Armas nucleares, dispositivos explosivos, utilizados sobre todo por militares, que liberan
energía nuclear a gran
escala. La primera bomba atómica (o bomba A) fue probada el 16 de julio de 1945 cerca de Álamo gordo, Nuevo
México. Se trataba de un tipo completamente nuevo de explosivo. Hasta ese momento todos los explosivos obtenían su
potencia de la descomposición o
combustión rápida de algún compuesto químico. Las
reacciones químicasde este tipo sólo liberan la energía de los electrones más externos del
átomo. Véase Átomo.
En
cambio, los explosivos nucleares ponen en
juego la energía contenida en el núcleo del átomo. La bomba A obtenía su potencia de la ruptura o fisión de los núcleos atómicos de varios kilos de plutonio. Una esfera del tamaño de una pelota de
béisbol produjo una explosión equivalente a 20.000 toneladas de Trinitrotolueno (TNT).
La bomba A se desarrolló, construyó y probó en el marco del
Proyecto Manhattan. Se trataba de una extraordinaria
empresa estadounidense iniciada en 1942 durante la II
Guerra Mundial. En ella participaron muchos científicos eminentes, como los físicos Enrico Fermi, Richard Feynman y Edward Teller, y el químico Harold Urey. El director militar era el ingeniero del Ejército de los
Estados Unidos comandante general Leslie Groves. El director científico del proyecto, localizado en Los Álamos (Nuevo México) fue el físico estadounidense J. Robert Oppenheimer.
Terminada la
guerra, la Comisión para la Energía Atómica de los Estados Unidos se responsabilizó de todas las cuestiones nucleares, incluida
la investigación armamentística. Se construyeron otro tipo de
bombas que obtenían la energía de elementos más ligeros como el
hidrógeno. En ellas la reacción que proporciona la energía es la
fusión. Durante este
proceso los núcleos de los isótopos de hidrógeno se combinan y forman un núcleo, más pesado, de helio (ver más adelante
Armas termonucleares o de
fusión). La
investigación en este campo dio como resultado la
producción de bombas cuya potencia oscila de una fracción de kilotón (equivalente a 1.000 toneladas de TNT) hasta muchos megatones (equivalentes a un millón de toneladas de TNT). Además se ha reducido de forma drástica el tamaño físico de las bombas, con lo que han podido desarrollarse bombas nucleares de artillería y pequeños misiles que pueden ser disparados desde lanzadores portátiles en pleno campo de batalla. Aunque en un principio se pretendía que las bombas atómicas fuesen armas estratégicas transportadas por grandes bombarderos, en la actualidad las armas nucleares pueden utilizarse para diversos fines, tanto estratégicos como tácticos. No sólo se pueden lanzar desde diferentes tipos de avión, sino en cohetes o misiles guiados con cabeza nuclear desde
la tierra, el
aire o bajo
el agua. Los cohetes grandes pueden transportar varias cabezas con diferentes
objetivos. La investigación en armas nucleares prosigue hoy en día en Los Álamos y en el
Laboratorio Lawrence Livermore (California), en los Estados Unidos y en Aldermaston, en Gran Bretaña.
Armas de fisión
En 1905
Albert Einstein publicó la
teoría de la relatividad. De acuerdo con ella, la relación entre la masa y la energía viene dada por la ecuación E =mc2. Esto significa que a una masa m dada, corresponde una cantidad de energía E, equivalente a la masa multiplicada por el cuadrado de la
velocidadde la
luz c. Una pequeña cantidad de
materia equivale a una gran cantidad de energía. Por ejemplo: un kilogramo de materia que se convirtiese por completo en energía equivaldría a la energía liberada por la explosión de 22 megatones de TNT.
En sus
experimentos, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann dividieron el átomo de uranio en dos partes casi iguales bombardeándolo con neutrones. Más tarde, en 1939, la
física austriaca Lise Meitner y su sobrino, el físico británico Otto Frisch, explicaron la reacción de la fisión nuclear, lo que posibilitó la liberación de la energía atómica.
La reacción en cadena
Cuando el uranio u otro núcleo apropiado se fisiona, produce un par de fragmentos nucleares y libera energía. Al mismo
tiempo el núcleo emite enseguida cierto número de neutrones rápidos, la misma partícula que inició la fisión del núcleo de uranio. Esto hace posible que se produzcan una serie de reacciones de fisión nuclear de forma automantenida: los neutrones que se emiten durante la fisión provocan una reacción en cadena y una liberación sostenida de energía.
El isótopo ligero del uranio, el uranio 235, se divide sin dificultad a causa de los neutrones
producto de la fisión y al hacerlo emite una media de 2,5 neutrones. Para sostener una reacción en cadena basta con un neutrón por cada generación de fisiones nucleares. Otros pueden perderse al escapar del material reactivo, o ser absorbidos por las impurezas o por los isótopos más pesados como el uranio 238, si existen. Cualquier sustancia capaz de mantener una reacción de fisión en cadena se llama material físil.
Masa crítica
Una pequeña esfera, del tamaño de una pelota de golf, de un material físil puro, como el uranio 235, no mantendría una reacción en cadena. Escaparían demasiados neutrones de la reacción en cadena a través de su superficie que es demasiado grande respecto a su
volumen. Sin embargo, en el caso de una masa de uranio 235 del tamaño de una pelota de béisbol, el número de neutrones perdidos en la superficie se compensaría por el número de neutrones generados por las reacciones internas de fisión. La cantidad mínima de material físil con una forma dada necesaria para mantener la reacción en cadena se llama masa
crítica. Al aumentar el tamaño de la esfera producimos una configuración supercrítica en la que las sucesivas generaciones de fisiones aumentan con mucha rapidez, con lo que se puede llegar a una posible explosión, como resultado de la liberación en extremo rápida de una gran cantidad de energía. Por tanto, en una bomba atómica se debe ensamblar y mantener en contacto una masa de material físil mayor que la crítica durante una millonésima de segundo. Esto permite que la reacción en cadena se propague antes de la explosión. Un contenedor, hecho de algún material pesado, rodea el material físil y evita su explosión prematura. El contenedor también reduce el número de neutrones que se escapan.
Si se dividiese cada átomo de 0,5 kilogramos de uranio, la energía producida equivaldría a la potencia explosiva de 9,9 kilotones de TNT. En este hipotético caso la
eficiencia de la reacción sería del 100%. En las primeras
pruebas de la bomba A no se acercaron a ella. Además 0,5 kilos de uranio es poco para alcanzar la masa crítica.
Detonación de las bombas atómicas
Se han creado varios
sistemas para detonar una bomba atómica. El más simple es utilizar una pistola: se dispara un proyectil de material físil a un
objetivo del mismo material, para que ambos se fundan y formen un conjunto supercrítico. La bomba atómica que Estados Unidos hizo explotar sobre Hiroshima (
Japón) el 6 de agosto de 1945 fue un arma de ese tipo. Su energía era equivalente a 20 kilotones de TNT.
Un
sistema más complejo, llamado de implosión, se utiliza con bombas de forma esférica. La parte exterior de la esfera consiste en una capa de dispositivos llamados lentes con una forma y ensamblado especial. Están hechos de material explosivo y diseñados para concentrar la explosión en el centro de la bomba. Cada sección de este material altamente explosivo tiene un detonador que a su vez está unido por cable con las demás secciones. Una señal eléctrica hace explotar todas las partes del material explosivo de forma simultánea, lo que provoca una onda explosiva que converge en el núcleo de la bomba. En éste hay una esfera de material físil que se comprime por la poderosa
presión ejercida hacia el interior, es decir, la implosión. Esto aumenta la
densidad del material y produce un conjunto supercrítico. La bomba que se probó en Alamogordo y la que Estados Unidos lanzó sobre Nagasaki (Japón), el 9 de agosto de 1945, fueron de este tipo. Cada una de ellas equivalía a 20 kilotones de TNT.
Con
independencia del
método utilizado para alcanzar una configuración supercrítica, la reacción en cadena se produce durante una millonésima de segundo y libera grandes cantidades de energía térmica. La liberación tan rápida de una cantidad tan grande de energía en un volumen relativamente pequeño, provoca que la
temperatura alcance decenas de millones de grados. La posterior expansión y vaporización del material de la bomba provoca una potente explosión.
Producción de material físil
Fueron necesarios muchos experimentos para hacer factible la
producción de material físil.
Separación de los isótopos de uranio
El isótopo físil uranio 235 representa sólo el 0,7% del uranio natural. El resto se compone del más pesado uranio 238. Los
métodos químicos no son suficientes para separar el uranio 235 del uranio normal, porque ambos isótopos del uranio son idénticos en su forma
química. Se han creado varias
técnicas para separarlos, pero todas ellas se basan en la pequeña diferencia de peso que hay entre los dos tipos de átomos de uranio.
Durante la II Guerra Mundial se construyó en Oak Ridge (Tennessee) una inmensa planta de difusión gaseosa. Esta planta se amplió después de la guerra y se construyeron dos similares cerca de Paducah (Kentucky) y de Portsmouth (Ohio). El material de base para este tipo de planta es el
gashexafluoruro de uranio, que es muy corrosivo. Este gas se bombea sobre barreras que tienen millones de pequeños agujeros, a través de los cuales las moléculas más ligeras (que contienen átomos de uranio 235) se difunden a una velocidad mayor que las moléculas más pesadas que contienen átomos de uranio 238 (véase Difusión). Una vez que el gas se ha difundido a través de miles de estas barreras (también llamadas fases), se hace muy rico en el isótopo más ligero del uranio. El producto final es uranio apto para fabricar bombas con más de un 90% de uranio 235.
Producción de plutonio
Aunque el isótopo de uranio 238 no puede mantener una reacción en cadena, sí puede convertirse en material físil si se bombardea con neutrones. Este proceso puede llevar a la obtención de un nuevo elemento. Cuando el átomo de uranio 238 captura un neutrón en su núcleo se transforma en un isótopo más pesado: el uranio 239. Éste se desintegra con mucha rapidez y forma neptunio 239 que es un isótopo del elemento 93. Una nueva desintegración convierte este isótopo en otro del elemento 94, llamado plutonio 239. Éste, como el uranio 235, se fisiona después de la absorción de un neutrón y puede usarse como material para bombas. La producción de plutonio 239 en grandes cantidades requiere una intensa fuente de neutrones. Esta fuente se obtiene de la reacción en cadena controlada que se produce en un reactor nuclear. Véase Física nuclear.
Durante la II Guerra Mundial se diseñaron reactores que proporcionaban los neutrones necesarios para producir el plutonio. Se construyeron algunos capaces de producir grandes cantidades de plutonio en Hanford (Washington) y cerca de Aiken, en Carolina del Sur.
Armas termonucleares o de fusión
Antes de que se fabricara la primera bomba atómica los científicos ya se dieron cuenta de que en teoría era posible una reacción nuclear diferente de la fisión, como fuente de energía nuclear. En vez de aprovechar la energía que se produce en una reacción en cadena en el material físil, las armas nucleares podrían utilizar la energía liberada en la fusión de los elementos más ligeros. Esta reacción es la opuesta a la fisión, ya que consiste en la fusión de dos núcleos de isótopos de algún átomo ligero como el hidrógeno. Por esta razón, las bombas de fusión nuclear se llaman muchas veces bombas de hidrógeno o bombas H. De los tres isótopos de hidrógeno, los dos más pesados, deuterio y tritio, son los que se combinan con más facilidad para formar helio. Aunque la liberación de energía por reacción nuclear durante la fusión es menor que en la fisión, la cantidad de átomos en 0,5 kilogramos de un material ligero es mucho mayor. La energía que liberan 0,5 kilogramos de un isótopo de hidrógeno es equivalente a 29 kilotones de TNT, es decir, tres veces más que la misma cantidad de uranio. Pero esta estimación presupone la fusión de todos los átomos de hidrógeno. La fusión se produce sólo a temperaturas de varios millones de grados y su velocidad sufre un incremento espectacular con la temperatura. Estas reacciones se llaman, por tanto, reacciones termonucleares (inducidas por
calor). Hablando en términos estrictos, la palabra termonuclear denota que los núcleos tienen un rango (o
distribución) de energías característico para cada temperatura. Este hecho es importante, al posibilitar las reacciones de fusión rápidas mediante un incremento de la temperatura.
El
desarrollo de las bombas de hidrógeno era imposible antes de que se perfeccionaran las bombas A, dado que sólo éstas podían proporcionar la tremenda cantidad de calor necesaria para iniciar la fusión de los átomos de hidrógeno. Los científicos atómicos consideraban las bombas A como el detonador del dispositivo termonuclear proyectado.
Pruebas termonucleares
Después de algunas pruebas experimentales llevadas a cabo en la primavera de 1951 en la zona de pruebas de Estados Unidos en las islas Marshall, el 1 de noviembre de 1952 se realizó con
éxito la primera prueba a gran escala de un dispositivo de fusión. Esta bomba, llamada Mike, produjo una explosión de la potencia de varios millones de toneladas de TNT (es decir, varios megatones). La Unión Soviética detonó una bomba termonuclear de más de un megatón en agosto de 1953, mucho antes de lo que se esperaba. El 1 de marzo de 1954, Estados Unidos hizo explotar una bomba de fusión de una potencia de 15 megatones. Provocó una bola de fuego de más de 4,8 kilómetros de diámetro y una enorme nube en forma de hongo, que se elevó con mucha rapidez hasta la estratosfera.
La explosión de marzo de 1954 dio lugar a que se reconociera mundialmente la existencia de la lluvia radiactiva. La lluvia de desechos radiactivos procedentes del hongo atómico reveló también muchas cosas sobre la
naturaleza de una bomba termonuclear. Si la bomba hubiese sido una bomba A, como detonador de un núcleo de isótopos de hidrógeno, la única radiactividad persistente hubiera sido la de los restos de la fisión del detonador y la inducida por los neutrones en el
agua de mar y en los corales. Pero algunos residuos radiactivos cayeron en un barco japonés llamado el Dragón afortunado, un atunero que se encontraba a 160 kilómetros del lugar de la explosión. El polvo radiactivo fue analizado con posterioridad por científicos japoneses y sus resultados probaban que la bomba cuyos residuos se habían recogido sobre el Dragón afortunado era algo más que una bomba H.
Bombas de fisión-fusión-fisión
La bomba termonuclear de 1954 fue un arma de tres fases. La primera fase era una bomba A que actuaba como detonador. La segunda era una bomba H, resultante de la fusión de deuterio y tritio en el interior. Al detonar se formaban átomos de helio y neutrones de alta energía. La tercera fase se iniciaba con el impacto de estos neutrones en la cubierta exterior de la bomba, que estaba hecha de uranio natural o uranio 238. En este punto no se producía reacción en cadena, pero los neutrones de la fusión tenían suficiente energía como para producir la fisión del núcleo de uranio, lo que se sumaba a la potencia explosiva total y a la radiactividad de los residuos de la bomba.
Efectos de las armas nucleares
Los efectos de las armas nucleares se estudiaron con mucho detenimiento.
Efectos de la onda expansiva
Al igual que con las explosiones de armas convencionales, la mayor parte del
daño causado por una explosión nuclear en los edificios y en otras
estructuras proviene, de modo directo o indirecto, de los efectos de la onda expansiva. La rápida expansión de los
materiales de la bomba produce un impulso de altas presiones, también llamado onda de choque, que se mueve desde la bomba en explosión hacia fuera con mucha rapidez. En el aire, esta onda de choque se llama onda expansiva, porque es equivalente a ésta y la acompañan vientos de una
fuerza mucho mayor que los de un huracán. Los daños son producidos tanto por el gran exceso (o sobrepresión) de aire que anteceden a la onda expansiva como por los vientos tan fuertes que siguen soplando después del paso de la onda expansiva. El alcance de los daños en
tierra como consecuencia de la explosión depende de su equivalente en TNT, de la altitud a la que explotó la bomba (altura de la explosión) y de la distancia de la
estructura hasta el punto cero (es decir, el punto situado justo bajo la explosión de la bomba en vertical). En el caso de las bombas A que explotaron sobre Japón, la altura de la explosión fue de unos 550 metros, ya que se calculó que esta altura produciría un área de destrucción máxima. Si el equivalente en TNT hubiera sido mayor, se habría escogido también una mayor altitud de explosión.
Si se elige una altura de explosión que maximice el área afectada, una bomba de 10 kilotones provocará daños graves en las casas con estructura de
madera (muy comunes en Estados Unidos) a una distancia de más de 1,6 kilómetros del punto cero y provocará daños moderados hasta los 2,4 kilómetros (una casa con graves daños ya no se puede reparar). El
radio de devastación se incrementa con la potencia de la bomba, de modo proporcional a su raíz cúbica. Por tanto, si una bomba de 10 megatones (1.000 veces más poderosa que una de 10 kilotones) explota a una altura óptima, las distancias se incrementarán por un factor diez: 16 kilómetros de radio para los daños graves y 24 kilómetros para los daños moderados.
Efectos térmicos
Las altísimas temperaturas que se alcanzan en una explosión nuclear provienen de la formación de una masa de gas incandescente muy caliente que se llama bola de fuego. Por una bomba de 10 kilotones detonada en el aire, la bola de fuego alcanzaría un diámetro de 300 metros y la de una bomba de 10 megatones sería de 4,8 kilómetros. La bola de fuego emite un fogonazo de
radiación térmica (es decir, calor), que se extiende sobre una gran área pero con una intensidad cada vez más débil. La cantidad de energía térmica recibida a cierta distancia de la explosión nuclear depende de la potencia de la bomba y de las condiciones de la
atmósfera. Si hay poca visibilidad o la bomba explota sobre las nubes, la efectividad de la onda térmica disminuye. La radiación térmica provoca quemaduras en la
piel que no está protegida. Una explosión de 10 kilotones en el aire puede producir quemaduras de gravedad moderada (de segundo grado y que requieren
atención médica) a 2,4 kilómetros del punto cero. Para una bomba de 10 megatones la distancia se eleva a más de 32 kilómetros. También se producirían quemaduras menos graves de la piel expuesta mucho más lejos. La mayor parte de la ropa ordinaria protege de la radiación térmica, al igual que casi cualquier objeto opaco. Las quemaduras provocadas por el fogonazo térmico sólo se producen si la piel está expuesta de forma directa, o la ropa es demasiado ligera para absorber la radiación térmica.
La radiación térmica puede provocar
incendios en materiales inflamables secos, como por ejemplo el papel o algunos
tejidos. Estos incendios pueden propagarse si hay condiciones apropiadas. La experiencia de las bombas A detonadas sobre Japón indica que muchos incendios, en especial los de las zonas cercanas al punto cero, se iniciaron por causas secundarias como cortocircuitos, conductos de gas rotos y hornos y
calderas industriales volcados. La onda expansiva produjo escombros que ayudaron a mantener los incendios y que dificultaron el acceso de los
servicios de bomberos. Por tanto, gran parte de los daños provocados por el fuego en Japón fueron efectos secundarios de la onda expansiva.
Bajo ciertas condiciones, como las que se dieron en Hiroshima pero no en Nagasaki, muchos fuegos dispersos se pueden combinar y producir una tormenta de fuego, como las que acompañan a algunos grandes
incendios forestales. El calor del fuego provoca una fuerte corriente ascendente, que a su vez provoca vientos fuertes, dirigidos hacia la zona que está ardiendo. Estos vientos avivan las llamas y convierten la zona en un
holocausto en el que se destruye cualquier cosa inflamable. Sin embargo, como el viento lleva las llamas hacia el interior, se puede limitar la zona en que se propague un fuego.
Radiactividad
Aparte de la onda térmica y expansiva, las bombas nucleares tienen un efecto característico. Liberan radiación penetrante que es diferente por completo de la radiación térmica, es decir, del calor (véase Radiactividad). Cuando es absorbida por el cuerpo, la radiación nuclear puede provocar graves daños. Si la explosión ocurre a gran altitud, el radio en que se producen estos daños es menor que el de los daños por incendios y por la onda expansiva o que el de las quemaduras por radiación térmica. Sin embargo, en Japón debido a la radiación murieron más tarde muchas personas que estaban protegidas de la onda expansiva y de las quemaduras.
Existen dos categorías de radiación nuclear provocadas por una explosión: la radiación instantánea y la radiación residual. La radiación instantánea se compone de un fogonazo de neutrones y rayos gamma que se propagan por una zona de varios kilómetros cuadrados. Los efectos de los rayos gamma son idénticos que los de los
rayos X. Tanto los neutrones como los rayos gamma pueden atravesar la materia sólida, por lo que para protegerse hacen falta materiales de gran espesor.
La radiación residual conocida como lluvia radiactiva puede ser un peligro en grandes zonas que no sufran ninguno de los otros efectos de la explosión. Las bombas que obtienen su energía de la fisión del uranio 238 o del plutonio 239 producen dos núcleos radiactivos por cada núcleo físil que se divide. Estos
productos de la fisión producen una radiactividad permanente en los restos de la bomba, ya que la vida media de estos átomos se puede medir por días, meses o años.
Se conocen dos tipos de lluvia radiactiva, la inicial y la tardía. Si la explosión nuclear se produce cerca de la superficie, la tierra o el agua se levantan formando una nube en forma de hongo. Además el agua y la tierra se contaminan al mezclarse con los restos de la bomba. El material contaminado empieza a depositarse a los pocos minutos y puede seguir haciéndolo durante 24 horas, cubriendo una zona de varios miles de kilómetros cuadrados, en la
dirección en que el viento lo lleve. Se llama lluvia radiactiva inicial y supone un peligro inmediato para los seres humanos. Si una bomba nuclear explota a gran altitud, los residuos radiactivos se elevan a gran altura junto con la nube en forma de hongo y cubren una zona aún más extensa.
La experiencia de la lluvia radiactiva en
el hombre ha sido mínima. El caso más importante es el de la
exposición accidental de isleños y pescadores en la explosión de 15 megatones del 1 de marzo de 1954. La lluvia radiactiva ha afectado a los seres humanos en diversas ocasiones: las secuelas de los experimentos nucleares estadounidenses en Bikini (Micronesia, 1946) y de las bombas nucleares de Hiroshima y Nagasaki en 1945 todavía se manifiestan en la
población que sufrió sus efectos y en sus descendientes. El 26 de abril de 1986 estalló el reactor de la central nuclear ucraniana de Chernóbil, y emitió radiación durante 10 días. En el plazo de cinco años
el cáncer y la leucemia aumentaron en la zona un 50%. No es posible calcular o predecir las generaciones futuras que todavía se verán sometidas a las consecuencias de los
accidentes o explosiones nucleares. Las propiedades de la radiactividad y las inmensas zonas que pueden contaminarse convierten a la lluvia radiactiva en lo que, potencialmente, pudiera ser el efecto más letal de las armas nucleares.
Efectos climáticos
Aparte de los daños por la onda expansiva y por la radiación, una guerra nuclear a gran escala entre naciones tendría casi con certeza un efecto catastrófico sobre el
clima mundial. Esta posibilidad, que se planteó en un artículo publicado por un
grupo internacional de científicos en diciembre de 1983, se conoce como la teoría del 'invierno nuclear'. Según estos científicos, la explosión de menos de la mitad del total de las cabezas nucleares de Estados Unidos y
Rusia enviaría a la atmósfera enormes cantidades de polvo y humo. Esta cantidad sería suficiente para ocultar al Sol durante varios meses, sobre todo en el hemisferio norte, lo que acabaría con las
plantas y provocaría un clima de temperaturas bajo cero hasta que se dispersase ese polvo. La
capa de ozono también se vería afectada, lo que agravaría los daños como consecuencia de la radiación ultravioleta solar. Si esta situación se prolongase, significaría el fin de la civilización humana. Desde entonces, la teoría del invierno nuclear ha
estado permanentemente envuelta en polémica. En 1985 el Departamento de Defensa de Estados Unidos reconoció la validez de la idea, pero afirmó que no afectaría a la
política de defensa
Monografía completa en:
Arma nuclear
Descripción de una tecnología de muerte
http://www.monografias.com/cgi-bin/jump.cgi?ID=175431 ---
**Visita:
http://bohemiaylibre.blogspot.com
