FISION NUCLEAR Y RADIACTIVIDAD: la ciencia de las armas nucleares.

Señal de riesgo por radiación ionizante (Crédito: Wikipedia)

 (Esta entrada participa en la edición XXI del carnaval de la fisica cuyo anfitrión en este mes de julio es Cristian Ariza coordinando el evento desde su vaca esférica )

ADEVERTENCIA: La información aquí expuesta tiene fines exclusivamente acedémicos y forma parte de un trabajo de investigación en mi formación profesional, éste artículo no esta destinado de ninguna forma a otro uso que no sea el educativo, con el mismo mis objetivos son los de estudiar y entender como funcionan y están fabricadas las armas nucleares, especificamente una bomba de plutonio por fisión nuclear. Con el mismo NO fomento el uso de la teoría con fines bélicos y destructivos. Yo creo en la paz, el cariño, el perdón y el amor hacia todos mis semejantes y practico la filantropía como uno de mis principios básicos de ética y comportamiento social.

Introducción

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"…Lunes 6 de agosto de 1945, 08h16 una bomba nuclear como jamás antes había conocido la humanidad es lanzada sobre la tranquila ciudad japonesa de Hiroshima, todo objeto y ser viviente dentro del radio de alcance de 16km es calcinado a una temperatura de un millón de grados Celsius y arrasado a la velocidad del sonido,  más de cien mil personas y cuarenta mil edificios desaparecen del mapa en menos de una millonésima de segundo, tres días después una bomba de similares características nucleares es lanzada sobre el puerto de Nagasaki con el resultado de ochenta mil víctimas;  éste fue el resultado de tres años de trabajo por parte de físicos e ingenieros americanos y más de dos mil millones de dólares que fueron necesarios para la investigación, desarrollo y posterior uso de la energía nuclear con fines bélicos dentro del marco de la segunda guerra mundial. El 2 de septiembre del mismo año a bordo del USS MISSOURI una delegación japonesa hacía oficial la rendición de Japón poniéndole así fin a la segunda guerra mundial y evitando el uso de más armamento nuclear que en palabras de los emperadores japoneses de aquel entonces podría extinguir la raza humana de la faz de la tierra para siempre…”

 

Vamos a echar un vistazo “a vuelo de pájaro” y de forma muy general a un área compleja de la física moderna que usada con fines bélicos es sumamente destructiva y peligrosa dados sus efectos secundarios pero que en pro del desarrollo tecnológico e industrial es una fuente de energía muy grande y “limpia”. En este primer artículo me propongo explicar de la forma más simple, completa e interactiva posible como está constituida una bomba nuclear, como se detona, de donde se crea la enorme cantidad de energía que produce así como los elementos necesarios para inducirla, a futuro hablaré sobre “energías limpias y reactores nucleares” así como también del combustible atómico que impulsa a las sondas Voyager a los confines del sistema solar.

Antes de empezar es importante tener en cuenta que:

• ·         No tocaré a fondo las formas de desintegración radiactiva de ciertos elementos

• ·         No es mi objetivo el dar un sentido de argumentación a favor o en contra de la utilización de la energía nuclear con fines pacíficos.

• ·         No promuevo el uso de la energía nuclear con fines militares

• ·         Al ser éste un tema de interés social, toda la información aquí descrita puede ser utilizada con fines educativos y de divulgación pública, siempre escribiendo las fuentes de información.

Nuevo símbolo de advertencia de radiactividad adoptado por la ISO en 2007 para fuentes que puedan resultar peligrosas. Estandard ISO #21482 (Credito: Wikipedia)

Sin más empecemos…

Todo comienza con la ecuación más famosa y sencilla (en mi apreciación) en la historia de la física, descrita y publicada por el físico alemán de origen judío Albert Einstein a principios del siglo XX  su ecuación e = mc² (energía = producto de masa por el cuadrado de la velocidad de la luz) lo que nos dice es que la materia es una propiedad más de la energía, dicho en palabras más simples una pequeña cantidad de materia contiene una enorme cantidad de energía,  en la naturaleza su uso más frecuente se da en la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, tema del que trataré en otra ocasión. 

Para entender de forma apropiada y coherente el funcionamiento de una bomba de fisión nuclear es necesario revisar algunos conceptos fundamentales que nos permitirán tener una idea más clara y precisa del concepto sobre el cual se sustentan las armas atómicas, el primero de ellos es el de RADIACTIVIDAD.

La RADIACTIVIDAD es una propiedad de algunos núcleos atómicos llamados radiactivos mediante la cual emiten radiaciones cuando se desintegran. Una radiación no es más que el fenómeno de propagar partículas (como fotones)  o energía a través del espacio. Son radiactivos los núcleos que se encuentran en la naturaleza con un Z (z significa número atómico) más grande que el correspondiente al plomo 82. Muchos de los elementos con Z más pequeño producidos por el hombre también son radiactivos, los núcleos radiactivos emiten espontáneamente una o más partículas para transformarse en un núcleo diferente. Estas radiaciones tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre las más conocidas.    

La ionización es un proceso químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutro. Debido a esta capacidad se les suele denominar radiaciones ionizantes, éstas radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas (rayos X o rayos gamma) o corpusculares (núcleos de helio, electrones, positrones o protones u otros) La radiactividad es una propiedad de los isótopos (átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en masa) que son "inestables" es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (emitiendo rayos gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas) y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo. Dicho en términos más sencillos la radiactividad es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos inestables que son capaces de transformarse o decaer espontáneamente en núcleos atómicos de otros elementos más estables.

De los 1700 isótopos que se conocen sólo 260 son estables. El isótopo más estable que existe es el Hierro-56, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón. Es un elemento tremendamente especial, ya que es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión.

En el siguiente gráfico podemos apreciar la estabilidad de los isótopos dependiendo de su número másico y de su número atómico, un isótopo no es más estable cuando su número de protones y neutrones son semejantes sino cuando mas pesado es el átomo más neutrones hacen falta para contrarrestar las fuerzas repulsoras de tanta carga positiva; sin embargo, existe una tendencia y los que se alejan de esta tendencia son más inestables, los que están en el centro son más estables.

El color indica el periodo de semidesintegración de los isótopos radiactivos conocidos, también llamado semivida. Obsérve que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados (Crédito: Wikipedia)

En términos generales existen dos procesos que permiten al átomo aumentar la energía de enlace por nucleón en su núcleo atómico, estos son:

1.- Desintegración radiactiva estructural: Es aquella en la que el átomo varía su estructura interna para ser más estable, existen varios tipos:

Alfa.- emisión de partículas con dos protones y dos neutrones. Estas partículas son idénticas a núcleos de helio (4He) son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes y muy energéticas  .

Beta.- hay dos tipos de desintegración, beta positivo y beta negativo. El beta positivo es una emisión de un positrón acompañado de un neutrino. El beta negativo es la emisión de un electrón acompañado de un antineutrino Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto, cuando un átomo expulsa una partícula beta, su número atómico aumenta o disminuye una unidad (debido al protón ganado o perdido)

Captura electrónica.- En la captura electrónica, un protón del núcleo captura un eletrón de las capas mas internas para convertirse en neutrón (necesita anular las cargas). Se libera un neutrino

Fisión:- En esta desintegración radiactiva, un átomo se divide en dos átomos más o menos la mitad de pequeños, liberando dos neutrones con cantidad de energía. Se puede provocar si un netutrón colisiona con un átomo. Y puesto que la reacción libera dos neutrones, esto permite las reacciones en cadena (ya que cada átomo puede activar a dos más, que a su vez activaran a dos más cada uno).

2.- Desintegración radiactiva no estructural: en muchas de las reaciones de desintegración radioactiva estructural, es muy posible que uno de los nucleones quede en un estado excitado (similar a los electrones en los orbitales atómicos, excepto que con mucha mas energía). Este nucleón, para volver a un estado no excitado de energía, libera un fotón muy energético que es lo que se conoce como radiación gamma.

Gamma.- es la emisión de fotones de frecuencia muy alta. El átomo radiactivo se conserva igual, pero con un estado de energía menor. Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas y por tanto es el tipo de radiación más peligrosa que existe para el hombre.

Esquema gráfico de emisión radiactiva de un nucleo.

La RADIACIÓN ES PELIGROSA PARA EL HOMBRE debido a que INTERACCIONA CON LA MATERIA. De los dos tipos de radiación la ionizante y la no ionizante la más peligrosa es la ionizante porque interactúa con la materia a diferencia de la no ionizante que no interactúa “mucho” con la materia

Imaginemos que estamos en un laboratorio que tiene esas típicas imágenes que he colgado en este artículo por todas partes. ADVERTENCIA, PELIGRO DE RADIACION IONIZANTE de pronto suena una alarma, se desata el pánico y empezamos a correr lo más lejos y rápido que nuestros pies nos lleven; el peligro es porque si es radiación ionizante, significa que tiene la suficiente “inercia” para que  cada vez que choca contra otro electrón en su camino para frenarse lo arrancará de su órbita, dejando un ión donde antes existía un átomo neutro. Un solo electrón puede producir cientos de miles de ionizaciones antes de frenarse ¿Qué pasaría si ese tipo de radiación nos alcanza? Bueno que cuando estos electrones impacten continuamente contra nuestras células; ionizaran átomos que forman proteínas, cadenas de nucleótidos, etc. rompiéndolos y muy probablemente terminaremos con cáncer.

La radiación gamma es “más difícil de detener” y las posibilidades de que nos alcance (dado el hipotético caso de alarma por radiación) son más altas, ésta radiación gamma es la más peligrosa de todas, puesto que al ser un fotón, por muy energético que sea tiene una baja probabilidad de interactuar con la materia, por lo tanto de llegarnos el daño que haga estará muy repartido.

LA BOMBA DE FISION NUCLEAR.

Bien hemos hablado muy ligeramente acerca de la radiactividad, y es hora de echar un vistazo a uno de los monstruos de la segunda guerra mundial.

El mecanismo de funcionamiento de esta bomba en palabras sencillas se basa en el hecho de dividir o fisionar la mayor cantidad de átomos en este caso de una masa sub crítica de plutonio (PU) ésta inicia cuando un átomo de PU-239 absorve un neutrón adicional, se bombardea con neutrones la masa crítica (cantidad mínimo de material necesario para que se mantenga una reacción nuclear en cadena) y ésta se fisiona liberando energía.

 

El plutonio se coloca en forma de una esfera, la cual puede o no ser hueca. La detonación se produce haciendo explotar una carga de un explosivo convencional que rodea la esfera, aumentando así su densidad (y haciendo colapsar la cavidad interna si es que la hubiera)

Esta bomba atómica debe almacenarse en configuración subcrítica hasta el momento en que se la desee detonar. En el caso de una bomba de uranio, basta con mantener el combustible en forma de piezas separadas, la dimensión de cada una de ellas es menor que el tamaño crítico tanto porque sean muy pequeñas o porque sus formas previenen alcanzar la criticidad. Para producir la detonación, las partes de uranio se juntan rápidamente. En Little Boy (asi llamaron a la bomba que estallo sobre Hiroshima) esto se realizó disparando una pequeña parte de uranio desde un cañón tipo arma de fuego hacia un agujero correspondiente ubicado en un pedazo mayor de uranio, un diseño conocido como bomba de fisión de tipo revolver.

También sería posible construir un explosivo de PU-239 con una pureza teórica del 100%. Pero en la realidad esto no es práctico porque el PU-239 "de calidad armamento" esta contaminado con pequeñas cantidades de PU-240, el cual posee una fuerte tendencia hacia la fisión espontánea. Por esta razón, en un arma del tipo revolver se produciría una reacción nuclear antes de que las masas de plutonio estuvieran en la posición adecuada para producir una explosión de magnitud. Aún teniendo en cuenta la impureza en PU-240, se podría en principio construir un arma tipo revolver. Sin embargo no sería un arma demasiado práctica, ya que debería ser muy larga para acelerar la masa de plutonio a muy altas velocidades para compensar los efectos mencionados anteriormente.

¿Cómo funciona?

un átomo muy pesado puede ser fácilmente inestable. La manera mas sencilla de desestabilizarse es reduciendo drásticamente su peso atómico, y para ello el camino mas rápido es la fisión. El átomo se parte en dos trozos grandes y varias partículas subatómicas, entre ellas varios neutrones. Existen varios elementos fácilmente fisionables, el Uranio-235 o el Plutonio-239 son los dos ejemplos más famosos, veamos como funciona una bomba nuclear con una esfera de plutonio:

1.- ESFERA DE PLUTONIO Se necesita un núcleo casi puro de PU-239, un isòtopo específico de plutonio para la mejor explosión. PU-239 El plutonio para armas nucleares se hace al bombardear uranio, específicamente U-238 con neutrones. El Uranio pasa por varios cambios para convertirse en PU-239 pero si el plutonio captura un solo neutrón demás se convierte en un isótopo más pesado PU-240 el problema es gave porque el PU-240  se fisiona con demasiada facilidad como para ser utilizado en una bomba, aún así sólo el 5% del núcleo del plutonio es PU-240 podría hacer que la bomba estallara de manera prematura o parcial.

2.-  IMPLOSIÓN.- Para lograr la fisión nuclear debe haber varias explosiones simultáneas, para esto se utilizan altos explosivos llamados "lentes" porque se les dá la forma para enfocar su onda de choque hacia el nucleo (para crear la implosión que comprime el PU-239 en la masa supercrítica necesaria para iniciar la fisión. Los lentes deben detonar al mismo tiempo exactamente creando una onda de choque que comprime la esfera de manera uniforme antes de estallar el dispositivo problemas potenciales: Es muy dificil calcular la implosión. Una carga eléctrica que viaja hacia los detonadores ubicados a distancias distintas debe llegar a cada lente en trillonésimas de segundo de diferencia entre cada uno, además la falla de un solo lente alteraría la longitud de onda de compresión evitando que la esfera se comprima simétricamente.

  

3.- REACCIÓN EN CADENA.- Para obtener una mejor explosión hay que dividir la mayor cantidad de átomos de plotonio, tras la implosión inicial el rebotador; una capa de metal rodeando la esfera regresa la onda de choque nuevamente hacia el centro para comprimir aún más el PU-239. Otra capa metalica llamada Reflector regresa los neutrones que escapan al núcleo de fisión de la bomba. El retardador, la capa final de un metal pesado como el tungsteno, evita que el dispositivo se desarme permitiendo la mayor fisión posible. un problema potencial aqui es que una bomba de plutonio dará los mejores resultados sólo si cada fracción de PU-239 está controlada. Si cualquiera de las capas falla (por ejemplo si el reflector deja pasar mcuhso neutrones o si el retardador no puede evitar que la bomba se deshaga antes de que la fisión esté completa) la explosión resultará relativamente pequeña.   

Esquema gráfico de una bomba nuclear.

En el siguiente video la distancia de la camara fue de 10km en el punto de estallido, véase el efecto que tiene esta bomba al estallar.

                                   

EL FIN DE LA SEUNDA GUERRA MUNDIAL Y EL INICIO DE LA GUERRA FRIA

Después de descubrir la capacidad de destrucción de las bombas nucleares las principales potencias del mundo se pusieron a crearlas. En un principio solo EE.UU., la U.R.S.S., Francia y el Reino Unido disponían de ellas, pero mas tarde la India, China o Israel entre otros empezaron los ensayos de explosiones nucleares.

Una bomba nuclear explotará diseminando por toda la atmósfera cientos de tipos distintos de isotopos radioactivos. La mayoría tiene una un tiempo de vida corto, y a los segundos o a los meses, ya han desaparecido. Sin embargo otros, tardan décadas, cientos o incluso miles de años en desaparecer. Durante la historia de la humanidad se han detonado unas 1500 bombas atómicas (mas o menos 30 de ellas en la atmósfera), liberando ingentes cantidades de Cesio-137 y Estroncio-90 (Cuando el Uranio se divide en dos, normalmente lo hace en Cesio-137 y Estroncio-90). Durante la década de los 60-70 se detonaron tantas bombas que saltó la alarma, en varios países nórdicos, los niveles de Cs-137 eran realmente preocupantes.

La tecnología evoluciona rápidamente; el 1 de Noviembre de 1952, los americanos prueban con éxito a “Mike”, la primera bomba termonuclear de la Historia. Fue detonada en las Islas Marshall, bajo el proyecto Manhattan.Una bomba termonuclear en lugar de fisionar material muy pesado,  fusiona material muy ligero, isotopos del Hidrógeno, por ejemplo, la energía liberada es mucho mayor. Sin embargo y aunque la reacción es muy energética, hace falta una gran cantidad de energía inicial, Para conseguir esa energía inicial se usa una bomba de fisión, que proporciona suficiente energía para iniciar la fusión.

Plutonio en planta nuclear japonesa

 Estoy conciente de que éste es un artículo que explica muy breve la teoria nuclear y uno de sus usos, aquí no hablo sobre reactores nucleares, contaminacion medioambiental y peligro para la salud de seres vivos asi como también una explicación más detallada acerca de la radiactividad, pero eso es materia de fisica nuclear, la cual con el tiempo complementaré en éste u artículos futuros.

Estoy abierto a cualquier pregunta, sugerencia o corrección que a bien tengan hacerme en éste u otros artículos de éste blog.

WEBGRAFIA Y BIBLIOGRAFIA

Imágenes: internet y wikipedia

Videos: youtube

referencias en: www.eltamiz.com

Fisica general de Frederick J Bueche (Ed Mc Graw Hill)

Fisica universitaria de Resnick - Hollyday

Dias que marcaron el mundo - Documental sobre los ataques nucleares en Hiroshima y Nagasaki (BBC - London)