Bomba atomica
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Esistono fondamentalmente due tipi di bombe atomiche che sfruttano reazioni nucleari completamente diverse.La bomba A appartiene al novero delle armi nucleari ed è un ordigno esplosivo basato sulla reazione di fissione nucleare, cioè la scissione, spontanea o indotta, di un nucleo atomico in due o più frammenti più leggeri. Il processo inverso, ovvero la fusione di elementi leggeri in nucleri più pesanti, è sfruttato nella bomba H.
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[modifica] Principio di funzionamento
Nel processo di fissione nucleare, la somma delle masse dei frammenti è inferiore alla massa del nucleo di partenza, la parte di massa mancante risulta trasformata in energia secondo la nota equazione di Einstein:
dove c è la velocità della luce nello spazio vuoto (299.776 km/s) e dà l'idea dell'enorme quantità d'energia che equivale a una massa di un grammo.
Nel caso dell'uranio 235, la reazione di fissione nucleare è la seguente
- 235U + n → [236U] instabile → 144Ba + 89Kr + 3 n
Nella seconda parte di questa reazione è indicato solo il decadimento più probabile; in realtà si formano anche frammenti aventi pesi diversi, la maggior parte dei quali instabili a loro volta, alcuni di loro estremamente pericolosi per l'ambiente e la salute umana (cesio-137, stronzio-90 e iodio-131 in primis) data la facilità con cui possono accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.
La reazione sopra scritta libera circa 211,5 MeV di energia principalmente sotto forma di raggi gamma e mediamente circa tre neutroni che possono andare a collidere con un nucleo vicino innescando quindi una reazione a catena.
Quando l'energia si propaga in una massa critica di sostanza fissile pura - uranio 235 o plutonio 239 - compressa in un volume, detto appunto "critico", tale che i neutroni emessi impattino i nuclei vicini, la reazione a catena procede incontrollata e produce una violenta esplosione. La reazione causata da 1 kg di uranio genera un'energia pari a 20.000 tonnellate di tritolo (20 chilotoni).
Tenere tale reazione a catena sotto controllo attraverso sostanze capaci di assorbire i neutroni è il principio del reattore nucleare a fissione.
[modifica] Materiale fissile
Il materiale fissile comunemente usato nelle bombe atomiche è il cosiddetto uranio arricchito. L'uranio presente in natura è una miscela del 99,3% circa di isotopo a peso atomico 238 e dello 0,7% circa di isotopo a peso atomico 235; dei due, solo l'ultimo è fissile. Per poterne accumulare una quantità sufficiente occorre quindi "arricchire" l'uranio del proprio isotopo 235.
Tale "arricchimento" (di fatto, una separazione dell'isotopo 235 dall'isotopo 238) avviene convertendo l'uranio in esafluoruro di uranio (UF6), gassoso, e sfruttando successivamente la diversa velocità di diffusione che contraddistingue 235UF6 da 238UF6 per separare i due isotopi. L'uranio arricchito per le testate atomiche è composto per il 97% circa di U235.
Il sottoprodotto di questo processo è il cosiddetto uranio impoverito, un metallo pesante usato per farne proiettili per sistemi d'arma convenzionali. La tossicità dell'uranio impoverito, sia essa di origine chimica, sia essa legata alla residua radioattività, è ancora oggetto di controversia, ma è stata accertata nel caso esso venga inalato o ingerito.
All'interno di masse inferiori a quella critica purché concentrate in piccoli volumi, sia per l'uranio che per il plutonio, nel tempo avvengono più fissioni di quelle che si manifestano in natura dove la frazione di isotopi fissili è meno concentrata. Dopo un certo periodo di tempo, a causa di queste perdite di neutroni, il materiale fissile non è più utilizzabile.
[modifica] Caratteristiche costruttive
Ma vediamo ora più da vicino quali reazioni avvengono all' interno della bomba a fissione prima dell' esplosione finale.
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 proiettile (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 Be e Po, 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.
[modifica] Bombe a fissione con detonazione a proiettile
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.
[modifica] 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 plutonio 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 di plutonio facendolo diventare supercritico e rendendo possibile la reazione a catena che termina con un'enorme esplosione. 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%.
