este caso 235, respectivamente); y el Pu-239, también conocido como plutonio o 49 (de 94 y 239, respectivamente).