Esplosione nucleare: come funziona una bomba atomica!

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Quando gli Stati Uniti sganciarono la bomba atomica sulla città giapponese di Hiroshima il 6 agosto 1945, il culmine di diversi anni di lavoro delle menti più brillanti del pianeta fu «compiuto». A quel tempo, la bomba era l’arma più potente mai creata e provocava devastazioni mai viste prima.  Era una «gara». Una gara che negli ultimi mesi della guerra era diventata una competizione a partecipazione singola dopo l’abbandono dei tedeschi con la caduta del Terzo Reich nel maggio 1945. Così, la sfida lasciata agli americani era quella di creare l’arma il più presto possibile. Inoltre, secondo loro, si perdevano più vite degli Alleati combattendo una guerra nel difficile ambiente dell'»Estremo Oriente». 

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Armi nucleari

Al centro di ogni atomo c’è un nucleo. Quindi rompere questo nucleo – o combinare due nuclei – può rilasciare grandi quantità di energia.  Quindi le armi nucleari utilizzano questa energia per creare un’esplosione.

Le armi nucleari moderne funzionano combinando esplosivi chimici, fissione nucleare e fusione nucleare. Pertanto, gli esplosivi comprimono il materiale nucleare, causando la fissione. La fissione a sua volta rilascia grandi quantità di energia sotto forma di raggi X, che creano l’alta temperatura e la pressione necessarie per avviare la fusione.

Fissione e Fusione

Tutta la materia è fatta di atomi: strutture molto piccole che ospitano diverse combinazioni di tre particelle, note come protoni, neutroni ed elettroni.

Al centro di ogni atomo c’è un ‘nucleo’, dove neutroni e protoni sono legati insieme in stretta vicinanza. In questo modo, la maggior parte dei nuclei sono relativamente stabili, il che significa che la composizione dei loro neutroni e protoni è relativamente statica e immutabile.

Durante la fissione, i nuclei di alcuni atomi pesanti si dividono in nuclei più piccoli e leggeri, rilasciando energia in eccesso nel processo. Questo può avvenire a volte spontaneamente, ma può anche, in certi nuclei, avvenire dall’esterno. Un neutrone viene sparato sul nucleo e viene assorbito, causando instabilità e fissione. Inoltre, in alcuni elementi – come alcuni isotopi di uranio e plutonio – il processo di fissione rilascia anche neutroni in eccesso, che possono innescare una reazione a catena se vengono assorbiti da atomi vicini.

La fusione funziona al contrario: quando sono esposti a temperature e pressioni molto alte, alcuni nuclei leggeri possono fondersi per formare nuclei più pesanti, rilasciando energia nel processo.

Infine, nelle moderne armi nucleari, che utilizzano sia la fissione che la fusione, una singola testata può rilasciare più energia esplosiva in una frazione di secondo di tutte le armi utilizzate durante la seconda guerra mondiale messe insieme – comprese Fat Man e Little Boy, le due bombe atomiche sganciate sul Giappone.

Come funzionano?

Tutte le armi nucleari utilizzano la fissione per generare un’esplosione. Così, «Little Boy» – la prima arma nucleare utilizzata durante la Seconda Guerra Mondiale – funzionava sparando un cilindro cavo di uranio-235 contro un bersaglio «spina» dello stesso materiale.

Ogni pezzo da solo non era sufficiente a costituire una massa critica (la quantità minima di materiale nucleare necessaria per sostenere la fissione). Tuttavia, facendo collidere i pezzi, la massa critica «aumentò» e si verificò una reazione a catena di fissione.

Le armi nucleari moderne funzionano un po’ diversamente. La massa critica dipende dalla densità del materiale: man mano che la densità in pieghe aumenta, la massa critica delle pieghe aumenta. Così, invece di far collidere due pezzi subcritici di combustibile nucleare, le armi moderne fanno esplodere esplosivi chimici attorno ad una sfera subcritica (o «pozzo») di uranio-235 o plutonio-239. La forza dell’esplosione va verso l’interno, comprimendo la fossa e avvicinando i suoi atomi. Una volta abbastanza denso da raggiungere la massa critica, i neutroni vengono iniettati, iniziando una reazione a catena di fissione e producendo un’esplosione atomica.

Inoltre, nelle armi a fusione (armi «termonucleari» o «a idrogeno»), l’energia di un’iniziale esplosione di fissione è utile per «fondere» insieme gli isotopi di idrogeno. In questo modo, l’energia rilasciata dall’arma crea una palla di fuoco che raggiunge diverse decine di milioni di gradi – temperature nella stessa gamma del centro del sole (che funziona anche in fusione).

La bomba di Hiroshima

A causa della sua forma lunga e sottile, la bomba di Hiroshima fu chiamata «Little Boy». Quindi, il materiale utilizzato era l’uranio 235. Si ritiene che la fissione di poco meno di un chilo di uranio 235 abbia rilasciato un’energia equivalente a circa 15.000 tonnellate di TNT.

La bomba di Nagasaki

Rispetto a quella usata a Hiroshima, la bomba di Nagasaki era più rotonda e più grassa. Il suo nome era «Fat Man». In questo modo, il materiale utilizzato era il plutonio 239. Inoltre, si ritiene che la fissione di poco più di un chilo di plutonio 239 abbia rilasciato un’energia distruttiva equivalente a circa 21.000 tonnellate di TNT.

La bomba all’idrogeno

La fusione nucleare è una reazione che libera energia atomica unendo nuclei leggeri ad alte temperature per formare atomi più pesanti. D’altra parte, le bombe all’idrogeno, che utilizzano la fusione nucleare, hanno una maggiore potenza distruttiva e una maggiore efficienza rispetto alle bombe atomiche.

A causa delle alte temperature richieste per iniziare una reazione di fusione nucleare, il processo è chiamato esplosione termonucleare. Questo avviene di solito con gli isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio) che si fondono insieme per formare atomi di elio. Questo portò al termine «bomba all’idrogeno» per descrivere la bomba a fusione deuterio-trizio.

La prima bomba all’idrogeno esplose il 1 novembre 1952 sulla piccola isola di Eniwetok nelle Isole Marshall. Il suo potere distruttivo era di diversi megatoni di TNT. L’esplosione ha prodotto una luce più brillante di mille soli e un’onda di calore si è schiantata a 50 chilometri di distanza. L’Unione Sovietica fece esplodere una bomba all’idrogeno dell’ordine del megatone nell’agosto 1953. Infine, gli Stati Uniti fecero esplodere una bomba all’idrogeno da 15 megatoni il 1 marzo 1954. Ha avuto una palla di fuoco di 4,8 km di diametro e ha creato un’enorme nuvola a forma di fungo.

Testate in profondità

Le esplosioni utilizzate nelle armi termonucleari sono descritte come primarie (le esplosioni chimiche e di fissione) e secondarie (la successiva esplosione di fusione). Tuttavia, i meccanismi reali sono molto più complicati.

Per esempio, una fissione pura «primaria» è inefficiente. Così, il pozzo di plutonio esploderà prima che la maggior parte del plutonio-239 possa passare attraverso la fissione. Invece, la reazione può essere «potenziata» includendo l’idrogeno gassoso (composto dagli isotopi deuterio e trizio) al centro di una fossa cava. Mentre il plutonio circostante si fissiona, l’idrogeno gassoso si fonde e rilascia neutroni, inducendo un’ulteriore fissione.

Allo stesso modo, il secondario non consiste puramente di combustibile da fusione. Quindi, stratificata al suo interno c’è una «candela» di fissione composta da plutonio-239 o uranio-235. Mentre l’esplosione primaria comprime il combustibile dall’esterno, il materiale della candela diventa supercritico e si fissiona, riscaldando l’idrogeno dall’interno e facilitando ulteriori reazioni di fusione.

La fusione rilascia neutroni. Questi neutroni colpiscono uno strato di uranio intorno al combustibile di fusione, causando la fissione dei suoi atomi; questa fissione di solito contribuisce a più della metà della resa esplosiva totale dell’arma.

Le armi termonucleari che non includono questa «coperta» di uranio sono bombe al neutrone, perché i neutroni rilasciati dalla fusione vengono rilasciati dall’arma. Le bombe al neutrone, quindi, creano una maggiore quantità di radiazioni rispetto ad un’arma normale con la stessa resa. Durante la Guerra Fredda, tali armi apparivano in uso contro gli attacchi ai carri armati, con l’obiettivo di disabilitare gli equipaggi dei carri armati senza dover distruggere fisicamente il carro armato.

Combustibile nucleare

Anche se diversi elementi sono fissionabili (cioè possono subire la fissione), solo alcuni sono utili nelle armi nucleari. Pertanto, i più comuni sono gli isotopi uranio-235 e plutonio-239. Inoltre, vale la pena ricordare che gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che differiscono solo per il numero di neutroni.

L’uranio si trova in tutto il mondo e può essere estratto da depositi minerali (può anche essere estratto dall’acqua di mare, ma oggi è molto più costoso). Tuttavia, solo una piccola frazione (meno dell’uno per cento) dell’uranio naturale è uranio-235. Quindi produrre uranio utilizzabile richiede un processo di «arricchimento», in cui diversi isotopi di uranio vengono separati e concentrati (di solito utilizzando centrifughe, che funzionano come le centrifughe per l’insalata). Questo è abbastanza costoso, difficile e richiede tempo, ed è una delle barriere alla costruzione di una bomba nucleare.

Inoltre, anche il plutonio può essere utile, ma si trova in natura solo in piccole quantità. Può, tuttavia, essere prodotto come sottoprodotto della fissione nei reattori nucleari e poi separato con un processo chiamato «ritrattamento». Separare il plutonio è più facile che arricchire l’uranio – si tratta di separare elementi diversi, non isotopi diversi dello stesso elemento – ma è un processo molto radioattivo che richiede strutture schermate con attrezzature di manipolazione a distanza.

Chi ha armi nucleari?

Gli Stati Uniti sono stati il primo paese a sviluppare armi nucleari, facendo esplodere il primo dispositivo a fissione nel 1945. Sette anni dopo, gli Stati Uniti testarono con successo la prima bomba all’idrogeno durante l'»Operazione Ivy» (il fisico Richard Garwin aiutò a costruire questo dispositivo e ora fa parte del consiglio della Union of Concerned Scientists). Al 2018, gli Stati Uniti avevano circa 6.500 testate nucleari, comprese le armi in pensione (in attesa di smantellamento), immagazzinate e schierate.

D’altra parte, l’Unione Sovietica ha sviluppato per la prima volta capacità nucleari nel 1949. Così, l’arsenale moderno della Russia include circa 7.000 testate.

Anche la Francia (~ 300 testate), la Cina (~ 260), il Regno Unito (~ 215), il Pakistan (~ 130) e l’India (~ 120) possiedono armi nucleari. Inoltre, Israele non ha riconosciuto ufficialmente le sue capacità nucleari. Le stime del suo arsenale sono di circa 80 testate, anche se alcune stime sono più alte.

Infine, le capacità della Corea del Nord sono sconosciute. Si sospetta che possa avere un arsenale limitato di 5-10 armi, ma che possa avere materiale per costruirne il doppio.

Gli effetti di un’arma nucleare

Se una di queste bombe fosse usata oggi, l’effetto sarebbe catastrofico. Il cuore di un’esplosione nucleare raggiunge una temperatura di diversi milioni di gradi centigradi. Su una vasta area, il flash di calore risultante vaporizza tutti i tessuti umani. Le persone all’interno degli edifici o comunque protette saranno uccise dagli effetti dell’esplosione e del calore, poiché gli edifici crollano e tutti i materiali infiammabili prendono fuoco. Quelli nei rifugi sotterranei che sopravvivono all’ondata di calore iniziale moriranno quando tutto l’ossigeno sarà risucchiato dall’atmosfera.

Al di fuori dell’area di distruzione totale, ci sarà una percentuale crescente di sopravvissuti immediati. Tuttavia, la maggior parte di loro subirà ustioni fatali, sarà accecata, sanguinerà e subirà gravi lesioni interne. Inoltre, i sopravvissuti saranno colpiti in pochi giorni dalla ricaduta radioattiva. I tumori indotti dalle radiazioni colpiranno molti, ma più di vent’anni dopo.

Infine, vale la pena notare che le armi nucleari causano gravi danni al clima e all’ambiente su una scala ineguagliata da qualsiasi altra arma. La Croce Rossa stima che un miliardo di persone in tutto il mondo potrebbero soffrire la fame a causa di una guerra nucleare.

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