Extraordinaria historia: Así funciona un arma nuclear

Arma nuclear

 Extraordinaria historia: Así funciona un arma nuclear

23 Septiembre 2010 

¿Qué hay en unas pelotas de metal pulido y una bolsa de polvo blancuzco para que sean capaces de aniquilar una gran ciudad?

La gente suele tener dos reacciones cuando observa por primera vez las tripas de un arma termonuclear, no necesariamente excluyentes entre sí. La primera es el sobrecogimiento: hasta el más insensible intuye que no se halla ante una cosa corriente, sino ante un poder inquietante, asombroso y letal. La segunda es la decepción, porque aquello tiene las pintas de una poca chatarrería como la que podrías encontrar en cualquier garaje. Cuencos, tubos y aros de metal pulido. Moldes de una especie de gel amarillento, que recuerdan vagamente a las formas de un balón de fútbol. Otros, de poliestireno (sí, poliestireno común). Y los consabidos cables y circuititos electrónicos. Todo lo cual cabe perfectamente encima de una mesa cualquiera.

Entonces, el simpático de tu guía podría decirte: “no, no, lo que explota es eso de ahí”. Y tú mirarías, claro. Ahí, dentro de unos contenedores similares a neveras de camping, verías tres tipos de objetos. El primero, unas esferas metálicas pulidas muy parecidas a bolas de petanca. El segundo, una bolsa de polvo blanco. El tercero, una especie de termo de café pequeño.

-¿Eso es todo? -preguntarías, quizás.
 -Eso es todo -te contestarían.
-¿Con eso puedo matar a cinco millones de personas?

-Como si jamás hubieran existido.

Si eres del tipo valiente o al menos curioso, a lo mejor te daba por acercarte al primero de los objetos. Descubrirías que es sólo lo que parece: pelotas de metal muy pesado, tibio al tacto. Y a lo mejor preguntabas con algún escalofrío en la voz:

-¿Esto es…?

-Sí. Eso es plutonio. Aunque envuelto en berilio.

-¿Y por qué está caliente?

-Porque es radioactivo. Pero no te preocupes: ahora está en fase alfa, no pasa nada.

A menos que seas del tipo especialmente valiente, lo más normal es que apartes la mano en ese mismo instante, claro. Entonces, puede que el graciosillo que te hace de guía te lance a los brazos la bolsa de polvo blanco. Igual te asustas y esperas un golpe, pero cuando te cae en las manos descubres que no pesa nada. Es sólo un polvo tenue, muy fino, muy blanco, inocente. Ni frío, ni caliente, ni fresco, ni tibio. Neutro. Seco. Tu acompañante levanta en su mano el pequeño termo de café y lo pone ante tus ojos.

-¿Y esto qué es? -te atreves a preguntar, aunque con un temblor indefinible desde la coronilla hasta la horcajadura.

-Esto es la materia de la que están hechas las estrellas -te contestan.

-No j*das.

-Lo que oyes. Eso que tienes en las manos es deuteruro de litio. Lo llamamos liddy. Y lo que hay aquí dentro es tritio: un gas. Todo son isótopos del hidrógeno y del litio. Con esto puedes encender una estrella sobre una ciudad.

-Ah.

Es posible que sientas la tentación de dejarlo todo en su sitio y salir corriendo de allí dando educadamente las gracias pero tan deprisa como te permitan tus piernas. O igual te puede la curiosidad -o el morbo, vamos- y te quedas un poquito más. Sólo un poquito más, ¿eh? Por interés cultural. Científico. ¡Nadie lo duda! Tu guía, que seguramente llevará un uniforme militar o una bata blanca, sonríe. Ya eres de los nuestros, piensa. Pero sólo dice:

-¿Te gustaría saber cómo funciona? 

Fisión

 

Arma nuclear: no es en lo absoluto tan inofensiva como  parece.

El corazón de un arma nuclear moderna es tan solo una esfera hueca de plutonio-239 supergrade al 99% o más, normalmente envuelta en otra concéntrica de berilio. Si es un arma muy avanzada, contendrá menos de tres kilos de plutonio; con lo denso que es, eso te cabe en el puño aunque seas de manos pequeñas. Hueca y todo, no es más grande que una bola de petanca. Si fuera de mediana tecnología, serán unos cuatro o cinco kilos y un poco mayor, como una pelota de voleibol. La bomba de Nagasaki usó 6,2 kg.

Todas estas cifras son inferiores a la masa crítica del plutonio-239 a temperatura y densidad corrientes, que es de aproximadamente diez kilos. Recuerda esto de la temperatura y densidad, porque va a ser importante. ¿Y qué es esto de la masa crítica? La masa crítica es la cantidad de material fisible -normalmente uranio-235 o plutonio-239- necesaria para que éste inicie una reacción en cadena espontánea. Vamos a ver qué es esto de la reacción en cadena.

Todas las sustancias radioactivas son inestables. Esto quiere decir que sus átomos tienden a emitir energía -la radioactividad propiamente dicha- en forma de ondas y partículas (¿recuerdas los fundamentos de mecánica cuántica?). Algunas sustancias, además de radioactivas, sonfisionables. Es decir, que los núcleos de sus átomos son tan grandes e inestables que pueden partirse con facilidad y de hecho lo hacen; por ejemplo, el uranio-238 o el plutonio-240. Cuando el núcleo de un átomo se parte, se convierte en núcleos más pequeños y libera energía como estas ondas y partículas.

 

¿Qué es lo que hace que un núcleo fisione, es decir, se rompa? No gran cosa. Ocurre constantemente en la naturaleza, por simple probabilidad cuántica o cualquier estímulo exterior. Los núcleos grandes e inestables tienden a romperse y, según una determinada probabilidad, lo hacen a todas horas. Por ejemplo, la mayor parte del uranio existente en la naturaleza ha fisionado ya a lo largo de los últimos miles de millones de años, y por eso es tan raro en la actualidad. Esto se llama fisión espontánea, y va ocurriendo a su ritmo. En la imagen de la derecha, un núcleo de uranio-235 absorbe un neutrón, se convierte en uranio-236 altamente inestable y fisiona en dos elementos nuevos, kriptón-92 y bario-141 (sí, como en la transmutación de los alquimistas). Al hacerlo, libera varios neutrones más y una cantidad importante de energía en forma de radiación.

Algunas sustancias en particular, además de radioactivas y fisionables, son fisibles. Fisible significa que fisionan intensamente y además de una manera especial. Lo hacen fragmentándose en núcleos mucho más pequeños y emitiendo neutrones rápidos, muy energéticos (como el núcleo de U-235 de la imagen). Tan energéticos, que desestabilizan rápidamente los demás átomos que haya alrededor. Entonces, estos resultan estimulados para fisionar también, y así una y otra vez, en una reacción en cadena que se va amplificando cada vez más. Los dos elementos más fisibles del universo conocido son el uranio-235 y el plutonio-239. Por eso son los que se usan como combustible en las centrales nucleares. Y como explosivo en las armas atómicas.

Sin embargo, la reacción en cadena se interrumpe rápidamente si no hay bastante material alrededor. Esto se debe al sencillo hecho de que los átomos de la materia están enormemente separados entre sí -la inmensa mayoría de lo que ven tus ojos y tocan tus manos es espacio vacío, aunque no lo parezca-. Por ello, la mayor parte de los neutrones que surgen en estas fisiones espontáneas no llegan a alcanzar otros núcleos fisibles y se pierden hacia el exterior en forma de radiación neutrónica. Es preciso acumular una cierta cantidad de material para que haya muchos núcleos fisibles por todas partes, la probabilidad de que los neutrones alcancen alguno de ellos aumente y la reacción se mantenga a sí misma.

 

Esto es la masa crítica: la cantidad de material fisible que necesitas acumular para que se produzca una reacción en cadena sostenida. Cuando usas uranio-235, esta cantidad es de 52 kilos. Usando plutonio-239, es de sólo diez kilos. Por eso, las bombas de plutonio son mucho más pequeñas y ligeras que las de uranio, lo que facilita su uso militar práctico. A la izquierda, vemos una masa subcrítica (arriba) donde la mayor parte de los neutrones escapan; una masa crítica (al medio) donde hay reacción en cadena sostenida; y una masa también crítica (abajo) que, a pesar de ser tan pequeña como la primera, está envuelta en un reflector neutrónico (como el berilio) y eso le permite alcanzar criticidad.

Porque, ¡un momento! Hemos dicho que una bomba de plutonio usa 6,2 kg en sus versiones más primitivas y menos de tres en las modernas. Entonces, ¿cómo puede producir una de estas reacciones en cadena? ¡No hay material suficiente!

Aquí radica, precisamente, la genialidad de un arma de fisión. Sí, es genialidad, qué demonio. Por no contener suficiente material para producir una reacción en cadena sostenida, la bomba es segura por completo en condiciones ambientales normales. Puedes usar la pelota de plutonio como bala de cañón y no pasará gran cosa; sólo causarás un poco de contaminación por los alrededores, más tóxica que radioactiva (el plutonio es muy venenoso).

El plutonio es mejor que el uranio por otra razón. Aunque su procesado metalúrgico resulta mucho más difícil que el del uranio -lo que requiere el uso de tecnologías industriales más avanzadas-, su emisión de neutrones por fisión espontánea es baja. Esto significa que tarda más en iniciar la reacción en cadena, pero cuando lo hace, lo hace más de golpe. Más explosivamente, como si dijéramos.

 

La pequeña explosión, la gran explosión.

 

En primer lugar, tomamos la esfera hueca de plutonio-239 y la envolvemos en otra concéntrica de berilio. El berilio no es fisionable, ni fisible, ni siquiera radioactivo. Está ahí porque constituye un reflector neutrónico de primera. Es decir: cuando recibe los neutrones rápidos del plutonio que hay dentro, tiende a devolvérselos e incluso añadir unos cuantos más. Esto ayuda a sostener la reacción en cadena, pues los neutrones que escapan de la misma al exterior resultan rebotadosde vuelta al interior.

Entonces, tomamos esta esfera hueca de plutonio-berilio y la rodeamos a su vez con un explosivo convencional en una disposición muy similar a las costuras de un balón de fútbol. Hoy por hoy, este explosivo es habitualmente TATB, por tres razones: resulta extremadamente estable -lo que reduce el riesgo de detonación accidental-, la onda de choque que produce es muy simétrica (va a avanzar como una esfera perfecta hacia fuera y hacia adentro; recuerda esto de hacia adentro), y su velocidad de detonación es alta, para completar el proceso muy deprisa. Por lo demás, es un explosivo corriente de la familia de los nitrobencenos / nitrotoluenos (como el TNT).

Antiguamente, pondríamos en el centro de la esfera hueca una bolita de polonio-berilio o algo así, como fuente neutrónica; hoy en día, se usa gas de deuterio/tritio, dos isótopos del hidrógeno. Lo que estamos intentando es, en esencia, ultracomprimir bruscamente la esfera hueca de plutonio de tal modo que quede atrapada entre una fuente neutrónica -la bolita de polonio o el gas- y un reflector de neutrones -la funda de berilio-; de tal modo que aumente enormemente su densidad, su temperatura y su flujo neutrónico. Porque entonces la masa crítica efectiva se reduce de golpe y cae de los diez kilos en condiciones normales a mucho menos de tres kilos, con lo que se volverá supercrítica instantáneamente. ¡Ojo, que esta es la clave! Vamos a explicarlo un poquito mejor:

Dijimos que la masa crítica del plutonio es de unos diez kilos en condiciones normales de densidad y temperatura. Pero resulta que la masa crítica es inversamente proporcional a la densidad, la temperatura y la cantidad de neutrones rápidos que haya circulando por dentro. Cuanto mayor es la densidad, la temperatura y el flujo neutrónico, menor es la masa crítica. Si conseguimos comprimir muy deprisa la esfera hueca de plutonio en forma de una esfera compacta a alta temperatura, presión y flujo neutrónico, el plutonio saltará rápidamente de ser muy subcrítico a ser muy supercrítico, lo que iniciará una reacción en cadena sostenida e instantánea de alta energía hasta que el material se agote o disperse por la propia explosión resultante. Como además -dijimos más arriba- al plutonio le cuesta un poquito empezar a emitir neutrones, cuando empiece a suceder sucederá de golpe, en avalancha, formando un pico de energía más breve pero más intenso que el del uranio. (En la imagen de la izquierda, 5,3 kg de plutonio-239 militar supergrade al 99,96%, antes de su procesado metalúrgico; suficiente para volar una ciudad).

Evidentemente, la manera más práctica de comprimir deprisa un material es rodeándolo con un explosivo de detonación rápida y haciéndolo estallar. Estos eran los moldes de material amarillento que vimos encima de la mesa al principio. Dispuestos alrededor de la esfera de plutonio-berilio y detonados con mucha precisión -para eso eran los cables y circuitos electrónicos- van a provocar una onda de choque esférica y muy rápida que avanzará hacia el exterior -como en cualquier otra explosión- pero también hacia el interior, en lo que denominamos una implosión. De hecho, a toda esta clase de armas se las llama dedetonación por implosión.

¿Estamos listos para volar algo serio? Pues vamos allá. Atención, porque va a ocurrir todo en pocos microsegundos:

1. Nosotros nos limitamos a activar los detonadores exteriores del explosivo convencional, y ya no tenemos que hacer nada más. De lo único que tenemos que asegurarnos es de que la detonación sea muy precisa, pues de lo contrario la onda de choque será asimétrica y el material no implosionará perfectamente hacia el centro.
2. El explosivo convencional que envuelve la esfera de plutonio-berilio estalla. La parte de la onda de choque que viaja hacia el interior comprime violentamente la esfera hueca hacia su centro geométrico, aumentando su densidad y temperatura a alta velocidad.
3. El hueco interior desaparece. La esfera es ahora sólida y se está ultracomprimiendo contra la fuente neutrónica interior.
4. Si la bomba está bien diseñada y ejecutada, ocurren cinco fenómenos simultáneamente en menos de un microsegundo:

• El plutonio se vuelve supercrítico, con lo que ya puede iniciar la reacción en cadena.
• La fuente neutrónica del centro se activa por temperatura/presión e inunda instantáneamente el plutonio con neutrones rápidos que lanzan la reacción en cadena por todas partes a la vez.
• La reacción en cadena del plutonio se inicia en avalancha. Comienza a producirse energía.
• La esfera exterior de berilio rebota los neutrones que intentan escapar de nuevo hacia el interior.
• Todo esto coincide con el pico máximo de presión ocasionado por la onda de choque del explosivo convencional, con lo que la reacción, en vez de disgregarse, se concentra cada vez más.

Arma nuclear de Los Álamos

5. Se produce una reacción en cadena instantánea de alta energía durante un cuarto de microsegundo. El centro geométrico del arma salta de golpe a estado plasmático, con una temperatura equivalente a cientos de miles de grados centígrados, con lo que la reacción se embala aún más.

6. Estas reacciones producen una violenta oleada de radiación fotónica electromagnética -luz visible, radiofrecuencia, infrarrojos, gamma, rayos X- que escapan al aire circundante a la velocidad de la luz. Se inicia el destello más brillante que un sol. Conforme la funda de berilio termina de desintegrarse durante otro cuarto de microsegundo, se le unen los neutrones rápidos que escapan de las reacciones en cadena en forma de radiación neutrónica.

7. La energía así generada comienza a disgregar el material y supera por muchos órdenes de magnitud la “energía implosiva” producida por el explosivo convencional, que se torna irrelevante en comparación. El plutonio que no ha fisionado todavía se vuelve de nuevo subcrítico y la reacción en cadena se interrumpe.

En menos de cinco microsegundos, el fenómeno ha finalizado y tenemos un cogollo de alta energía ultraconcentrada que se irradia velozmente en todas direcciones; la mayor parte, a la velocidad de la luz. Cuando esto ocurre dentro de la atmósfera, lo que hay en todas direcciones es, fundamentalmente, aire. Este aire absorbe parte de la radiación ultravioleta, parte de la gamma y casi todos los rayos X.

Como consecuencia, el aire se calienta en forma de una burbuja que se expande a varias decenas de millones de grados centígrados; esto se conoce como esfera isotérmica y brilla como cientos de millones de soles, desintegrando súbitamente todo lo que esté a su alcance. Cualquier persona que mire en su dirección quedará ciega al instante. Unos cien microsegundos después, su temperatura ha descendido a 300.000 ºC y ya sólo brilla como diez millones de soles; entonces, comienza a formarse una onda de choque en su superficie. Esto es la separación hidrodinámica. Esta onda de choque, que echa a correr a cien veces la velocidad del sonido (sí, Mach 100), no sólo transporta una brutal energía cinética sino que calienta por compresión las capas de aire de alrededor hasta unos 30.000 ºC: cinco veces la que hay en la superficie del sol. Todo lo que quede dentro de esta región (unos 220 metros para una bomba de 20 kilotones, menos que Nagasaki) resulta reventado y vaporizado sin importar de qué material estuviera hecho. No existe materia bariónica en el universo conocido capaz de resistir estas temperaturas ni muy remotamente. Estamos en la llamada área de aniquilación.

Arma nuclear Nuke

En este punto, la temperatura va cayendo a unos 3.000 ºC. Esta primera bola de fuego deja de brillar y se vuelve transparente, fenómeno conocido como la ruptura (breakaway). Pero entonces la esfera isotérmica aparece de nuevo por detrás, aún a 8.000 ºC; impacta contra la onda de choque que ha ido perdiendo velocidad y la realimenta violentamente, provocando así una tormenta ígnea en todas direcciones a miles de grados de temperatura y velocidades supersónicas. Es laonda de choque termocinética o segundo pulso, causante de la destrucción extensa típica de las armas nucleares, que en las más potentes puede llegar a decenas de kilómetros. Las personas mueren abrasadas, reventadas y por efecto del colapso de los edificios y el impacto de los proyectiles que vuelan a gran velocidad hacia todas partes (notoriamente, los cristales). Conforme aumenta la distancia, poco a poco, la onda de choque se va disipando (las colinas y otras irregularidades del terreno pueden proteger a lo que haya inmediatamente al otro lado). La cosa no acaba aquí; qué va.

Volvamos al principio. Teníamos un cogollo de alta energía irradiando a su alrededor. Hemos visto lo que ocurre con la parte de esta energía que interactúa con el aire, pero resulta que el aire es transparente al resto. El resto de la energía, pues, viaja libremente a su través hasta chocar con otras cosas sin que nada la pare por el camino, decreciendo sólo con el cuadrado de la distancia (por teoría de campos). Hay una parte de los rayos gamma, por ejemplo, que atraviesa el aire sin más e irradia lo que haya alrededor, incluyendo por supuesto a los seres vivos. A los seres vivos, la radiación gamma masiva les sienta fatal, pero fatal de veras: la tierra se vuelve estéril y la gente y los animales mueren al momento o más tarde, de síndrome radioactivo agudo. Esta es la irradiación directa de un arma nuclear.

Así quedó Nagasaki

¿Te acuerdas de todos esos neutrones que escaparon cuando finalizaba la reacción en cadena?  Bueno, pues esos también llegan detrás, y la radiación neutrónica es extremadamente penetrante. La más penetrante de todas, capaz de atravesar metros de hormigón armado. Bien es cierto que estos interactúan un poco más con el aire… para producir más radiación gamma. Pero los neutrones hacen algo que no hacen las otras formas de radiación: cuando alcanzan los átomos circundantes, los desestabilizan y los vuelven radioactivos también. Y a continuación viene la onda de choque, para pulverizarlos y esparcirlos por todas partes: es la primera fase de la contaminación radiológica, a la que pronto se sumarán los restos de la bomba y los isótopos radioactivos formados al paso de la esfera isotérmica. Cuando la onda de choque cese, la nube en hongo y los vientos terminarán de esparcirlos por todas partes.

¡Volvamos otra vez al principio! Una vez más, sólo una vez más: te lo prometo. La bomba ha emitido también grandes cantidades de energía fotónica/electromagnética en forma de radiofrecuencia, a las que hay que sumar las emisiones de los átomos excitados de la esfera isotérmica. Esto produce varios fenómenos curiosos, que eran en su mayor parte secretos hasta hace poco tiempo. Para empezar, por ejemplo, tenemos los pulsos electromagnéticos; no obstante, cuando la explosión se produce dentro de la atmósfera estos pulsos no llegan muy lejos y sus efectos sobre los equipos eléctricos y electrónicos resultan indistinguibles de la misma destrucción ocasionada por el arma. Sin embargo, también se producen otros más extraños como el oscurecimiento (blackout), que bloquea las ondas hertzianas (y con ellas las transmisiones de radio o televisión, el rádar y demás). Este oscurecimiento radioeléctrico es todavía muy poco conocido a nivel público, pero se sabe que se origina al menos de tres maneras diferentes y puede durar horas o días (hasta que se disipa el aire altamente ionizado).

Así funciona una bomba de fisión como la de Nagasaki y en general las primeras que hicieron los EEUU, la URSS o cualquier otro país. Su principal problema es que existe un límite práctico a la potencia que pueden liberar, directamente dependiente de la cantidad de plutonio que cargue y tu pericia científico-técnica a la hora de extraerle una eficiencia máxima. En el mundo real, resulta impráctico hacer armas de fisión pura con más de quinientos kilotones; y sale antieconómico superar los ochenta o cien (cuatro veces Nagasaki). Además, son muy poco flexibles.

Grapple-Orange Herald (31 de mayo de 1957). Desarrollada por el Reino Unido, fue el dispositivo de fisión más potente detonado jamás: cerca del límite teórico máximo, con 720 kilotones efectivos (cincuenta veces Hiroshima). Las armas de fisión de este calibre son muy costosas e imprácticas.

-¿Y entonces? -le preguntas a tu guía, el simpático.

-Entonces, aprendimos a hacer estrellas -contesta él.

-Creí que me habías dicho que esto ya era como un sol.

-Ah, sí, pero no es un sol de verdad. Los soles de verdad no funcionan así. Son mucho más poderosos. Así que hicimos estrellas de verdad.

-No me lo puedo creer.

-¿Y para qué te crees que es ese polvo blanco que tienes ahí y este termo que tengo yo aquí?

-¿La materia de la que están hechas las estrellas?

-Sí. Y las pesadillas.

(Tomado del Blog La pizarra de Yuri Gagarin, del diario Público, de España)

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