¿Cómo funciona una bomba atómica?

¿CÓMO FUNCIONA UNA BOMBA ATÓMICA?

Antes de entrar en el funcionamiento de una bomba nuclear, y a modo de introducción, es preciso explicar brevemente y muy por encima los tipos de reacciones entre núcleos atómicos que se pueden dar. REACCIONES NUCLEARES Cuando el 16 de Julio de 1945 estalló la primera bomba atómica en el campo de pruebas de Trinity, en Nuevo México, la humanidad ha pasa a una nueva era, la era nuclear.

La famosa fórmula de Einstein E=mc^2 es parte de la cultura popular sin que se llegue a saber qué significa en la mayoría de los casos. Pues bien, esta fórmula indica que una cantidad de masa puede convertirse en energía y viceversa. Aplicado en forma de bomba basta decir que para destruir Hiroshima sólo se convirtió en energía 1 gramo de masa (aunque toda la bomba pesara cuatro toneladas); su potencia fue de 12,5 kilotones, lo que equivale a 12.500 toneladas de TNT. La materia usada en una bomba nuclear suele ser uranio 235 o plutonio 239 debido a su gran densidad.

Cuando en un espacio se reúne la suficiente cantidad de materia, lo que se llama “masa crítica”, se produce una reacción en cadena espontánea; esto es, el núcleo de los átomos del material se divide liberando energía y varios neutrones “rápidos” que provocan que otros núcleos también se dividan y liberen más energía y neutrones. Sin embargo, si la densidad no es suficiente, el proceso se detiene, por lo que se utilizan metales muy densos (isótopos de uranio y plutonio) que además se comprime de manera muy rápida para lograr una altísima densidad que permite que los neutrones “rápidos” choquen antes con otros núcleos y se produzca antes el mayor número de divisiones.

Como la cantidad de divisiones aumenta exponencialmente, es casi al final del proceso cuando se libera más energía. Para una explosión de 100 kilotones son necesarias 58 generaciones, las 7 últimas generan el 99,9 % de la energía en un período cortísimo de tiempo (milisegundos).

También puede liberarse energía con la fusión. En este proceso los núcleos se unen en vez de separarse, pero se requieren altísimas temperaturas (millones de grados) para vencer las fuerzas de repulsión entre los núcleos. Para esta reacción se usan átomos ligeros (más fáciles de unir), generalmente hidrógeno o sus isótopos (deuterio y tritio). Para unir dos átomos basta con hacerlos chocar. Los protones de cada átomo se repelen debido a que ambos tienen carga positiva, de modo que no llegan a acercarse lo suficiente para que se unan. Por eso, para que se lleve a cabo la fusión deben comprimirse mucho los núcleos, que únicamente podrán continuar unidos si pierden un equivalente de la energía que les hizo apretarse. Esta energía liberada es la que forma una bomba de fusión, también denominada bomba H.

CÓMO FUNCIONA UNA BOMBA NUCLEAR EN LA PRÁCTICAUna bomba nuclear consiste básicamente en una esfera hueca de plutonio que no es lo suficientemente densa como para producir una reacción en cadena (es decir, no alcanza la masa crítica). En su interior se encuentra un mecanismo iniciador de neutrones, y el exterior se encuentra revestido de un material explosivo.Para iniciar la explosión se disparan los detonadores que hacen que el material explosivo estalle de la manera más regular posible para que envíe una onda de choque esférica hacia el plutonio. Cuando ésta impacta contra él lo comprime y reduce su volumen empujándolo hacia el centro de la esfera hasta que alcanza una densidad suficiente (supercrítica) y se dispara el iniciador de neutrones para comenzar la reacción en cadena que da lugar a la explosión nuclear, empezando por una reacción de fisión.

Una vez acabada la reacción de fisión queda una esfera expandida con una temperatura de millones de grados. Si la bomba es lo suficientemente potente los núcleos atómicos tendrán tanta velocidad que pueden fusionarse unos con otros dando lugar así a la reacción de fusión. Esta reacción de fusión genera más energía que la anterior de fisión y libera gran cantidad de partículas nucleares, pero no es una reacción en cadena, ya que el propio calor que genera hace que las partículas se separen y se expandan en forma de una esfera de plasma con una temperatura que tan sólo existe en el interior de las estrellas y hay muchas menos probabilidades de que los núcleos atómicos choquen entre sí. Pero antes de que la reacción se extinga, los neutrones generados por las detonaciones anteriores provocan de nuevo una reacción de fusión sobre una camisa de U-238, pero esta vez mucho mayor que las anteriores. Las bombas donde se llega a la fusión nuclear se llaman bombas H o bombas de Hidrógeno.

Una bomba como la de Hiroshima, de 12,5 kilotones, actualmente se considera pequeña. Hoy en día la potencia de las bombas nucleares se mide en Megatones (millones de toneladas de TNT). La URSS llegó a detonar una bomba (a la que llamaron Tsar) de 60 megatones. Un submarino norteamericano con misiles Trident posee el poder destructivo equivalente a 25 veces el de toda la Segunda Guerra Mundial.

Para la construcción de una bomba nuclear normalmente se usa U-235 mezclado con U-238. El primer isótopo de Uranio no forma parte de la reacción nuclear sino que sirve para absorber los neutrones que emite de forma espontánea el U-238 y evitar así una reacción en cadena no deseada. Así el U-235 hace de escudo absorbiendo los neutrones del U-238 que es el que produce la detonación nuclear. El U-235 puede ser sustituido por PU-239, que no se encuentra de manera natural en cantidad apreciable, de modo que se obtiene de los reactores nucleares a partir del U-238.

El U-238 es muy difícil de extraer porque en la naturaleza se encuentra muy mezclado con otros compuestos. Así, por cada 25.000 toneladas de mineral de uranio bruto sólo se obtienen 50 toneladas de uranio, del que el 99´3% es U-238 y el resto U-235; ambos sólo se pueden separar de manera mecánica gracias a la pequeñísima diferencia de peso entre ambos. Para separar el isótopo se recurre a la centrifugación del gas, siendo el más pesado (U-238) despedido hacia el exterior con más fuerza. Para obtener otra vez el uranio separado del gas se recurre a la separación magnética.

MECANISMOS DE UNA BOMBA NUCLEAR

ALTÍMETRO: suelen ser radioaltímetros, que emiten una señal que rebota en el suelo y vuelve a la bomba. Según el tiempo transcurrido en el recorrido puede saberse la altura.

CABEZA DETONADORA: está compuesta de una carga explosiva muy bien calibrada que, a la orden del altímetro, detona produciendo una onda de choque uniforme sobre el elemento radioactivo, comprimiéndolo hasta alcanzar la masa supercrítica.

El detonador varía si es combustible es uranio o plutonio:

DETONADOR DE URANIO: la masa total se divide en dos partes, una mayor de forma semiesférica y cóncava que se acopla perfectamente con la otra, cóncava, más pequeña. Ambas se encuentran separadas hasta el momento de la detonación, en el que una explosión convencional dispara la parte pequeña que impacta contra la mayor para lograr en un instante la masa supercrítica.

DETONADOR DE PLUTONIO: Necesita una precisión mucho mayor que la anterior, ya que está compuesta de 32 secciones de plutonio-berilio-polonio, todas de igual forma y posición distribuidas concéntricamente. Todas han de cerrarse simétricamente en una diezmillonésima de segundo para conseguir la detonación.

DEFLECTOR DE NEUTRONES: suele ser U-238. Evita una reacción accidental y además facilita la reacción nuclear, ya que cuando ésta se inicia refleja las partículas de vuelta hacia el núcleo cuando se alcanza la masa supercrítica.

ESCUDO PROTECTOR: protege de la radiación natural al personal que maneja la bomba y a los circuitos de la propia bomba que pueden sufrir cortocircuitos o puestas en funcionamiento accidentales, así como también los circuitos del vehículo que porte la bomba.

SISTEMA DE ARMADO: es otro sistema más de seguridad consistente en quitar una parte imprescindible de la bomba para evitar detonaciones accidentales, de modo que sólo cuando está próximo su lanzamiento se inserta esta parte.

EFECTOS DE UNA EXPLOSIÓN NUCLEARLas bombas convencionales causan solamente un efecto destructivo provocado por la onda de choque y en algunos casos también por el calor que generan, mientras que las bombas nucleares tienen muchos más efectos. Los principales son:

Radiación inicial: la altísima temperatura y la elevada presión que se genera en el interior de la explosión emiten radiación en todas direcciones. Ésta se compone de rayos alfa, beta y gamma, que son una forma de radiación electromagnética de alta energía que puede causar la muerte sin que el individuo se de cuenta de que ha sido irradiado. Una explosión de un megatón (de tamaño estándar) mataría a todo ser humano en 15 km a la redonda que se encontrase al aire libre.Las partículas alfa son núcleos de helio, y son las partículas que más vida tienen (unos 1000 años), pero su poder de penetración en la materia es poco, por tanto son las menos peligrosas. Con 45 cm de tierra se consigue reducir la radiación de partículas alfa veinte veces.Las partículas beta no son ni más ni menos que electrones libres con una velocidad próxima a la de la luz. Debido a que son más pequeñas que las partículas alfa penetran más, siendo suficiente 38 cm de pared de ladrillo para reducir a un quinto la radiación.La radiación más peligrosa la componen los rayos gamma, ya que son capaces de atravesar grandes espesores de materia. La mejor forma de protegerse de los rayos gamma es interponer grandes espesores de material, cuanto más denso mejor, siendo el ideal el plomo. Para reducir la exposición a un veinteavo se precisan 30 cm de hormigón armado.

Pulso electromagnético: la intensa actividad de los rayos gamma genera mediante inducción una corriente de alto voltaje sobre antenas, vías férreas, tuberías… que destruye todas las instalaciones eléctricas de una amplia zona.

Pulso térmico: al expandirse la bola de plasma, el aire circundante absorbe energía en forma de rayos X y la irradia en forma de una luz cegadora y un intenso calor. Una bomba de 20 Megatones produciría una intensa luz durante 20 segundos y causaría quemaduras de segundo grado a cualquier persona expuesta a 45 km de distancia.

Onda de choque: la rápida expansión de la bola de plasma genera una onda de choque como cualquier explosión, pero de una potencia muy superior. Una bomba de 20 megatones no dejaría en un radio de 20 km más que escombros.

Primera lluvia radioactiva: la elevada temperatura de la explosión vaporiza todo lo que se encuentra dentro de la bola de plasma; todo se funde con los materiales radiactivos de la fisión o fusión y se eleva con el hongo para luego precipitar en forma de finas cenizas. Esto ocurrirá durante las 24 h siguientes a la explosión y afectará a una región más o menos amplia para una misma potencia, según la climatología.

Estos son los denominados efectos primarios que no son los más destructivos. Los denominados secundarios podrían ser mucho más graves, sobre todo si se produce una serie de explosiones nucleares, donde los efectos de estas explosiones serían mucho mayores que la suma de sus efectos secundarios por separado, pudiendo afectar a la totalidad del planeta (efectos globales secundarios). Si detonasen unos 10000 Megatones se produciría un holocausto mundial, con terribles efectos secundarios:

El primero de estos efectos es que la radioactividad liberada en caso de holocausto penetraría en todos y cada uno de los seres vivos (y en el mar, la tierra y el aire).

El segundo sería que los materiales impulsados por las detonaciones se elevarían hasta la troposfera, donde ocultarían la luz del sol durante meses o años, haciendo bajar la temperatura de la tierra y alterando la fotosíntesis de los vegetales y el plancton marino (el famoso invierno nuclear). Además, estos materiales radiactivos irían cayendo durante meses o años convirtiéndose en una lluvia radiactiva global que, aún con menos dosis radiactiva que una lluvia provocada por una bomba, sería global.

El tercero sería una reducción en la capa de ozono producida por el óxido de nitrógeno generado, de modo que la radiación solar que llegase a la tierra sería mortal. Un 70% del ozono desaparecería en el hemisferio norte y un 40% en el sur, siendo necesarios 30 años para recuperar su estado normal.