Bombă atomică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Norul de ciuperci, cauzat de „ Fat Man ” pe Nagasaki , a atins 1,8 km înălțime, 9 august 1945

Bomba atomică (numită și „O bombă” conform unei terminologii învechite, sau uneori menționată sub denumirea necorespunzătoare „bombă nucleară”) este denumirea prin care este indicată în mod obișnuit bomba de fisiune nucleară. Este un dispozitiv exploziv aparținând grupului de arme nucleare , a cărui energie este produsă în totalitate de o reacție în lanț de fisiune nucleară . Termenul este, de asemenea, utilizat în mod obișnuit pentru a indica armele termonucleare , deoarece acestea constituie aproape în totalitate arsenalele nucleare actuale.

Funcționarea acestor dispozitive se bazează pe reacția de fisiune nucleară , un proces de divizare a nucleului atomic , care are loc într-un element greu numit fisibil , în doi sau mai mulți nuclei cu masă inferioară, în urma coliziunii cu un neutron liber. Ruptura nucleului produce la rândul său, pe lângă elemente mai ușoare, și câțiva neutroni liberi suplimentari, precum și o cantitate foarte semnificativă de energie. Dacă materialul fissil are un grad suficient de concentrație și se află într-o masă suficient de mare, numită „masă critică”, neutronii liberi produși la rândul lor sunt capabili să lovească noi nuclee ale elementului fissil, producând o reacție în lanț necontrolată care se propagă în întreaga masă de material care eliberează o cantitate enormă de energie într-un timp foarte scurt.

Bomba atomică este o armă de distrugere în masă , a cărei producție limitează și sancționează comunitatea internațională prin intermediulTratatului de neproliferare nucleară [1] .

Istorie

Fundamentul teoretic este principiul echivalenței masă-energie, exprimat prin ecuația E = mc² prevăzută în teoria relativității speciale a lui Albert Einstein . Această echivalență generică sugerează în principiu posibilitatea transformării directe a materiei în energie sau invers. Einstein nu a văzut nicio aplicație practică a acestei descoperiri. Cu toate acestea, el a simțit că principiul echivalenței masă-energie ar putea explica fenomenul radioactivității , adică anumite elemente emit energie spontană.

Ulterior, s-a avansat ipoteza că unele reacții bazate pe acest principiu ar putea avea loc de fapt în interiorul nucleelor ​​atomice. „Dezintegrarea” nucleelor ​​provoacă eliberarea de energie. Ideea că o reacție nucleară ar putea fi produsă și artificial și masiv, sub forma unei reacții în lanț, a fost dezvoltată în a doua jumătate a anilor 1930, după descoperirea neutronului . Unele dintre principalele cercetări în acest domeniu au fost realizate în Italia de Enrico Fermi . [2]

Un grup de oameni de știință europeni care s-au refugiat în Statele Unite ale Americii ( Enrico Fermi , Leó Szilárd , Edward Teller și Eugene Wigner ) s-au îngrijorat de posibila dezvoltare militară a acestui principiu. În 1939 , oamenii de știință Fermi și Szilard, pe baza studiilor lor teoretice, l-au convins pe Albert Einstein să scrie o scrisoare președintelui Roosevelt pentru a semnala că există o ipotetică posibilitate de a construi o bombă folosind principiul fisiunii și că era probabil ca guvernul german să aibă deja cercetări aranjate pe această temă. Guvernul SUA a început astfel să se intereseze de cercetare.

Modelul primei bombe atomice de plutoniu (denumită în cod „ The Gadget ”) folosită în testul Trinity .

Enrico Fermi a continuat în Statele Unite noi cercetări privind proprietățile unui izotop rar al uraniului, uraniul-235, până când a obținut prima reacție artificială de fisiune în lanț auto-alimentată: la 2 decembrie 1942 , grupul condus de Fermi a reunit la Chicago primul „teanc atomic” sau „ reactor de fisiune nucleară ” care a atins starea critică, constând dintr-o masă de uraniu natural și grafit dispuse eterogen.

Cu câteva luni mai devreme, în iunie 1942, pe baza calculelor făcute într-o sesiune de fizică de vară la Universitatea din California condusă de Robert Oppenheimer , s-a ajuns la concluzia că era teoretic posibilă construirea unei bombe care să exploateze reacția în lanț a fisiunii. Cu toate acestea, implementarea sa tehnică a necesitat o finanțare enormă.

O mare parte din investiții s-ar fi îndreptat către producerea de uraniu suficient de „îmbogățit” cu izotopul său 235, sau o cantitate suficientă de plutoniu-239. De fapt, calculele au indicat că pentru a produce o masă critică a fost necesar un procent de îmbogățire, adică o concentrație de izotop fisibil, mult mai mare decât cea necesară pentru un reactor nuclear.

Prima bombă atomică a fost realizată cu un proiect dezvoltat în secret de guvernul Statelor Unite. Programul și-a asumat o scară industrială în 1942 (vezi Proiectul Manhattan ). Pentru producerea materialelor fisionabile, uraniu-235 și plutoniu-239, au fost construite plante gigantice la un cost total de două miliarde de dolari în acel moment. Materialele (cu excepția plutoniului produs în reactoarele laboratoarelor Hanford din statul Washington și uraniul produs în laboratoarele Oak Ridge ) și dispozitivele tehnice, în principal detonatorul de implozie, au fost produse în laboratoarele din Los Alamos , un centru creat pentru scopul.în deșertul New Mexico . Proiectul a fost condus de Robert Oppenheimer și a inclus fizicieni de frunte din lume, mulți dintre ei refugiați din Europa.

„The Gadget” la „Trinity Site” din Alamogordo , New Mexico .

Prima bombă de plutoniu (denumită în cod „ The Gadget ”) a fost detonată în „ testul Trinity ” pe 16 iulie 1945 la gama Alamogordo din New Mexico. Prima bombă cu uraniu („ Băiețelul ”) a fost aruncată în centrul orașului Hiroshima la 6 august 1945 . A doua bombă de plutoniu, cu numele de cod „ Fat Man ”, a fost aruncată pe Nagasaki pe 9 august 1945 . Acestea au fost singurele cazuri de utilizare militară a armelor nucleare , sub formă de bombardament strategic .

Uniunea Sovietică a ajuns rapid din urmă; Stalin a activat așa-numita operațiune Borodino care, datorită cercetărilor sovietice și, de asemenea, contribuției spionilor occidentali, a obținut succese neașteptate. Prima bombă de fisiune a fost testată pe 29 august 1949 , punând astfel capăt monopolului Statelor Unite. Marea Britanie , Franța și China au testat un dispozitiv de fisiune în 1952 , 1960 și respectiv 1964 . Israelul a construit prima armă în 1966 , se crede că a fost testată împreună cu Africa de Sud în 1979 , iar arsenalul său este încă nedeclarat. India a efectuat primul său test în 1974 . Pakistanul a început producția de arme nucleare în 1983 și a efectuat un test în 1998 . Coreea de Nord a efectuat un prim test în 2006 . Pot fi instalate focoasele nucleare, ambele bazate pe principiul fisiunii nucleare, cel al fuziunii termonucleare , precum și pe bombele aeriene , pe rachete , artileria proiectilelor , minele sau torpilele .

În 1955, a fost compilat Manifestul Russell-Einstein : Russell și Einstein au promovat o declarație prin care invitau oamenii de știință din întreaga lume să se reunească pentru a discuta despre riscurile pentru umanitate ale armelor nucleare.

Africa de Sud , care a început să producă bombe atomice în 1977 , a fost singura țară care și-a anulat voluntar programul nuclear în 1989 , demontând toate armele pe care le construise deja sub controlul AIEA .

Descriere

Reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​are loc într-o formă necontrolată (adică foarte rapid divergentă) într-o masă de material fisibil, în practică uraniu-235 sau plutoniu-239 , cu un grad suficient de puritate. Nucleul acestor izotopi particulari, elemente radioactive și grele, nu este complet stabil. Aceasta are proprietatea de a putea capta un neutron liber care ar trebui să se ciocnească cu el la o viteză suficient de mică. Capturarea este imediat urmată de ruperea foarte rapidă a nucleului în mai multe fragmente, inclusiv alți neutroni, care sunt, de asemenea, suficient de „lente” pentru a fi captate de nucleele din apropiere.

O masă metalică compusă în întregime, sau aproape în totalitate din acești atomi, are proprietatea de a genera o reacție nucleară în lanț, adică o repetare a evenimentelor în care ruperea unui nucleu atomic cauzată de o coliziune cu un neutron liber eliberează la rândul său neutroni liberi care produc divizarea nucleelor ​​atomilor vecini. Procesul se repetă dând o progresie exponențială. Acest lucru se întâmplă numai cu condiția ca în vecinătatea fiecărui atom fissil să existe un număr suficient de mare de alți atomi izotopi fisili, astfel încât probabilitatea statistică a unor coliziuni ulterioare să fie mai mare de 1. Adică, masa materialului fissil trebuie să fie suficient de mare (trebuie să conțină un număr suficient de mare de atomi) și atomii trebuie să fie suficient de apropiați, adică elementul trebuie să fie suficient de „concentrat” (concentrația izotopului fisibil se numește îmbogățirea acestui element).

Atunci când o masă suficient de pură (îmbogățită) a elementului fissil este într-o cantitate suficient de mare, are loc o reacție nucleară în lanț în mod spontan: se spune că materialul depășește un anumit prag numit masă critică . În astfel de condiții, masa metalică îndeplinește proprietățile statistice care produc multiplicarea foarte rapidă a coliziunilor și fisiunilor. Mărimea exactă a masei critice depinde de forma sa geometrică particulară. Cu toate acestea, puritatea sa trebuie să fie ridicată, peste 90%.

În momentul în care o masă devine supercritică , are loc reacția în lanț, care eliberează o cantitate enormă de energie într-un timp foarte scurt. Fisiunea unui element greu este o reacție nucleară puternic exotermă . Explozia este foarte puternică datorită cantităților enorme de energie eliberate în reacțiile nucleare, de ordinul a milioane de ori mai mare decât cele implicate în reacțiile chimice care implică mase similare.

Reacția în lanț necontrolată diferă de procesele în lanț nuclear care au loc într-un reactor nuclear pentru producerea de energie electrică , pe parcursul procesului în timp. Într-un reactor, reacția nucleară are loc într-o masă de material fissil care poate fi foarte mare, dar în care elementul este mult mai puțin concentrat. În aceste condiții nu există o eliberare foarte rapidă de energie, eliberarea este mai lentă și poate fi moderată. Reacția într-un reactor este întotdeauna menținută sub parametrii de temperatură și criticitate predeterminate, într-o stare stabilă, adică controlată, adică în care energia este eliberată constant în timp, fără nicio posibilitate de explozie.

În utilizarea obișnuită, denumirea de „bombă atomică” este uneori folosită greșit pentru alte arme nucleare cu putere similară sau mai mare, incluzând astfel și bombe care utilizează celălalt tip de reacție nucleară , fuziunea termonucleară a nucleelor ​​elementelor ușoare.

Termenul „bombă atomică” din clasificarea inițială „Bombă” însemna în mod corespunzător doar bombe de fisiune. Cei care utilizează în schimb fuziunea termonucleară se numesc bombe H sau bombe cu hidrogen sau chiar grupate sub definiția „armelor termonucleare”. Armele nucleare prezente în arsenalele contemporane sunt practic toate de acest tip. Cu toate acestea, bomba de fisiune este încă o componentă fundamentală a armelor termonucleare în sine, constituind inima sau declanșatorul, armele termonucleare sunt, prin urmare, bombe „în două etape”. Acest lucru se datorează faptului că fuziunea nucleelor ​​de lumină poate fi declanșată numai cu energii foarte mari, iar bomba de fisiune este singurul dispozitiv capabil să producă valori foarte mari de presiune și temperatură necesare pentru a declanșa reacția de fuziune termonucleară.

Principiul de funcționare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Fisiunea nucleară .

Principiul bombei atomice este reacția în lanț a fisiunii nucleare , fenomen fizic prin care nucleul atomic al anumitor elemente cu o masă atomică mai mare de 230 se poate divide (fisiune) în două sau mai multe nuclee de elemente mai ușoare atunci când este lovit de un neutron liber . Fisiunea poate fi declanșată într-o formă masivă, adică ca reacție în lanț, dacă nucleii fisibili sunt atât de numeroși și apropiați unul de celălalt încât să facă posibilă coliziunea ulterioară a neutronilor eliberați cu noii nuclei fissili. Izotopii care pot fi folosiți în practică sunt uraniul -235 și plutoniul -239. Aceste metale grele sunt materialele fisibile prin excelență.

Când un neutron liber lovește un nucleu de 235 U sau 239 Pu , acesta este capturat de nucleu pentru o perioadă foarte scurtă de timp, făcând nucleul compus instabil: acesta se rupe în decurs de 10-12 secunde în doi sau mai mulți nuclei de elemente mai ușoare, simultan eliberând doi până la patru neutroni. Aproximativ un procent din masa sa este transformat în energie sub formă de fotoni și energie cinetică a nucleelor ​​de lumină reziduală și neutroni liberi, pentru un total de aproximativ 200 MeV .

Neutronii eliberați prin proces pot, la rândul lor, să se ciocnească cu alți nuclei fisibili prezenți în sistem, care apoi fisionează, eliberând neutroni suplimentari și propagând reacția în lanț pe toată masa materialului. După cum sa spus deja, însă, reacția în lanț are loc dacă și numai dacă probabilitatea de captare a neutronilor de către nucleii fissili este suficient de mare, adică dacă nucleii sunt numeroși, foarte apropiați unul de altul și pierderile datorate scăpării din sunt reduse în mod adecvat. Acest lucru se realizează de obicei prin turnarea unei anumite cantități de uraniu metalic (sau plutoniu) foarte îmbogățit într-o geometrie cu un raport suprafață / volum scăzut , adică în care izotopul fisil este prezent într-o concentrație mult mai mare decât cea naturală, chiar mai mare decât 90% din total și într-o astfel de cantitate încât ansamblul final să depășească așa-numita masă critică .

Valoarea exactă a „masei critice” depinde de elementul ales, de gradul de îmbogățire al acesteia și de forma geometrică (un scut care înconjoară masa însăși, împiedicând evadarea neutronilor poate contribui și la scăderea valorii acesteia). Ca orientare, este de ordinul a câteva kilograme. [3]

În focosul unei bombe atomice, materialul fissil este ținut separat în mai multe mase subcritice sau modelat într-o formă geometrică cu o coajă sferică goală, ceea ce face ca masa să fie subcritică datorită raportului ridicat suprafață / volum, astfel încât să facă echilibrul neutronilor nefavorabil.

Bomba este detonată prin concentrarea materialului fissil împreună prin intermediul unor explozivi convenționali care aduc instantaneu diferitele mase în contact sau prăbușesc învelișul sferic, unind astfel materialul într-o masă supercritică. În centrul sistemului este plasat și un inițiator de neutroni , un mic dispozitiv de beriliu care conține câteva grame dintr-o substanță foarte emisivă de particule alfa, cum ar fi poloniul , un sistem care ajută la explozie prin iradierea masei cu un val de neutroni la nivelul momentul potrivit. Focosul este în cele din urmă acoperit extern cu un ecran de beriliu care reflectă parțial neutronii care altfel s-ar pierde la exterior.

Energia și puterea dispozitivului nuclear sunt funcții directe ale cantității de material fissil și a procentului său de îmbogățire, precum și a eficienței armei, adică a procentului de material care suferă efectiv fisiune, acesta din urmă determinat de calitate sau de calibrarea sistemului său de detonare.

Masa materialului fisibil dintr-o bombă atomică se numește piatră .

Reacție în lanț

Exemplu de reacție nucleară: un neutron se ciocnește cu un atom de uraniu-235 formând un atom instabil de uraniu-236. La rândul său, acesta se împarte în crom 92, bariu 141 și eliberează trei neutroni.
Diagrama de reacție nucleară.

Reacția în lanț nuclear indusă de neutroni, într-o masă de 235 U are loc după o schemă de acest tip:

Prin urmare, avem următoarele produse de fisiune:

Elemente mai ușoare . Formula exprimă ceea ce se întâmplă cu un nucleu de uraniu ( 235 U ) atunci când este lovit de un neutron (n). Efectul captării de către nucleu este transformarea acestuia din urmă într-un izotop mai greu ( 236 U ) care, însă, durează doar un timp foarte scurt după care se rupe elementul instabil, formând două elemente noi. Elementele indicate în a doua parte a formulei sunt rezultatul relativ cel mai frecvent al decolteului, dar se pot forma și diferite elemente în funcție de modul complet aleatoriu în care nucleul se împarte: lângă fisiunea uraniului-235 în bariu- 141 și kripton-92 (prezentat în diagrama opusă), pot apărea multe altele, fiecare dintre acestea putând duce la un număr de emisii de neutroni care variază, de regulă, de la 2 la 4.

Aici enumerăm câteva dintre reacțiile nucleare care pot fi produse prin bombardarea nucleului de uraniu-235 cu un neutron lent, având în vedere că toate combinațiile posibile de produse de fisiune sunt mai mari de 40:

După cum puteți vedea, diferitele combinații eliberează 2 până la 4 neutroni liberi și elemente cu diferite greutăți atomice. La rândul lor, majoritatea acestor elemente sunt izotopi instabili, deci sunt radioactivi și pot fi supuși unei degradări ulterioare. Unele dintre acestea sunt extrem de periculoase pentru mediu și sănătatea umană ( cesiul -137, stronțiul -90 și iodul -131 sunt frecvente) dată fiind ușurința cu care tind să se acumuleze în țesuturile ființelor vii.

Notă: printre produsele de fisiune, xenonul 135 are o importanță deosebită datorită dezavantajului tehnic pe care acumularea acestuia îl poate provoca în reactoarele nucleare. Xenonul este generat atât ca produs primar al fisiunii nucleare (în 0,3% din cazuri), cât și mai des (adică în 5,6% din fisiunile termice ale uraniului-35) ca descompunere a telurului -135, care suferă o serie de dezintegrări beta , conform următoarei scheme:

Xenonul-135 este un gaz care, în reactoarele nucleare, poate da naștere la problema tehnică numită otrăvire cu xenon , fenomen prin care acumularea accidentală a acestui gaz în interiorul unui reactor poate întrerupe efectele reacției de fisiune., Datorită capacității sale de a absorb neutronii, cu efectul de a masca activitatea reală a reactorului. O astfel de condiție ar putea înșela operatorii neatenți, făcându-i să nu fie conștienți de starea activă a reactorului și determinându-i să comită erori de funcționare. Această caracteristică a Xe-135 a fost una dintre cauzele determinante ale dezastrului de la Cernobâl . Procesul de fisiune nucleară care caracterizează bomba atomică este același care alimentează reactoarele nucleare civile.

Alte produse de fisiune sunt:

Neutroni liberi . La noile elemente produse de reacție se adaugă întotdeauna de la doi până la patru neutroni liberi, care la rândul lor pot fi capturați de alți nuclei fissili care se află în interiorul masei și, prin urmare, îi fac instabili și ajută la continuarea reacției de fisiune.

Energie . Pentru fiecare nucleu care se împarte, în modul indicat de formulă, se produc aproximativ 200 MeV de energie, dintre care aproximativ 170 MeV sub formă de energie cinetică a produselor de fisiune și a neutronilor eliberați. Mai precis:

Această producție semnificativă de energie este legată de faptul că suma maselor rezultate (fragmente de fisiune și neutroni) este puțin mai mică decât masa inițială a nucleului și a neutronului care a generat fisiunea: un procent foarte mic din această masă se pierde, „transformat” în energie. Cantitatea de energie eliberată de reacțiile nucleare este mult mai mare decât cea a reacțiilor chimice în raport cu cantitatea de materie implicată. Energia de legare din interiorul nucleilor ( interacțiune puternică ) este mult mai intensă decât cea care leagă împreună electronii externi ai doi atomi. Energia de legare din nuclee este o măsură a masei . În principiul echivalenței E = mc², deoarece al doilea termen de egalitate este o cantitate enormă (datorită valorii constantei "c", viteza luminii în vid, egală cu 299 792 458 m / s) energia " E "este imens în comparație cu o masă mică" m ". Prin comparație, legarea atomilor de hidrogen într-o moleculă de apă poate produce o energie de aproximativ 16 eV , de zece milioane de ori mai mică decât cea eliberată de nucleul de uraniu. Un gram de uraniu-235 care suferă fisiune în întregime produce aproximativ 8 x 10 10 jouli , ceea ce înseamnă la fel de mult ca arderea a aproximativ 3 tone de cărbune .

Material fisil

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Material fisil .

Materialele fisibile utilizate în bombele atomice sunt plutoniul -239 sau uraniu îmbogățit , care poate fi produs numai în țările extrem de industrializate, deoarece în amonte este necesară existența unui ciclu de îmbogățire a uraniului sau a reactoarelor nucleare sau a altor sisteme capabile. izotopul uraniu-238 prin reacția de fertilizare nucleară.

Uraniul natural este un amestec de aproximativ 99,3% izotop cu masa 238 și aproximativ 0,7% izotop cu masa 235 [4] ; dintre cele două, doar ultima este fisibilă. Pentru a acumula o cantitate suficientă, este deci necesar să „îmbogățim” uraniul cu propriul său izotop 235. Nucleul unei bombe de uraniu trebuie să fie compus dintr-o masă compusă în mare parte din uraniu-235 sau uraniu foarte îmbogățit.

Această „îmbogățire” are loc odată cu separarea izotopului 235 de izotopul 238, pentru a obține o concentrație treptat mai mare a primului element. Ciclul de îmbogățire industrială începe cu conversia uraniului natural în hexafluorură de uraniu (UF 6 ), o substanță gazoasă care permite exploatarea ulterioară a diferitelor viteze de difuzie care disting 235 UF 6 de 238 UF 6 pentru a separa cei doi izotopi . Același proces poate fi efectuat și cu tetraclorură de uraniu (UCl 4 ). Aceste substanțe pot fi aduse la starea gazoasă la temperaturi scăzute, ceea ce permite separarea mecanică a celor doi izotopi . Substanța este centrifugată la viteză foarte mare, în ultra-centrifuge speciale montate în serie („cascadă”). Aceștia concentrează progresiv izotopul 235 separându-l de omologul chimic 238, exploatând diferența foarte mică de greutate specifică dintre cei doi. Uraniul îmbogățit pentru focoase atomice este alcătuit din aproximativ 97% U-235.

De asemenea, este posibil să se separe izotopul 235 de alte metodologii [5] , pe o scară mai mică sau cu tehnologii mult mai sofisticate (cum ar fi laserele ).

Produsul rezidual al procesului de îmbogățire este uraniul, în cantități mari, compus aproape în întregime din izotopul 238, deci inutil pentru reacția nucleară, cu un procent foarte mic de U-235. Este așa-numitul uraniu sărăcit , adică uraniu cu o fracțiune U-235 mai mică de 0,2%. Este clasificat ca deșeu radioactiv, dar este folosit pentru a produce obuze și bombe în sistemele de arme convenționale. Toxicitatea uraniului sărăcit, de origine chimică și radiologică, este foarte mare și face periculoasă utilizarea acestor sisteme de arme chiar și pentru armatele care le folosesc, atunci când uraniul este inhalat sau ingerat.

În cadrul unor mase mai mici decât cea critică, cu condiția să fie concentrate în volume mici, fisiunile sunt mai frecvente în uraniu și plutoniu decât în ​​mineralele naturale, unde izotopii fisili sunt mai puțin concentrați. După o anumită perioadă de timp, datorită acestei pierderi de izotopi fisili, materialul fissil nu mai este utilizabil din cauza prezenței unei cantități mari de fragmente de fisiune.

Caracteristici de construcție

O bombă atomică este formată dintr - un miez metalic de câteva zeci de kilograme de uraniu îmbogățit peste 93% (“armă grad«uraniu), sau câteva kilograme de plutoniu care conțin cel puțin 93% din izotopul 239 (plutoniu»weapon- grad "). De asemenea, este posibilă construirea unei bombe folosind foarte puține kilograme de uraniu, urmând principiile de construcție dezvoltate pentru bombele de plutoniu; de asemenea, astăzi este posibil să se construiască mini-bombe care utilizează câteva sute de grame de plutoniu. Cu toate acestea, masa nucleului este întotdeauna subcritică (dacă nu ar fi cazul, bomba ar exploda în timp). [6]

Miezul este introdus într-un recipient de metal greu, cum ar fi uraniul-238, pentru a forma o coajă groasă numită manipulare („tampon” sau „tampon”) care limitează evacuarea neutronilor în exterior, utilă pentru reacția în momentul exploziei, și mai ales are funcția de a reține, prin intermediul unei reacții inerțiale la presiunea exercitată de expansiunea sa termică, nucleul pentru timpul necesar reacției, aproximativ 1 microsecundă. Timpul disponibil pentru reacție crește foarte mult eficiența, adică procentul de material care suferă fisiune.

Explozia este declanșată cu utilizarea explozivilor convenționali care aduc părți ale miezului mai aproape sau îl modifică pentru a face masa supercritică. Prin intermediul sistemelor detonatoare (care pot fi complexe și de diferite tipuri) miezul este modificat ca formă și concentrație pentru a-l aduce într-o stare supercritică. În esență, există două tehnici alternative de inginerie pentru a produce acest efect. Cele două soluții sunt:

  1. Sistemul cu blocuri separate, denumit și detonare balistică, „un proiectil” sau „un tun” ( bombă de fisiune declanșată de pistol ). În acest tip de proiect nucleul materialului fisibil este împărțit în două părți, un „glonț” de masă subcritică și o „țintă”, mai masivă, dar și cu masă subcritică. În momentul exploziei, o sarcină explozivă împinge glonțul cu viteză mare într-un butoi la țintă, astfel încât să se combine pentru a forma o singură masă supercritică;
  2. Sistemul de implozie . Este mult mai eficient decât sistemul de blocuri separate, dar și mult mai complex de proiectat. Si basa sull'esplosione simultanea di molti detonatori posti sulla superficie di una corona di materiale esplosivo che circonda il nocciolo a forma di sfera cava di massa subcritica in modo da produrre un'elevata pressione su quest'ultimo. L'aumento di pressione, comprimendo il materiale fissile ed eliminando la cavità, ne modifica la forma e ne incrementa la densità, in modo da portarlo a uno stato supercritico. Il sistema è coadiuvato da un sistema di contenitori ("tamper" e intelaiatura) intorno al nocciolo con le funzioni di ridurre le fughe di neutroni, trattenere l'espansione termica del nocciolo e rendere uniforme l'onda d'urto di implosione.

I due modelli costruttivi contengono entrambi un iniziatore della reazione nucleare , ossia un piccolo dispositivo sferico costruito di solito in berillio e contenente un materiale alfa emettitore come il polonio -209 o 210, che, una volta attivato, funge da sorgente di neutroni . L'iniziatore è posto al centro del nocciolo e viene attivato dalla pressione esercitata da quest'ultimo quando viene compresso dalla detonazione dell'esplosivo convenzionale che lo circonda. L'iniziatore dà luogo in sequenza a questi effetti:

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

Sistema di detonazione a blocchi separati

L'innesco a blocchi separati è detto bomba con "detonazione a proiettile" o "a cannone". 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.

Detonazione a proiettile.
1. Esplosivo convenzionale
2. Canna
3. Proiettile di uranio
4. Obiettivo

La bomba atomica sganciata su Hiroshima , Little Boy , era un ordigno di questo tipo. Il principio è che una massa subcritica di uranio viene proiettata ("sparata") contro un'altra massa subcritica di uranio. L'ordigno è formato da un tubo ad un'estremità del quale c'è un proiettile costituito da un blocco di uranio-235 di forma cilindrica cava, all'altro capo si trova il "bersaglio", un altro blocco cilindrico di uranio-235, di dimensioni pari alla cavità del proiettile e di massa minore, dove è collocato anche il generatore di neutroni. La detonazione avviene quando il proiettile viene lanciato per mezzo di una carica esplosiva e si unisce al bersaglio superando la massa critica e creando una massa supercritica. Colpendo il bersaglio, il proiettile attiva anche l'iniziatore neutronico, il quale però in questo caso risulta superfluo (in Little Boy ne furono inseriti quattro solo per una questione di sicurezza) proprio per la configurazione "a cannone" dell'ordigno, nel quale la fissione avviene spontaneamente una volta creata la massa, e la densità, supercritica.

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 ad alcuna reazione nucleare. L'ordigno "Little Boy" conteneva 64,13 kg di uranio di cui appena l'1,5% subì la fissione nucleare. La scarsa efficienza è dovuta al fatto che manca l'importante effetto di concentrazione compiuto dal sistema a implosione sul nocciolo, e il contenimento inerziale è affidato soltanto alle masse del contenitore. Quest'ultimo (tamper) è anche meno efficace dovendo contenere una massa molto grande.

L'assemblaggio di una massa tanto grande è anche piuttosto pericolosa. 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 secondo dopoguerra, principalmente da Gran Bretagna e Unione Sovietica . Queste sono state smantellate negli anni cinquanta . Negli anni settanta il solo Sudafrica costruì cinque bombe come questa, anch'esse poi smantellate.

Sistema di detonazione a implosione

Animazione della detonazione a implosione

Questo sistema era utilizzato nella bomba esplosa su Nagasaki , Fat Man . 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' innesco 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 supercritica, l'iniziatore centrale si attiva. La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15%, e conteneva meno di 7 kg di plutonio. [7]

Esplosione nucleare

Gran parte dell'energia rilasciata dall'esplosione nucleare consiste semplicemente in energia radiante diretta, cioè calore effetto di irraggiamento luminoso prodotto dalla reazione nucleare. La luce viene irradiata dalla "sfera di fuoco" formata da gas ionizzati, che si espande nel punto di esplosione, per un tempo dell'ordine del millisecondo.

I gas di esplosione a centinaia di milioni di gradi emettono radiazione luminosa di intensità tale che oggetti distanti anche centinaia di metri che vengono illuminati direttamente raggiungono temperature di migliaia di gradi in millesimi di secondo.

Un'altra considerevole porzione di energia si scarica sotto forma di onda d'urto supersonica prodotta dalla violenta espansione termica dell'aria. Il fronte d'onda causato da un'esplosione da 20 chilotoni ha una velocità supersonica entro un raggio di poche centinaia di metri, e procede a velocità infrasoniche con effetti distruttivi fino a distanze dell'ordine di chilometri. Se la bomba esplode in atmosfera dove l'aria ha densità normale, si producono fronti d'onda d'urto - incluso quello emisferico generato per riflesso dalla superficie del terreno - che producono una sovrapressione, nell'area di picco massimo, dell'ordine di 350-750 g/cm 2 . Il corpo umano ha una resistenza alta alle sovrapressioni. Tutte le parti dell'organismo umano, con l'eccezione della membrana del timpano , sono in grado di resistere bene a sovrapressioni anche a 5-6 volte superiori a queste. Tuttavia, anche se il corpo umano è resistente alla pressione in sé, in pratica può essere investito dai detriti ad altissima velocità contenuti nel fronte d'urto o proiettato contro oggetti contundenti. Al contrario gli edifici - specie le costruzioni a uso civile - hanno di norma una resistenza alle sovrapressioni molto più bassa rispetto a quelle del fronte d'urto, e le ampie superfici che li caratterizzano (pareti, tetti, finestre) traducono l'onda d'urto in forze enormi. Il fronte d'urto di una esplosione nucleare causa il crollo praticamente di tutti gli edifici che vi sono esposti nelle vicinanze. In una esplosione di 20 chilotoni l'onda d'urto è in grado di abbattere edifici a centinaia di metri o chilometri di distanza.

L'effetto di queste componenti distruttive (irraggiamento e onda d'urto) viene massimizzato se la bomba viene fatta esplodere a una certa altezza dal suolo. Se la bomba esplodesse a terra, invece, gran parte della sua energia verrebbe assorbita dal terreno ei suoi effetti avrebbero un raggio ridotto.

Una quota non trascurabile di energia (5-10%) viene emessa sotto forma di radiazione ionizzante ad alte energie.

L'esplosione di un'arma nucleare al disopra di un'area densamente abitata produce, a causa dell'onda d'urto e delle temperature, un tappeto di macerie disseminato di numerosi piccoli focolai d'incendio. Quando si ha una vasta superficie su cui sono distribuiti numerosi punti di fuoco, la geometria delle correnti convettive causa un fenomeno detto superincendio (o Feuersturm ) cioè l'unione di tutti i focolai in un unico incendio dell'intera superficie alimentato da una violentissima corrente convettiva centripeta. Secondo alcune stime, nei bombardamenti di Hiroshima e Nagasaki la quota maggiore di vittime sarebbe stata causata proprio dai superincendi che si sono sviluppati nel corso delle decine di minuti successivi all'esplosione.

Effetti delle esplosioni nucleari

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Effetti delle esplosioni nucleari .
Le ustioni presenti su questa vittima somigliano alle trame del kimono ; le aree più chiare del tessuto hanno riflesso l'intensa luce della bomba, provocando minor danno.

Gli effetti di una esplosione nucleare su un'area abitata si possono quindi schematizzare in queste categorie:

  1. Effetti diretti da irraggiamento termico/luminoso: le superfici illuminate direttamente dall'esplosione possono raggiungere temperature altissime, che dipendono però molto dal tipo di superficie e dal suo colore , cioè dalle sue proprietà di riflettere o assorbire la luce. Una esplosione nucleare produce tipicamente due impulsi radianti, il primo compreso entro i primi 5-6 millisecondi, e il secondo successivo agli 80-100 millisecondi, fino a tempi dell'ordine di 1 secondo. Il secondo impulso si ha quando la sfera di vapori dell'esplosione si è espansa a sufficienza da essere nuovamente trasparente. [8] Le temperature raggiunte dalle superfici esposte, nel caso si tratti di superfici corporee di esseri viventi, possono causare ustioni mortali, e anche distruggere gli organismi. È da notare che questo effetto si ha sulle persone che in quel momento si trovano in zone esterne direttamente esposte all'esplosione, non schermate da altri oggetti o da tute protettive. Il lampo dell'esplosione, avendo anche una forte componente di alte frequenze, può distruggere la retina causando cecità.
  2. Effetti meccanici dell'onda d'urto: l'onda di sovrapressione distrugge istantaneamente edifici e manufatti a uso civile, e ciò corrisponde a una immensa proiezione di detriti ad altissime velocità (centinaia di metri/secondo). A Hiroshima, frammenti di vetro proiettati dall'esplosione sono penetrati in muri di cemento anche a distanze di 2200 metri dall'epicentro dell'esplosione. [9] I muri di cemento armato dell'ospedale della Croce Rossa di Hiroshima mostrano una superficie cosparsa di buchi e tagli come se fossero stati colpiti da raffiche di proiettili, causati in realtà dalle minuscole schegge di vetro proiettate ad altissima velocità dall'esplosione. [10]
  3. Radiazioni ionizzanti ad alte energie: le radiazioni emesse da un'esplosione nucleare sono prevalentemente di tipo gamma, hanno alta intensità, ma la loro emissione ha durata molto breve. È da notare che i danni agli organismi viventi, come la malattia acuta prodotta dalle radiazioni o altre patologie, tra cui anche danni genetici causa di malformazioni di feti, possono essere causate non solo dall'esposizione diretta all'esplosione, ma anche e soprattutto dal contatto con polveri e acqua contaminati.
  4. Superincendi o Feuerstürme : coinvolgono le persone presenti nell'area delle macerie, e si ritiene che siano stati verosimilmente la causa della quota relativamente maggiore di vittime nelle esplosioni di Hiroshima e Nagasaki.

Note

  1. ^ Nuclear Weapons – UNODA , su www.un.org . URL consultato il 10 dicembre 2016 ( archiviato il 6 giugno 2012) .
  2. ^ "The Manhattan Project. Making the atomic bomb" edito da United States Department of Energy, 1994, p.2; DOE R&D Accomplishments Retirement - DOE R&D Accomplishments is no longer being maintained as a stand-alone search product. However, users will be able to continue to get to the contents of DOE R&D Accomplishments within OSTI.GOV through a minimal number of extra steps. - Archiviato il 20 giugno 2017 in Internet Archive .
  3. ^ Federation of American Scientist, "Fission Weapons. Critical masses in spherical geometry for weapon-grade materials" in: "Nuclear Weapons Design": Copia archiviata , su fas.org . URL consultato il 1º gennaio 2016 (archiviato dall' url originale il 12 gennaio 2016) .
  4. ^ Militarily Critical Technologies List (MCTL), Section V: Nuclear Weapons Technologies, II-5.3; http://fas.org/irp/threat/mctl98-2/p2sec05.pdf Archiviato il 14 marzo 2015 in Internet Archive .
  5. ^ Militarily Critical Technologies List (MCTL), Section V: Nuclear Weapons Technologies, II-5.4; http://fas.org/irp/threat/mctl98-2/p2sec05.pdf Archiviato il 14 marzo 2015 in Internet Archive .
  6. ^ criticità della massa descritti da Godiva e Jezebel, citati in: "Nuclear Weapons Frequently Asked Questions; Section 4.0: Engineering and Design of Nuclear Weapons, 4.1: Elements of Fission Weapon Design, 4.1.1: Dimensional and Temporal Scale Factors" e "4.1.2: Nuclear Properties of Fissile Materials" 4.1 Elements of Fission Weapon Design
  7. ^ Le specifiche di progettazione di Fat Man e Little Boy sono descritte da J. Coster-Mullen, "Atom Bombs: The Top Secret Inside Story of Little Boy and Fat Man", 2002, ed. Spiral-bound; ASIN: B0006S2AJ0 Section 8.0 The First Nuclear Weapons Nuclear weapon archive]
  8. ^ Brode, Harold L., Thermal Radiation from Nuclear Explosions , Santa Monica (California), The RAND Corporation, agosto 1963, pp. 4-6.
  9. ^ Artifacts at the Hiroshima Bomb Museum , su richard-seaman.com . URL consultato l'8 agosto 2017 ( archiviato il 23 maggio 2017) .
  10. ^ A Section of Concrete Wall of Hiroshima Hospital , su alamy.com . URL consultato il 30 aprile 2019 ( archiviato il 12 giugno 2018) .

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 9320 · LCCN ( EN ) sh85009310 · GND ( DE ) 4399895-1 · BNF ( FR ) cb11958006w (data) · NDL ( EN , JA ) 00562369
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Bomba_atomica&oldid=121262989 "