La bomba atomica

La bomba atomica e la bomba all' idrogeno

LA BOMBA ATOMICA

La bomba atomica o bomba A è il nome comune della bomba a fissione nucleare. E' un ordigno esplosivo, appartenente al gruppo delle armi nucleari, la cui energia è prodotta dal fenomeno della fissione nucleare cioè la reazione a catena di scissione, spontanea o indotta, del nucleo atomico di un elemento pesante in due o più frammenti. La reazione a catena avviene in forma “incontrollata” e rapidissima in una massa di uranio 235 o di plutonio 239 altamente concentrati, nell'istante in cui la massa viene resa "super-critica". Nell'uso comune talvolta il nome “bomba atomica” è esteso ad altre armi nucleari di potenza simile o superiore, includendo così anche le bombe che utilizzano l'altro tipo di reazione nucleare, la fusione dei nuclei di elementi leggeri. Il termine bomba atomica nella classificazione originaria di bomba A indicava propriamente solo le bombe a fissione. Quelle che invece utilizzano la fusione sono chiamate bombe H o bombe all'idrogeno, o anche raggruppate nella definizione di armi termonucleari.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Il principio della bomba A è la reazione a catena di fissione nucleare: questo è il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi pesanti si può dividere in due o più frammenti (nuclei di elementi più leggeri) se viene colpito da un neutrone libero. Questo processo si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena in una massa metallica, in alcuni elementi con massa atomica superiore a 230. I materiali che è possibile utilizzare nella pratica sono l'uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono materiali fissili in condizioni normali. Quando un neutrone libero colpisce il nucleo di un atomo di U 235 o di Pu 239, il neutrone viene catturato dal nucleo per un tempo brevissimo. Il nucleo così modificato è instabile e si spezza quasi subito (entro 10^-12 secondi) dando luogo a due o più frammenti, liberando contestualmente alcuni neutroni liberi (2 o 3) e una certa quantità di energia sotto forma di fotoni ed eccitazione termica dei nuclei. La liberazione di energia è conseguenza del fatto che la somma delle masse dei frammenti risultanti non è esattamente uguale alla massa del nucleo iniziale. Una piccola parte di massa (circa un quinto) risulta trasformata in energia (circa 200 MeV). I neutroni liberati dal processo, a loro volta possono urtare altri nuclei nel blocco metallico, che quindi subiscono anch'essi la fissione, liberando ulteriori neutroni e causando così la reazione a catena che si propaga in tutta la massa di materiale. La reazione a catena però avviene solo se il materiale è sufficientemente puro e la massa è sufficientemente grande. Se la massa è piccola, la maggior parte dei neutroni sfugge all'esterno senza colpire altri nuclei: per innescare la reazione occorre che un numero sufficiente di neutroni prodotti prosegua la reazione. Ciò avviene quando il materiale è in una quantità superiore ad una massa detta massa critica. L'entità della massa critica dipende dalla forma, dalla purezza del materiale e dalla disposizione atomica (il plutonio ad esempio può essere in diversi stati di configurazione cristallina). Una massa può essere resa super-critica modificando le sue caratteristiche (dimensione forma e concentrazione). Per costruire una bomba è necessario che il materiale fissile sia in una percentuale molto alta, cioè quando il metallo è "arricchito" dal suo isotopo fissile al punto che esso è quasi puro, o superiore al 93% nel caso dell'uranio 235 (uranio "weapon grade"). Allora, è possibile produrre una reazione totalmente "incontrollata" che si propaga nella massa in modo esponenziale, in un intervallo di tempo dell'ordine del microsecondo. Si libera così una quantità di energia con un effetto esplosivo di enorme potenza. È necessario anche che siano posti all'interno di contenitori schermati particolari ed è utile (ma non indispensabile) che vi sia anche una "sorgente di neutroni" da attivare al momento opportuno. Questi dispositivi servono per accelerare la reazione e moltiplicare l’efficienza, cioè la percentuale di metallo che subisce la fissione.

MATERIALE FISSILE

Il materiale fissile usato più di frequente nelle bombe atomiche è il plutonio. Questo elemento artificiale si può produrre solo in paesi altamente industrializzati, a monte richiede l'esistenza di un ciclo di arricchimento dell'uranio e reattori nucleari o altri sistemi capaci di produrre il plutonio a partire dall'isotopo uranio 238. L'elemento naturale usato comunemente è il cosiddetto "uranio arricchito". L'uranio presente in natura è una miscela del 99,3% circa di isotopo a numero di massa 238 e dello 0,7% circa di isotopo a numero di massa 235; dei due, solo l'ultimo è fissile. Per poterne accumulare una quantità sufficiente occorre quindi "arricchire" l'uranio del proprio isotopo 235. Il nocciolo di una bomba all'uranio deve cioè essere composto di una massa composta in gran parte di uranio 235, ovvero di uranio altamente arricchito. Tale "arricchimento" avviene con la separazione dell'isotopo 235 dall'isotopo 238, per ottenere un metallo con una concentrazione via via maggiore del primo elemento. Il ciclo di arricchimento industriale ha inizia con la conversione dell'uranio naturale in esafluoruro di uranio (UF₆), una sostanza gassosa che permette di sfruttare successivamente la diversa velocità di diffusione che contraddistingue ²³⁵UF₆ da ²³⁸UF₆ per separare i due isotopi. L'identico processo si può compiere anche con il tetracloruro di uranio (UCl₄). Queste sostanze si possono portare allo stato gassoso a basse temperature, ciò consente di separare i due isotopi meccanicamente. La sostanza viene centrifugata ad altissima velocità, in speciali centrifughe montate in serie (a "cascata"). Queste concentrano progressivamente l'isotopo 235 separandolo dall'omologo chimico 238 sfruttando la piccolissima differenza di peso specifico tra i due. L'uranio arricchito per le testate atomiche è composto per il 97% circa di U 235. È possibile separare l'isotopo 235 anche con altre metodologie, su scala minore o con tecnologie molto più sofisticate (come il laser). Il prodotto di scarto del processo di arricchimento è uranio, in grande quantità, composto quasi totalmente dall'isotopo 238 perciò inutile per la reazione nucleare, con una percentuale di U 235 bassissima. È il cosiddetto uranio impoverito, cioè uranio con una frazione di U 235 inferiore allo 0,2%. È classificato come scoria radioattiva, ma viene usato per costruire proiettili e bombe in sistemi d'arma convenzionali. La tossicità dell'uranio impoverito, di origine chimica e radiologica, è oggetto di una controversia legata al suo uso, ma è stata accertata nel caso esso venga inalato o ingerito. All'interno di masse inferiori a quella critica, purché concentrate in piccoli volumi, nell'uranio e nel plutonio le fissioni sono più frequenti di quelle che si hanno nei minerali naturali, dove gli isotopi fissili sono meno concentrati. Dopo un certo periodo di tempo, a causa di questa perdita di neutroni, il materiale fissile non è più utilizzabile.

CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE

Una bomba atomica è formata da un nocciolo metallico di alcune decine di chilogrammi di uranio arricchito oltre il 93% (uranio "weapon grade"), oppure di qualche chilogrammo di plutonio contenente almeno il 93% di isotopo 239 (plutonio "weapon grade"). E' possibile anche costruire una bomba utilizzando pochissimi chilogrammi uranio, seguendo i principi costruttivi messi a punto per le bombe al plutonio; è altresì possibile, oggi, costruire bombe con mini-nocciolo che impiegano poche centinaia di grammi di plutonio. La massa del nocciolo è sempre, comunque, sub-critica (se così non fosse la bomba esploderebbe anzi tempo). Il nocciolo è inserito in un contenitore di metallo pesante, come l'uranio 238, a formare uno spesso guscio detto tamper ("tampone" o borraggio) che limita la fuga all'esterno dei neutroni, utili alla reazione nel momento dell'esplosione, e soprattutto ha la funzione di trattenere, mediante l'azione inerziale e la pressione esercitata dalla sua espansione termica, il nocciolo per il tempo necessario alla reazione, circa 1 microsecondo. Il tempo a disposizione per la reazione aumenta moltissimo l’efficienza, cioè la percentuale di materiale che subisce la fissione. L'esplosione viene innescata con l'uso di esplosivi convenzionali che avvicinano fra loro parti del nocciolo o lo modificano in modo da rendere la massa super-critica. Mediante sistemi di detonatori (che possono essere complessi e di tipo diverso) il nocciolo viene modificato nella forma e concentrazione in modo da portarlo a uno stato super–critico. Vi sono essenzialmente due tecniche alternative, dal punto di vista ingegneristico, per produrre questo effetto. Le due soluzioni sono:

1. il sistema a blocchi separati o detonazione a proiettile (gun-triggered fission bomb). Il nocciolo è cioè diviso in due parti, due masse sub-critiche che, al momento dell'esplosione, vengono proiettate l'una contro l'altra in modo da unirsi a formare un'unica massa super-critica;
2. il sistema a implosione. È molto più efficiente, ed estremamente complesso da progettare. L'esplosivo circonda un nocciolo a forma di sfera cava con una massa di pochissimi chilogrammi. Il sistema di detonatori esplosivi e contenitori intorno al nocciolo servono per produrre l'implosione di questo, cioè "schiacciare" la massa e concentrare il materiale in modo da portarlo a uno stato super-critico. La detonazione modifica la forma e la concentrazione del materiale ed elimina la cavità in modo tale da rendere la massa super-critica.

I due modelli costruttivi contengono entrambi un "iniziatore" della reazione nucleare, cioè una sorgente di neutroni che è un dispositivo costruito di solito in berillio, e contenente un materiale radioattivo come il polonio 209 o 210. Questa sostanza entra in contatto con il materiale fissile e libera neutroni al momento della detonazione. L'iniziatore è posto al centro del nocciolo, e viene attivato dalla pressione esercitata da questo. L'iniziatore da luogo in sequenza a questi effetti:

1. il suo involucro in berillio viene sfondato quando la massa implode, il polonio emette radiazione alfa;
2. la radiazione alfa interagisce con il berillio 9 producendo berillio 8 e neutroni liberi;
3. i neutroni liberati da questo dispositivo sono in quantità enorme e scatenano la fissione in una massa che ora è super-critica.

IL SISTEMA DI DETONAZIONE A BLOCCHI SEPARATI
L'innesco a blocchi separati è detto bomba con "detonazione a proiettile" o gun-triggered fission bomb. È la più semplice da costruire, richiede una tecnologia rudimentale. Funziona però bene solo con l'uranio 235. Il plutonio infatti, a causa delle tracce non eliminabili dell'isotopo 240, è più instabile e dunque il dispositivo richiederebbe accorgimenti con cui diventerebbe troppo ingombrante per poi poter essere utilizzato.

La bomba atomica sganciata su Hiroshima era un ordigno di questo tipo. Il principio è che due masse sub-critiche di uranio vengono proiettate ("sparate") l'una contro l'altra. L'ordigno è costituito da un tubo ad un estremità del quale c'è un proiettile costituito da un blocco di uranio 235 di forma conica, all'altro capo un blocco sferico di U 235 con massa maggiore, dove è collocato anche il generatore di neutroni (iniziatore). La detonazione avviene quando il proiettile viene lanciato, per mezzo di una carica esplosiva, e colpisce la massa attivando l'iniziatore. I neutroni liberati in grande quantità scatenano la reazione nella massa di uranio che ora ha dimensioni super-critiche. Questi ordigni hanno un'efficienza molto scarsa. Per costruire una bomba occorre qualche decina di chilogrammi di uranio 235, un isotopo naturale estremamente raro, ma la gran parte di questa massa (il 98,5%) viene sprecata, non dà luogo cioè a nessuna reazione nucleare. L'ordigno Little Boy conteneva 63 kg di uranio di cui appena l'1,5% subì la fissione nucleare. La scarsa efficienza è dovuta al fatto che manca l'effetto di concentrazione e di contenimento inerziale del nocciolo compiuto dal sistema a implosione. Il contenitore tamper, nel meccanismo a blocchi separati, è meno efficace dovendo contenere una massa troppo grande. L'assemblaggio di una massa tanto grande è anche piuttosto pericoloso. Inoltre gli ordigni a blocchi separati non possono avere una potenza esplosiva molto più grande di 20 chilotoni perché la quantità di uranio non si può aumentare a piacimento. Per tutte queste ragioni, in linea di massima le armi basate su questo sistema non vengono costruite. Sono stati costruiti poche decine di ordigni come questo nel primo dopoguerra, principalmente da Gran Bretagna e Unione Sovietica. Queste sono state smantellate negli anni '50. Negli anni '70 il solo Sudafrica costruì cinque bombe come questa, anch'esse poi smantellate.

SISTEMA DI DETONAZIONE A IMPLOSIONE

Questo sistema era utilizzato nella bomba esplosa su Nagasaki. Il nocciolo è una sfera cava di pochi chilogrammi di plutonio 239. È posto all'interno di più sfere concentriche di metalli diversi e circondato da un complesso sistema di cariche esplosive e detonatori elettronici. Al centro della sfera cava è collocato l'iniziatore in polonio-berillio. Quando l'esplosivo che circonda il nocciolo viene fatto brillare, l'onda d'urto concentrica produce l'implosione perfettamente simmetrica della massa di plutonio.

La cavità centrale scompare, il materiale schiacciato dall'onda d'urto viene concentrato di un fattore 2 o più, la massa diventa super-critica, l'iniziatore centrale si attiva. La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15%, e conteneva meno di 7 kg di plutonio. Sistemi diversi e molto più complessi, costruiti sullo stesso principio, possono portare a efficienze maggiori. Sono quelli usati nella costruzione delle moderne bombe a fissione.

LA BOMBA ALL' IDROGENO (BOMBA TERMONUCLEARE):

La bomba all'idrogeno o bomba H (più propriamente bomba a fusione termonucleare incontrollata, è una bomba a fissione-fusione-fissione in cui una normale bomba A, che serve da innesco, viene posta all'interno di un contenitore di materiale fissile insieme a degli atomi leggeri. Quando la bomba A esplode, innesca la fusione termonucleare dei nuclei degli atomi leggeri; questo processo provoca a sua volta la fissione nucleare del materiale che la circonda. In questo tipo di bomba dunque l'energia liberata deriva oltre che dalla fissione nucleare anche dalla fusione termonucleare fra nuclei di isotopi diversi dell'idrogeno: il deuterio ed il trizio. Nel caso della bomba al deuterio e litio, tale processo avviene secondo una reazione nucleare del tipo:

²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV

Il trizio non è di per sé presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall'urto di neutroni veloci contro nuclei dell'isotopo del litio avente numero di massa 6 e nuclei di deuterio secondo queste due reazioni nucleari:

⁶Li + n → ³H + ⁴He + 4,8 MeV

e

²H + n → ³H + 6,2 MeV

La temperatura e la pressione elevatissime necessarie affinché avvenga la fusione termonucleare nonché i neutroni veloci indispensabili per generare l'idrogeno 3 vengono forniti, come già detto, da una bomba A.

A differenza della bomba A, con quella H non vi è alcuna limitazione teorica di potenza. Tale potenza è una funzione a scalino di un certo numero di variabili; non trattandosi di una funzione continua non vale il teorema di Weierstrass e dunque non possiede un massimo teorico. Inoltre la bomba termonucleare non necessita di una massa critica a differenza della bomba A. In realtà, però, essendo necessaria quest'ultima per attivare il processo di fusione termonucleare, rimane ugualmente la necessità a monte di una massa critica. Nel 1961, in una serie di test nucleari, l'URSS fece esplodere la più potente bomba H mai realizzata (la bomba Zar) che liberò energia pari a 57 megatoni, ovvero oltre 4 500 volte più potente della bomba all'uranio lanciata su Hiroshima.

I DANNI:

Sono quattro i fattori distruttivi dovuti all'esplosione di un ordigno nucleare:

1. onda di calore (fino a 300 milioni di gradi centigradi in corrispondenza del punto di detonazione);
2. onda d'urto;
3. emissione di radiazioni (direttamente con l'esplosione e tramite successivo Fall-out radioattivo);
4. effetto EMP (Electro Magnetic Pulse), questo scoperto solo a partire da alcuni test nucleari dei primi anni sessanta.

Le esplosioni nucleari possono essere a loro volta classificate in cinque tipi:

1. aero-alte: esplosione nella stratosfera, con forte rilascio di particelle alfa e beta e scarso rilascio di radiazioni gamma, che però vengono fermate dall'atmosfera; nessun danno agli esseri umani ma viene rilasciato un gigantesco impulso elettromagnetico (EMP, Electro Magnetic Pulse) che distrugge qualunque apparecchiatura elettronica non protetta da adeguata schermatura; inoltre vengono azzerate le comunicazioni radio per un certo periodo a causa dei disturbi;
2. aero-basse: esplosione nell'atmosfera a poche centinaia di metri di altezza, con forte rilascio di particelle alfa e beta e scarso rilascio di radiazioni gamma, letali nel raggio di diversi chilometri in un tempo breve. Scarso fall-out;
3. superficiali: esplosione a terra, con forte rilascio di particelle gamma, e scarso rilascio di particelle alfa e beta; elevata ricaduta radioattiva dovuta alle polveri sollevate, pesantemente contaminate. Danni anche di tipo sismico alle cose, ma minori effetti immediati sulle persone;
4. sotterranee: nessun rilascio di particelle, che vengono schermate dal terreno, e di onde elettromagnetiche. Forte onda sismica, proporzionale alla potenza dell'arma. È usata principalmente nei test per le armi nucleari;
5. sottomarine.