E’ micidiale

Bomba atomica

Da Wikipedia, l’enciclopedia libera.

Il fungo atomico, causato da “Fat Man” su Nagasaki, raggiunse i 19 km di altezza, 9 agosto 1945

Bomba atomica (“bomba A” secondo una terminologia originaria) è il nome comune della bomba a fissione nucleare, un ordigno esplosivo la cui energia è prodotta dalla reazione a catena della fissione nucleare. Si tratta di un processo di divisione del nucleo atomico tramite neutroni di un elemento detto fissile in due o più nuclei leggeri. Nella bomba atomica, se la quantità di materiale fissile è sufficiente, durante la fissione si liberano altri neutroni capaci, a loro volta, di colpire nuovi nuclei, creando una reazione a catena e liberando quindi una enorme quantità di energia in un tempo brevissimo.

Appartiene al gruppo delle armi nucleari, un insieme che include anche le armi basate sull’altro principio di reazione nucleare, cioè le bombe a fusione nucleare.

Nell’uso moderno il termine “bomba atomica” (talvolta “bomba nucleare“) viene usato anche per indicare armi di quest’ultimo tipo, in quanto sono quelle che formano quasi interamente gli arsenali nucleari di oggi. Questa voce descriverà principalmente le armi del primo tipo, cioè le bombe a fissione, il cui meccanismo costituisce comunque anche l’innesco delle bombe a fusione e quindi è contenuto anche in queste ultime.

La bomba atomica può essere un’arma di distruzione di massa, la comunità internazionale perciò limita e sanziona la produzione di tali armi con il Trattato di non proliferazione nucleare[1].

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

La reazione a catena di fissione dei nuclei avviene in forma “incontrollata” (cioè rapidissimamente divergente) in una massa di “materiale fissile”, in pratica uranio 235 o plutonio 239 con sufficiente grado di purezza. Questi particolari materiali, elementi radioattivi dal nucleo instabile, hanno la proprietà di generare una reazione nucleare a catena, cioè un fenomeno a cascata in cui lo spezzarsi di un nucleo atomico produce come effetto la scissione (rottura di un legame fisico) di altri nuclei di atomi vicini. Ciò avviene statisticamente solo quando il numero di atomi è sufficientemente grande cioè la quantità di materiale supera una certa “massa critica”. Nell’istante in cui la massa viene resa “super-critica” essa libera una quantità di energia enorme in un tempo brevissimo. L’esplosione è devastante proprio per le enormi quantità di energia liberate nelle reazioni nucleari, dell’ordine di milioni di volte superiori a quelle in gioco nelle reazioni chimiche.

La reazione incontrollata si differenzia dai processi nucleari a catena che avvengono in un reattore nucleare per la produzione di energia elettrica, per l’andamento del processo rispetto al tempo. In un reattore la reazione nucleare viene mantenuta sempre al di sotto di una soglia di criticità, in uno stato stabile, ovvero controllato, cioè in cui l’energia viene liberata in modo costante nel corso del tempo senza alcuna possibilità di esplosione.

Nell’uso comune talvolta il nome “bomba atomica” è impropriamente impiegato per altre armi nucleari, di potenza simile o superiore, includendo così anche le bombe che utilizzano l’altro tipo di reazione nucleare, la fusione termonucleare 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 termonucleare sono chiamate bombe H o bombe all’idrogeno, o anche raggruppate nella definizione di “armi termonucleari”. Le armi nucleari presenti negli arsenali contemporanei sono praticamente tutte di quest’ultimo tipo. La bomba a fissione però è comunque una componente fondamentale delle armi termonucleari stesse, costituendone il cuore o l’innesco, le armi termonucleari sono perciò bombe a “due stadi”. Questo perché la fusione di nuclei leggeri può essere innescata solo con energie altissime, e la bomba a fissione è l’unico dispositivo capace di produrre gli altissimi valori di pressione e temperatura indispensabili per innescare la reazione di fusione termonucleare.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa-energia, espresso dall’equazione E=mc² prevista nella teoria della relatività ristretta di Albert Einstein. Questa equivalenza generica suggerisce in linea di principio la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea.

Successivamente, si avanzò l’ipotesi che alcune reazioni che implicano questo principio potevano effettivamente avvenire all’interno dei nuclei atomici. Il “decadimento” dei nuclei provoca un rilascio di energia. L’idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta in seguito alla scoperta del neutrone. Alcune delle principali ricerche in questo campo furono condotte in Italia da Enrico Fermi.[2]

Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti d’America (Enrico Fermi, Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner) si preoccupò del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939, gli scienziati Fermi e Szilard, in base ai loro studi teorici, persuasero Albert Einstein a scrivere una lettera al presidente Roosevelt per segnalare che c’era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione ed era probabile che il governo tedesco avesse già disposto delle ricerche in materia. Il governo statunitense cominciò così a interessarsi alle ricerche.

Modello della prima bomba atomica al plutonio (nome in codice “The Gadget“) impiegata nel “Trinity test”.

Enrico Fermi proseguì negli Stati Uniti nuove ricerche sulle proprietà di un isotopo raro dell’uranio, l’uranio 235, fino a ottenere la prima reazione artificiale di fissione a catena autoalimentata: il 2 dicembre 1942, il gruppo diretto da Fermi assemblò a Chicago la prima “pila atomica” o “reattore nucleare a fissione” che raggiunse la condizione di criticità, costituito da una massa di uranio naturale e grafite disposti in maniera eterogenea.

Pochi mesi prima, nel giugno del 1942, in base ai calcoli fatti in una sessione estiva di fisica all’università della California guidata da Robert Oppenheimer, si era giunti alla conclusione che era teoricamente possibile costruire una bomba che sfruttasse la reazione di fissione a catena. La sua realizzazione tecnica richiedeva però enormi finanziamenti.

Gran parte dell’investimento sarebbe servito per produrre uranio sufficientemente “arricchito” del suo isotopo 235, o una quantità sufficiente di plutonio 239. I calcoli indicavano infatti che per produrre una massa critica occorreva una percentuale di arricchimento, cioè una concentrazione di isotopo fissile, molto più alta di quella necessaria per un reattore nucleare.

La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan). Per produrre i materiali fissili, l’uranio 235 e il plutonio 239, furono costruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell’epoca. I materiali (escluso il plutonio prodotto nei reattori dei laboratori di Hanford nello stato del Washington e l’uranio prodotto nei laboratori di Oak Ridge) e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto del Nuovo Messico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo, molti dei quali profughi dall’Europa.

“The Gadget” al “Trinity Site” in Alamogordo, New Mexico.

La prima bomba al plutonio (nome in codice “The Gadget“) fu fatta esplodere nel “Trinity test” il 16 luglio 1945 nel poligono di Alamogordo, in Nuovo Messico. La prima bomba, all’uranio, (“Little Boy“) fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba, al plutonio, denominata in codice “Fat Man“, fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945. Questi sono stati gli unici casi d’impiego bellico di armi nucleari, nella forma del bombardamento strategico.

L’Unione Sovietica recuperò rapidamente il ritardo; Stalin attivò la cosiddetta operazione Borodino che, grazie alla ricerca sovietica e anche all’apporto di spie occidentali, raggiunse inattesi successi. La prima bomba a fissione venne sperimentata il 29 agosto 1949, ponendo così fine al monopolio degli Stati Uniti d’America. La Gran Bretagna, la Francia e la Repubblica Popolare Cinese sperimentarono un ordigno a fissione rispettivamente nel 1952, nel 1960 e nel 1964. Israele costruì la prima arma nel 1966, si ritiene effettuò un test insieme al Sudafrica nel 1979, e il suo arsenale è tuttora non dichiarato. L’India effettuò il suo primo test nel 1974. Il Pakistan cominciò la produzione di armi nucleari nel 1983 ed effettuò un test nel 1998. La Corea del Nord effettuò un primo test nel 2006. Le testate nucleari, basate sia sul principio della fissione nucleare che della fusione termonucleare possono essere installate, oltre che su bombe aeree, su missili, proiettili d’artiglieria, mine o siluri.

Nel 1955 fu compilato il Manifesto di Russell-Einstein: Russel e Einstein promossero una dichiarazione invitando gli scienziati di tutto il mondo a riunirsi per discutere sui rischi per l’umanità prodotti delle armi nucleari.

Il Sudafrica, che aveva cominciato la produzione di bombe atomiche nel 1977, è stato l’unico paese a cancellare volontariamente il suo programma nucleare nel 1989, smantellando sotto il controllo dell’AIEA tutte le armi che aveva già costruito.

Principio di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Fissione nucleare.

Il principio della bomba atomica è la reazione a catena di fissione nucleare, il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi con massa atomica superiore a 230 si può dividere (fissione) in due o più nuclei di elementi più leggeri quando viene colpito da un neutrone libero. La fissione si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena, se i nuclei fissili sono tanto numerosi e vicini fra loro da rendere probabile l’ulteriore collisione dei neutroni liberati con nuovi nuclei fissili. Gli isotopi che è possibile utilizzare nella pratica sono l’uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono i materiali fissili per eccellenza.

Quando un neutrone libero colpisce un nucleo di U235 o di Pu239, viene catturato dal nucleo per un tempo brevissimo, rendendo il nucleo composto instabile: questo si spezza entro 10−12 secondi in due o più nuclei di elementi più leggeri, liberando contestualmente da due a quattro neutroni. Circa l’uno per cento della sua massa viene convertita in energia sotto forma principalmente di fotoni ed energia cinetica dei nuclei leggeri residui e dei neutroni liberi, per un totale di circa 200 MeV.

I neutroni liberati dal processo possono urtare a loro volta altri nuclei fissili presenti nel sistema, che quindi si fissionano liberando ulteriori neutroni e propagando la reazione a catena in tutta la massa di materiale. Come già detto però la reazione a catena avviene se e solo se la probabilità di cattura dei neutroni da parte dei nuclei fissili è sufficientemente alta, cioè se i nuclei sono numerosi, molto vicini fra loro e le perdite per fuga dal sistema sono opportunamente ridotte. Questo si ottiene, tipicamente, mettendo insieme in una geometria a basso rapporto superficie/volume una certa quantità di uranio (o plutonio) metallico altamente “arricchito”, in cui cioè l’isotopo fissile è presente in concentrazione molto più alta di quella naturale, addirittura superiore al 90% del totale, in quantità tale da superare la cosiddetta “massa critica“.

Il valore esatto della “massa critica” dipende dall’elemento scelto, dal grado del suo arricchimento e dalla forma geometrica (una schermatura che circonda la massa stessa impedendo la fuga di neutroni può contribuire anch’essa a diminuirne il valore). Orientativamente è dell’ordine alcuni chilogrammi.[3]

Nella testata di una bomba atomica il materiale fissile è tenuto separato in più masse sub-critiche, oppure foggiato in una forma geometrica a guscio sferico cavo, che rende la massa sub-critica grazie all’alto rapporto superficie/volume tale da rendere sfavorevole il bilancio neutronico.

La bomba viene fatta detonare concentrando insieme il materiale fissile per mezzo di esplosivi convenzionali che portano istantaneamente a contatto le varie masse o fanno collassare il guscio sferico, unendo così il materiale in una massa super-critica. Al centro del sistema è collocato anche un “iniziatore”, un piccolo dispositivo in berillio contenente qualche grammo di una sostanza fortemente emissiva di neutroni come il polonio, un sistema che aiuta l’esplosione irraggiando la massa con un’ondata di neutroni al momento giusto. La testata è eventualmente rivestita esternamente con uno schermo in berillio, che riflette parzialmente i neutroni che altrimenti verrebbero persi all’esterno.

Energia e potenza dell’ordigno nucleare sono funzioni dirette della quantità di materiale fissile e della sua percentuale di arricchimento, così come della efficienza dell’arma (cioè la percentuale di materiale che effettivamente subisce la fissione) quest’ultima determinata dalla qualità o dalla taratura del suo sistema di detonazione.

La massa di materiale fissile in una bomba atomica è detta nòcciolo.

Reazione a catena[modifica | modifica wikitesto]

Esempio di reazione nucleare: un neutrone urta contro un atomo di uranio 235 formando un atomo instabil di uranio 236. Questo a sua volta si spacca in Cromo 92, Bario 141 e libera tre neutroni.

Diagramma della reazione nucleare.

La reazione nucleare a catena indotta da neutroni, in una massa di 235U avviene secondo uno schema di questo tipo:

235U + n → 236U "instabile" → 141Ba + 92Kr + 3 n + 200 MeV

Si hanno perciò i seguenti “prodotti di fissione”:

Elementi più leggeri. La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio (235U) quando viene colpito da un neutrone (n). L’effetto della cattura da parte del nucleo è la trasformazione di quest’ultimo in un isotopo più pesante (236U) che però dura solo un tempo brevissimo dopodiché l’elemento instabile si spezza formando due nuovi elementi. Gli elementi indicati nella seconda parte della formula sono il risultato relativamente più frequente della scissione, ma si possono formare anche elementi diversi a seconda del modo del tutto casuale in cui il nucleo si divide: accanto alla fissione dell’Uranio 235 in Bario 141 e Kripton 92 (riportata nel diagramma a fianco), se ne possono quindi verificare molte altre, ciascuna delle quali può comportare un numero di emissioni di neutroni che varia, di norma, da 2 a 4. Vediamo allora alcune delle reazioni nucleari che hanno luogo bombardando il nucleo dell’Uranio 235 con un neutrone, opportunamente rallentato, senza dimenticare però che le combinazioni possibili dei prodotti di fissione sono più di 40:

235U + n → 236U "instabile" → 137Te + 97Zr + 2 n + 200 MeV
235U + n → 236U "instabile" → 94Sr + 140Xe + 2 n + 200 MeV
235U + n → 236U "instabile" → 93Sr + 140Xe + 3 n + 200 MeV
235U + n → 236U "instabile" → 127Sn + 105Mo + 4 n + 200 MeV
(dove: Sr = Stronzio; Xe = Xeno; Te = Tellurio; Zr = Zirconio; Sn = Stagno; Mo = Molibdeno).

La maggior parte di questi elementi a loro volta sono isotopi instabili, perciò sono radioattivi e soggetti a ulteriore decadimento. Alcuni di questi risultano estremamente pericolosi per l’ambiente e la salute umana (frequenti sono il Cesio 137, lo Stronzio 90 e lo Iodio 131) data la facilità con cui tendono ad accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.Fra i prodotti di fissione particolare importanza riveste lo Xeno 135, che viene generato sia come prodotto primario della fissione nucleare (nello 0.3% dei casi) sia più spesso (e cioè nel 5.6% delle fissioni termiche dell’Uranio 235) come decadimento del Tellurio 135, il quale subisce una serie di decadimenti beta, secondo il seguente schema:

135Te → 135I → 135Xe → 135Ce → Ba (stabile)

La sovraproduzione di Xeno 135 – o, più correttamente, l’incapacità degli ingegneri nucleari a interpretare correttamente tale dato – è stata una delle cause determinanti del disastro di Černobyl’. Lo Xeno 135, infatti, ha una elevata sezione di assorbimento per i neutroni termici, pari a circa 3.5×106 barn: tale sua caratteristica è in grado di “dissimulare” il livello reale della potenza della fissione nucleare in corso, determinando, in chi non conosce il comportamento di tale isotopo radioattivo, una sottovalutazione dello stadio della reazione a catena. A tal proposito è importante sottolineare come il procedimento di fissione nucleare che caratterizza la bomba atomica è il medesimo che consente la produzione dell’energia termoelettrica nei reattori nucleari civili: a conferma di ciò si osservi come il primo reattore nucleare civile – se si fa eccezione, naturalmente, per la Chicago Pile-1 sperimentata da Enrico Fermi il 2 dicembre 1942 per motivi di ricerca nell’ambito del Progetto Manhattan – è stato l’AM-1 (“Атом Мирный”, Atom Mirny, e cioè “Atomo Pacifico”, a riprova che sino a quel momento la fissione nucleare era stata impiegata esclusivamente a scopo bellico), costruito nel 1954 ad Obninsk, in Unione Sovietica, aggiungendo a un reattore nucleare militare “weapon-grade” (contenente cioè almeno il 90% di Plutonio 239) una turbina da 5MW.

Neutroni liberi. Ai nuovi elementi prodotti dalla reazione si aggiungono sempre da due a quattro neutroni liberi, che a loro volta possono venire catturati da altri nuclei fissili che si trovano all’interno della massa, e perciò li rendono instabili e contribuiscono a proseguire la reazione di fissione.

Energia. Per ciascun nucleo che si scinde, nel modo indicato dalla formula, si producono circa 200 MeV di energia, di cui circa 170 MeV sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione e dei neutroni liberati. Più precisamente:

165 MeV per l'energia cinetica dei nuovi atomi formatisi a seguito della fissione;
5 MeV per l'energia cinetica dei neutroni;
8 MeV per l'energia della radiazione gamma istantanea;
5 MeV per l'energia di decadimento beta dei prodotti di fissione;
6 MeV per l'energia di decadimento gamma dei prodotti di fissione;
11 MeV per l'energia cinetica dei neutrini;

Questa rilevante produzione di energia è legato al fatto che la somma delle masse risultanti (frammenti di fissione e neutroni) è leggermente inferiore alla massa iniziale del nucleo e del neutrone che ha generato la fissione: una piccolissima percentuale di questa massa risulta perduta, “trasformata” in energia.La quantità di energia rilasciata dalle reazioni nucleari è molto più grande di quella delle reazioni chimiche in rapporto alla quantità di materia coinvolta. L’energia di legame all’interno dei nuclei (interazione forte) è molto più intensa di quella che lega tra loro gli elettroni esterni di due atomi. L’energia di legame all’interno dei nuclei è una misura di massa. Nel principio di equivalenza E=mc², poiché il secondo termine dell’uguaglianza è una grandezza enorme (a causa del valore della costante “c”, la velocità della luce nel vuoto, pari a 299 792 458 m/s) l’energia “E” risulta enorme in confronto ad una piccola massa “m”.Per confronto, in una molecola d’acqua il legame degli atomi di idrogeno può produrre una energia di circa 16 eV, dieci milioni di volte inferiore a quella liberata dal nucleo di uranio. Un grammo di U 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 1010 joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: