Come funziona una bomba atomica?

La bomba atomica è un’arma che esplode tramite una reazione chimica di fissione o fusione. Con la fissione vengono spaccati degli atomi e la loro rottura libera moltissima energia che risulta nell’enorme esplosione. Con la fusione gli atomi vengono invece fusi, come nelle stelle, liberando molta più energia. Le bombe di Hiroshima e Nagasaki erano a fissione. La bomba H è a fusione.

Quando pensiamo a una bomba, immaginiamo la polvere da sparo, la miccia e il grande botto.

Con una bomba atomica questo è vero solo in parte perchè, nonostante sia presente della comune polvere da sparo al suo interno, vedremo più avanti per quale scopo, non è quella che genera il botto.

La grande energia liberata da una bomba atomica deriva dal plutonio o dall’uranio. Nel caso delle bombe che furono sganciate su Hiroshima e Nagasaki, si usò Uranio 235 e Plutonio 239.

L’uranio e il plutonio contenuti in una bomba atomica arrivano ad eplodere, liberando un quantitativo enorme di energia, grazie al processo della fissione.

Fissione vuol dire scindere, spaccare; nel qual caso, si spaccano atomi di Uranio o Plutonio.

Alcuni scienziati, di cui parleremo più avanti, si accorsero che sparando neutroni contro gli atomi di Plutonio o Uranio, questi si dividevano dando origine ad altri elementi più leggeri. La loro rottura rilasciava un enorme quantitativo di energia insieme ad altri neutroni (che rientrano nel novero delle radiazioni ionizzanti).

Anche le centrali nucleari sfruttano la fissione, ma l’energia rilasciata in quel caso viene utilizzata per creare vapore per alimentare le turbine e produrre energia elettrica.

Immagine tratta dall’articolo “Energia Nucleare”, Chimica-online.it

E se i neutroni liberati dalla prima fissione colpissero un altro atomo di uranio e da questo un altro ancora? Avrei una reazione a catena e un quantitativo conseguente di energia liberata enorme.

Per ottenere questo effetto bisogna avere un’alta probabilità che i neutroni della fissione intercettino altri atomi di uranio e questo lo si ottiene mettendo tanti atomi vicini tra loro.

Qual è quindi la massa minima di uranio che devo avere perchè parta la reazione a catena? 

Questo quantitativo minimo per scatenare la reazione a catena è detto massa critica ed è la base per l’esplosione di una bomba atomica o il funzionamento di una centrale nucleare.

La differenza sta nel fatto che la reazione a catena in una centrale nucleare viene tenuta sotto controllo, in una bomba atomica no.

E no, l’esplosione di Chernobyl non fu un’esplosione atomica.

La bomba atomica che fu sganciata su Hiroshima non era uguale a quella che fu sganciata su Nagasaki. 

Entrambe funzionavano tramite fissione certo, ma il modo in cui questa veniva azionata era diverso.

La risposta è: la massa critica deve essere raggiunta SOLO nel momento esatto in cui voglio che la bomba atomica esploda.

Per “Little Boy”, questo è il nome che fu dato alla bomba sganciata su Hiroshima, il dispositivo di temporizzazione che fu ideato fu quello che trovi nello schema sotto.

Al centro della bomba c’era un canale che correva lungo la sua lunghezza e ai capi 2 masse di uranio, entrambe sotto la massa critica, quindi non pericolose. Sommate insieme invece, costituivano la massa critica, la fissione a valanga partiva e la bomba atomica esplodeva.

Come ricongiungere le 2 parti di Uranio? Una di esse era posizionata davanti a della comunissima polvere da sparo che, una volta esplosa, avrebbe spinto la prima massa di Uranio contro la seconda, dando il via alla fissione.

L’innesco fu azionato da un dispositivo barometrico che, una volta raggiunta l’altitudine stabilita, mandò una scarica elettrica alla polvere da sparo per spingere le 2 masse insieme.

La bomba atomica sganciata su Nagasaki, battezzata “Fat Man” non era a Uranio, ma a Plutonio.

L’innesco della reazione era sempre con della convenzionale polvere da sparo, ma non c’era più il canale di scorrimento.

L’interno di “Fat Man” si presentava così

Una palla di Plutonio circondata da cariche esplosive. Al momento della detonazione della polvere da sparo, l’esplosione avrebbe premuto sulle pareti della palla di Plutonio aumentando comprimendola.

La palla sarebbe stata schiacciata quel tanto che bastava per avvicinare gli atomi tra loro e “creare” la massa critica, avviando la reazione di fissione a catena e facendo esplodere la bomba atomica.

Nel 1939 scoppia la seconda guerra mondiale e negli Stati Uniti gli eventi prendono una piega decisiva.

La Germania nazista stava già finanziando un progetto per la realizzazione di una bomba atomica e non si poteva consentire che ci arrivassero per primi.

Szilard, un fisico che aveva lavorato con Fermi sulla fissione, si fece presentare un certo Alexander Sachs, economista nella cerchia di consiglieri di Franklin Delano Roosvlet, l’allora presidente degli Stati Uniti d’America.

Gli spiegò la situazione e scrissero insieme una lettera da presentare a Roosvlet, coinvolgendo persino Einstein, per dare maggiore peso.

La lettera raggiunse il presidente che, il 12 ottobre 1939 acconsentì a scrivere le storia come noi la conosciamo. Era nato il Progetto Manhattan

L’obiettivo degli scienziati coinvolti nel Manhattan Engeneering Discritct -questo era il nome ufficiale- era quello di costruire una bomba che letteralmente spazzasse via i nazisti.

Robert Oppenheimer, fisico americano, fu nominato direttore scientifico del progetto e riunì una serie di scienziati tra cui anche Enrico Fermi, a cui fu affidato il compito di creare un sistema che permettesse alla reazione di autosostenersi per poi esplodere.

Il team di Fermi costruì una una specie di reattore enorme nel campo da squash dell’università di Chicago e il 2 dicembre 1942 avvenne la prima reazione nucleare del mondo autosostenuta. Durò 28 minuti. Questo momento viene comunemente considerato l’avvio dell’era dello sfruttamento dell’energia atomica.

Illustrazione dell’accensione della pila atomica nel campo da squash dell’Università di Chicago tratta da “La pila atomica”, Galileo2001.it. La riproduzione fotografica dell’evento fu impedita a causa delle radiazioni. 

Le sfide non erano assolutamente finite. Una bomba atomica non deve avere una reazione stabile, ma deve esplodere. La reazione di fissione deve essere incontrollabile. L’uranio usato da Fermi, che è quello che si trova in natura, non esplode.

È infatti composto da 2 isotopi: uranio-238 (99,3%) non esplosivo e uranio-235 (0,7%) esplosivo.

Gli scienziati calcolarono però che bastava appena un chilo di uranio-235 per far esplodere una bomba atomica. Il problema diventò quindi: come estrarre l’uranio-235 dall’uranio naturale?

Si misero a lavoro laboratori e università in tutta america e trovarono il modo, scoprendo inoltre che si poteva utilizzare l’uranio-238, abbondantissimo, per fabbricare un nuovo elemento inesistente in natura: plutonio, anche questo molto esplosivo.

Il metodo per estrarre uranio-235 e plutonio fu alla fine trovato.

Ora serviva un posto dove assemblare la bomba atomica e fare dei test. Fu così tirato su, nel deserto, nel mezzo del nulla, il laboratorio di Los Alamos, New Mexico, con il nome in codice di Progetto o sito Y.

È a Los Alamos che furono assemblate le bombe denominate “Little Boy” e “Fat Man”, rispettivamente ad uranio-235 con innesco “gun type” e plutonio con innesco ad implosione (vedi capitolo precedente).

Con il progetto Manhattan, il governo americano ha stanziato una montagna di soldi per finanziare laboratori, ricercatori e università in tutta America per arrivare alla bomba atomica prima dei nazisti. E ci riuscirono.

Tutta la ricerca fatta non fu però buttata, ma proseguì. Il filone avviato da Fermi con la pila di Chicago diede il via allo sfruttamento delle reazioni di fissione controllate per produrre energia elettrica nelle centrali nucleari.

Un altro filone fu quello bellico. Creare una bomba atomica sempre più potente e, purtroppo, anche in questo abbiamo avuto successo. Questa bomba, chiamata termonucleare, è una bomba atomica convenzionale alla quale si somma la fusione degli atomi di idrogeno (da cui H), come avviene nel sole.

Nella fucina del sole si fondono atomi di idrogeno per produrre elio. È dunque l’opposto della fissione. Fondere 2 atomi tra di loro è una cosa estremamente più difficile che spaccarli in 2 e il sole riesce a farlo concentrando al suo centro pressioni e temperature enormi.

Una bomba termonucleare sfrutta il calore e la pressione sprigionati da una normale bomba atomica per avviare la fusione del deuterio e del trizio, i 2 isotopi dell’idrogeno che generano, una volta uniti, l’elio.

L’energia della fissione si somma quindi a quella della fusione, in una bomba che fa impallidire quelle che furono sganciate su Hiroshima e Nagasaki.

Per la fusione bisogna ricreare condizioni di pressione e temperatura enormi. A questo pensa il primo stadio della bomba h, vale a dire una bomba atomica al plutonio come quella di Nagasaki.

La sua detonazione alza temperatura e pressione all’interno della bomba ricreando condizioni favorevoli per la fusione di deuterio e trizio.

Scatta il secondo stadio, deuterio e trizio si fondono liberando un quantitativo di energia enorme e altri neutroni che alimentano ulteriormente la fissione, che spinge ancora di più la fusione, in un rimpallo mortale.

Tutta questa teoria trovò un riscontro pratico nell’ottobre del 1961, quando la Russia fece detonare la prima bomba ad idrogeno a scopo di test.

Le conseguenze furono catastrofiche: il fungo fu visibile a 800 km di distanza (é la distanza che separa Milano da Napoli) alzandosi per 50 km (gli aerei volano a 11 Km). Il flash fu visibile a 500 km di distanza e qualunque cosa si sia trovata nel raggio di 35 km fu annichilita.

Per intenderci, se fosse sganciata sopra il centro di Roma, qualunque cosa vivesse entro il cerchio rosso sarebbe cancellata dalla faccia della terra.

Il progetto Manhattan è la chiara dimostrazione che, se un governo decide di far convergere i propri sforzi verso un unico obiettivo, coinvolgendo e finanziando università, ricercatori, laboratori in tutto il paese, nessuna sfida è troppo ardua.

Fa venire da pensare in quanto poco tempo le “grandi” sfide del nostro tempo potrebbero essere arginate, se non risolte, se solo lo si volesse.

Detto questo, non mi resta che augurarti di rimanere sempre curioso.

Davide