ANATOMIA DI UNA BOMBA NUCLEARE

[Visitatore Marco U-571]

ANATOMIA DI UNA BOMBA NUCLEARE

di Marco Galluccio

 

Tutti, chi più chi meno, hanno letto o visto qualcosa in merito alla terribile quanto spettacolare bomba atomica. Inutile ricordare che la prima esplose a Los Alamos in piena Seconda Guerra Mondiale, grazie al contributo dato dagli studi di scienziati come Fermi e Oppenheimer. E chi non ricorda quel fatidico 6 agosto 1945, quando Hiroshima fu la prima città della storia umana a subire un'esplosione nucleare? Nagasaki avrebbe ricevuto la stessa sorte solo tre giorni dopo. Ma lo scopo del presente articolo non è quello di trattare argomenti e fatti storici conosciutissimi dal pubblico: una tale ripetizione risulterebbe probabilmente noiosa per i nostri lettori, certamente a conoscenza almeno dei fatti principali. In questa sede vogliamo addentrarci decisamente più in campo scientifico che in campo storico, andando ad analizzare i meccanismi fisici e costruttivi che permettono ad una bomba nucleare di esplodere. Senza dubbio si tratta del sistema d'arma più potente mai realizzato dall'uomo, e riteniamo interessante chiarirne il funzionamento.

Esistono due modalità tramite le quali un atomo possa rilasciare energia nucleare, cioè quella appunto sprigionata al momento dell'esplosione: fissione e fusione.

 

Fissione e fusione

Il primo meccanismo, quello della fissione, si basa in parole povere su una reazione a catena. Ad esempio, un nucleo di U235, cioè l'isotopo dell'uranio con numero di massa 235, viene colpito da un neutrone. L'atomo allora si scinde in due metà, sviluppando energia e liberando 2 o 3 nuovi neutroni. Questi ultimi, a loro volta, danno vita ad una reazione a catena sempre più energetica, dato che ogni nuovo neutrone sviluppato va a colpire e a dividere altri atomi di uranio. Questo appena accennato, ripetiamo, è solo un esempio: oltre agli isotopi dell'uranio (oltre al 235 si usa anche il 233), infatti, può essere utilizzato anche il l'isotopo 239 del plutonio.

La fusione consiste in una forma di energia con intensità ed efficienza molto maggiore di quella della fissione: basti pensare che tale meccanismo è quello che permette alle stelle, prima fra tutte il Sole, di splendere e rimanere in vita. Il più comune esempio di fusione è appunto quello relativo al processo chimico-fisico che si sviluppa nella nostra stella, all'interno della quale i semplici atomi di idrogeno - o i loro isotopi - si uniscono per formare il più complesso atomo dell'elio.

 

Quanti sono i tipi di bomba?

La realizzazione di una bomba atomica presuppone la disponibilità di tre componenti fondamentali (a cui si aggiungono i pezzi di secondaria importanza): il combustibile cioè il materiale atto alla fissione o alla fusione, un sistema di detonazione e un apparato che permetta la fissione o fusione della maggior parte del combustibile prima che avvenga l'esplosione (in caso contrario la bomba non avrebbe effetto).

Le bombe sono classificate a seconda del processo che sta alla base del loro funzionamento e anche a seconda della loro configurazione interna, che adesso andremo a studiare in dettaglio.

 

Bombe a fissione

Cominciamo con la descrizione del funzionamento generale di una bomba a fissione, per poi entrare nel dettaglio a seconda del meccanismo di detonazione. Come già accennato, il materiale fissile usato in queste bombe è il plutonio o, più frequentemente, l'uranio (in ogni caso si tratta di isotopi, cioè atomi con diverso numero di neutroni rispetto all'atomo standard). Abbiamo già spiegato il funzionamento della fissione del paragrafo FISSIONE E FUSIONE. Nel momento in cui si scatena la reazione a catena in questione, si dice che la massa è diventata supercritica, in pratica instabile. Gli urti fra neutroni e atomi di uranio avvengono in tempi rapidissimi, per noi neanche concepibili: si tratta di intervalli dell'ordine di 1 picosecondo, cioè un millesimo di miliardesimo di secondo! Nel momento in cui gli atomi di uranio vengono scissi dai neutroni, viene emessa un'enorme quantità di energia sotto forma di calore e di raggi gamma; questo avviene poiché il prodotto (in termini di particelle) di ciascuna fissione pesa meno dell'originario atomo di, ad esempio, uranio 235. La massa in eccesso si converte in energia, in accordo con la famosissima legge di Einstein: E=mc2. Tale equazione sta a significare, in termini quantitativi, che l'energia emessa è pari al prodotto tra la massa in eccesso e il quadrato della velocità della luce.

Il combustibile, fino al momento dell'esplosione, deve rimanere allo stadio subcritico cioè non in grado di supportare una reazione a catena e quindi stabile, in modo da evitare catastrofiche auto-detonazioni anticipate. La situazione cambierà quando la massa diverrà critica: con questo termine si intende la quantità minima possibile di materiale in grado di sostenere la fissione.

Tutte queste esigenze comportano alcuni problemi di progettazione e disegno dell'arma, in cui ciascun pezzo deve stare in una determinata posizione senza arrecare problemi. Prima di tutto, le due o più masse subcritiche devono essere unite, onde ottenere una massa supercritica, altrimenti l'esplosione non potrebbe avvenire. Poi, bisogna far in modo da "sparare" i neutroni sulla massa supercritica per scatenare la fissione. Infine, bisogna far in modo che la maggior parte del materiale venga fissionato prima che la bomba esploda: maggiore è la quantità, più efficiente sarà l'arma.

Per fondere le masse subcritiche in un'unica massa supercritica, l'innesco o detonatore può essere a proietto (gun-triggered) o ad implosione.

Per introdurre i neutroni sulla massa, è presente un generatore di neutroni che altro non è se non una piccola palla di berillio e polonio, separata dal materiale fissionabile tramite una lastra. Nel momento in cui la massa di uranio o plutonio diventa supercritica, ed è quindi pronta all'esplosione, il generatore interviene con una triplice sequenza di operazioni: 1) la lastra protettiva viene sfondata quando la massa diventa supercritica e il polonio emette spontaneamente raggi alfa; 2) questi raggi vanno a interagire con il berillio 9 per andare a produrre berillio 8 e neutroni liberi; 3) questi ultimi, i neutroni cioè, ora che sono liberi possono dar inizio alla fissione vera e propria.

L'intera reazione di fissione avviene all'interno di un materiale molto denso detto tamper, che generalmente è costruito in uranio 238. Proprio dall'energia sviluppata nella fissione, il tamper viene riscaldato ed espanso; a questo punto tale pressione va nuovamente ad agire sul nucleo prima fissionato, in modo da rallentarne l'espansione. Allo stesso tempo, il tamper riflette i neutroni e li rimanda nel nucleo, la cui efficienza di fissione verrà così aumentata. Insomma, volendo fare un esempio un po' fantasioso, il tamper è come una specie di padrone che fa agitare sempre più il suo cane pur mantenendolo al guinzaglio.

Bombe a fissione con detonazione a proietto

Detta più semplicemente gun-triggered fission bomb, si tratta del tipo più semplice di bomba nucleare e in effetti la Little Boy (da 14,5 kilotoni) lanciata su Hiroshima era proprio di questo tipo: proprio perché ancora rudimentale, la bomba aveva un'efficienza bassissima, dell'1,5%, per cui solo quindici millesimi del materiale potenzialmente fissionabile vennero effettivamente fissionati. Il principio di base è quello secondo cui le singole masse subcritiche vengono messe assieme mediante l'energia cinetica di un proiettile sparato. All'interno della bomba è presente una specie di lungo tubo: ad un estremo è presente un proiettile di uranio 235 mentre all'altro capo si trova il generatore di neutroni circondato da una sfera sempre di U 235. Nel momento in cui viene decisa l'esplosione (generalmente sulla bomba viene installato un barometro che fa esplodere l'ordigno all'altezza desiderata), dell'esplosivo detona e fa partire il proiettile di uranio, questo attraversa il tubo e colpisce la sfera alla fine del percorso, a questo punto i neutroni vengono liberati provocando la fissione e la conseguente esplosione. Ovviamente tutte queste operazioni vengono effettuate in intervalli di tempo ridottissimi.

 

Bombe a fissione ad implosione

Ciò che cambia rispetto al tipo precedente consiste solo nella modalità di detonazione. Invece della pallottola di uranio, è presente un involucro sferico cavo in uranio 239 circondato da esplosivo. Dato che all'interno della sfera è presente il nucleo fissionabile, quando l'esplosivo viene fatto detonare l'onda d'urto porta all'implosione del nucleo ed alla reazione di fissione. Oggi esistono ordigni ad implosione più avanzati rispetto al primo, che fu proprio la bomba Fat Man sganciata su Nagasaki, da 23 kilotoni e con un'efficienza del 17%.

 

Bombe a fusione

Le bombe a fusione rappresentano il più potente ordigno mai creato dall'uomo. Esse vengono anche dette termonucleari, e sono notevolmente diverse dalle bombe a fissione. Pur non avendo mai offerto un rendimento molto alto (per problemi tecnologici), si tratta comunque di armi ben più potenti di quelle a fissione, sia in termini di onda d'urto prodotta sia in quanto a temperatura raggiunta nell'area di esplosione.

Come abbiamo anticipato, il materiale da fusione non è l'uranio o il plutonio: si tratta invece dell'idrogeno o dei suoi isotopi (deuterio e trizio). Il processo della fusione è molto complesso e tecnicamente difficile da realizzare, soprattutto se controllato, ancora oggi gli studi in proposito sono in pieno svolgimento; esso comporta diversi problemi anche per una bomba, anche se questa fondamentalmente si basa su un processo non controllato.

Fra le varie difficoltà c'è il fatto che l'idrogeno e i suoi isotopi si trovano in forma gassosa e quindi sono difficili da immagazzinare (un po' lo stesso problema dei modernissimi motori all'idrogeno), poi il trizio ha una vita molto breve e dev'essere continuamente rigenerato e, infine, gli isotopi devono essere portati a pressioni molto elevate al fine di realizzare la fusione.

Per risolvere i singoli problemi si è proceduto in questa maniera: il deuterio viene combinato con del litio, formando un composto solido che può essere comodamente immagazzinato. La restrizione dovuta al problema della rigenerazione del trizio è stata eliminata nel momento in cui i costruttori si sono resi conto che i neutroni prodotti dalla fusione (sotto opportune condizioni) sono in grado di produrre trizio, che quindi non è più necessario includere a priori nella bomba. Per il problema della pressione, lo scienziato Ulam scoprì che provocando una fissione prima della fusione, si sarebbe avuta produzione di raggi X (l'esplosione di una bomba a fissione, infatti, produce il massimo della radiazione proprio nel campo delle lunghezze d'onda dei raggi X); siccome i raggi X riescono a generare alte temperature e pressioni, la soluzione era stata trovata.

Bombe a fusione tipo Teller-Ulam

Si tratta del più classico tipo di bombe a fusione. Tale design viene spesso applicato ai missili balistici con testata nucleare di elevato potenziale e il nome deriva dai due scienziati Edward Teller e Stanislaw Ulam. In questo tipo di ordigno, la fissione è provocata da una bomba ad implosione; in più è presente un tamper costituito da un cilindro di uranio 238, contenente il solido composto da litio e deuterio (deuterato di litio) oltre ad una canna vuota di plutonio 239 posta al centro del cilindro. La necessaria separazione tra la bomba a fissione e il cilindro è permessa da uno scudo in uranio 238 e da una schiuma che riempie in sicurezza gli spazi vuoti rimasti.

Una volta che la bomba a fissione viene fatta brillare, si verifica tutta una serie di complessi eventi che qui elenchiamo: 1) i raggi X dovuti allo scoppio della bomba a implosione riscaldano l'intero nucleo, mentre le protezioni prevengono una detonazione prematura; 2) il riscaldamento provoca un forte aumento di pressione che comprime il deuterato solido; 3) nel frattempo comincia un processo di fissione nella canna di plutonio, il che provoca emissione di radiazioni e di neutroni; 4) l'urto fra questi neutroni e il composto solido porta alla formazione del trizio; 5) a questo punto si verifica la vera e propria fusione; 6) all'enorme energia e calore appena sviluppati si aggiungono quelli della fissione indotta nei frammenti di uranio 238 interni all'ordigno (provenienti da cilindro e scudo); 7) le energie prodotte da fissione e fusione si sommano dando vita ad una potentissima esplosione nucleare, dell'ordine di grandezza dei 10 megatoni.

L'intero processo dura soltanto 600 miliardesimi di secondo!

I danni

Sono quattro i fattori distruttivi dovuti all'esplosione di un ordigno nucleare: calore sviluppato (fino a 300 milioni di gradi centigradi in corrispondenza del punto di detonazione), onda d'urto, emissione di radiazioni e successivo "fall-out" radioattivo. Meritano ulteriori spiegazioni gli ultimi due effetti.

E' ben risaputo che l'esposizione dell'essere umano a forti radiazioni siano ben nocive. I possibili effetti sull'uomo dipendono da numerosi fattori: tipo di radiazione, intensità, parti del corpo interessate, ecc. Sono proprio questi che determinano se le conseguenze saranno di lieve gravità o meno. L'esposizione alle radiazioni porta nella migliore delle ipotesi ad effetti a lungo termine (tardivi e/o genetici) ma, al contrario, una contaminazione di forte entità può facilmente portare alla morte nel giro di pochi giorni o addirittura ore, sempre che si sia sopravvissuti all'enorme calore e all'onda di pressione.

L'unità di misura per la valutazione dell'esposizione a radiazioni è il sievert (Sv). Non bisogna confondere il sievert con l'unità di misura preposta alla misurazione dell'assorbimento di radiazioni: il gray (Gy).

Gli effetti dovuti a radioattività diretta sull'uomo possono essere di tre tipi: 1) effetti immediati: forte irritazione della pelle, caduta di peli e capelli, riduzione di globuli bianchi, rossi e linfociti, ulcere al sistema gastro-intestinale, sterilità, cataratta, infiammazione polmonare, cessazione di secrezioni ormonali tiroidee, danni irreparabili al cervello, lesioni ai reni. Al di sopra dei 6 gray: distruzione dell'epitelio intestinale, grave shock e setticemia, morte certa; 2) effetti tardivi: leucemia, tumori maligni; 3) effetti genetici: mutazioni genetiche, aberrazioni cromosomiche, variazione del numero di cromosomi.

Abbiamo poi il responsabile del successivo inquinamento radioattivo: il cosiddetto "fall-out", cioè la ricaduta di materiali radioattivi formatisi in seguito ad esplosioni nucleari; le radiazioni emesse da tali elementi, infatti, sono causa di variazioni nell'ecosistema di una determinata area.

Il fall-out è fortemente influenzato dai movimenti delle masse d'aria atmosferica: il materiale più leggero può rimanere nella troposfera per diverso tempo, e ricadere anche un mese dopo l'esplosione, mentre le sostanze più grosse e pesanti ricadono generalmente nel giro di una giornata. Gli elementi maggiormente pericolosi del fall-out sono il cesio 137, lo iodio 131 e lo stronzio 90, in quanto presentano una forte tendenza a fissarsi facilmente negli organi umani e animali e nei vegetali, entrando dunque nel ciclo alimentare. Il cesio va a piazzarsi nei tessuti molli, prevalentemente nei muscoli scheletrici. Lo iodio si fissa nella tiroide, ghiandola endocrina di fondamentale importanza per il controllo del metabolismo cellulare. Infine, lo stronzio si va a localizzare nelle ossa e nei denti, colpendo dunque maggiormente gli individui giovani. Gli alimenti più a rischio in seguito ad un fall-out nucleare sono carni, latte e verdure.

I bambini sono i soggetti più a rischio, spesso affetti da cancro alla tiroide in seguito a forti esposizioni radioattive (Cernobyl ne è l'esempio più tragicamente celebre): la somministrazione, entro un paio d'ore dall'eventuale incidente, di tavolette di iodato di potassio possono ragionevolmente ridurre il rischio di tumori.

 

Conclusione

Buona parte del testo che avete appena letto conteneva nozioni non esattamente alla portata di tutti, ma crediamo di aver reso i concetti abbastanza comprensibili, anche per chi non abbia mai avuto un buon rapporto con la chimica...

L'arma nucleare ha da sempre affascinato il sottoscritto, ma non bisogna mai dimenticare quali siano i devastanti effetti che un ordigno di tale portata possa provocare, non solo sugli esseri umani ma anche e soprattutto sull'ambiente. Auspichiamo che in futuro l'energia nucleare venga sfruttata per fini non bellici e, al contrario, per la produzione di energia alternativa e non inquinante. Allo stesso tempo, speriamo di aver almeno per un momento portato il lettore a riflettere quanto l'esistenza stessa dell'uomo possa essere legata a quel famoso "bottone rosso" che in ogni momento potrebbe provocare un disastro di proporzioni planetarie.

Magari senza saperlo abbiamo già rischiato più volte l'olocausto. Quel che è certo è che durante la crisi di Cuba i capi di stato maggiore alle dipendenze del presidente Kennedy erano pronti a scatenare la guerra nucleare con una leggerezza quantomeno sconcertante...

 

Marco Galluccio

Presidente ITALIADIFESA

[BERILLO*]

......ACC !!!!.....MANCA SOLO IL DISEGNO TECNICO,..

 

...POI LA COSTRUISCO.....GRAZIE...MARCO,...

 

........MOLTO INTERESSANTE.......

 

BERILLO :s02: :s02: :s15:

[Visitatore Marco U-571]

Se vuoi la costruiamo insieme, così l'Italia diventa pure potenza nucleare :s13:

[Visitatore Gotrek]

Così ci arrestano....

[luciano46]

Marco sei fantastico anch' io fin da ragazzo sono appassionato di fisica nucleare.

Se quello che hai postato e' farina del tuo sacco secondo me' dovresti essere all'ENEA.

Non hai fatto un solo errore nella descrizione delle bonbe nucleatri e termonucleari.

E purtroppo la loro costruzione in particolare di quelle nucleari e' di una semplicita' unica, ed e' la cosa che mi fa' piu' paura, chiunque con poche nozioni e il materiale fissile adatto e' in grado di realizzarla.

Pero' ho notato che te ne sei dimenticato una "la Bomba N" quella a neutroni, in apparenza la meno potente e distruttiva, sai di che parlo, di quella cosidetta tattica con un raggio d'azione di appena 2 km, ma entro quel raggio anche se i materiali non ne risentono spariscono tutte le forme di vita compresi i batteri!!!

Ciao

Luciano

[Von Skion]

Così ci arrestano....

 

Naaa che vai a pensare...

 

...Ci bombardano preventivamente, tutto qua.

[luciano46]

:s03: :s03: :s03: :s03: :s03: :s03: :s03: :s03: :s03:

 

Luciano

 

P.S. Speriamo che a nessuno venga mai in mente di usarle!!!!!

[Visitatore Marco U-571]

Beh Luciano, ti ringrazio ma quanto postato non è farina del mio sacco ma di una persona molto competente in fatto di sommergibili e sottomarini, ossia Marco Galluccio, webmaster del sito http://www.sottomarini.tk ed autore di un bellissimo libro che potete acquistare QUI dal titolo "Siluro in acqua". Posto tutto quello che può essere di pubblico interesse. :s02:

[luciano46]

Grazie di cuore Marco U-571

:s15: :s15: :s15: :s15: :s15:

Ciao

Luciano