Bomba atomica

Modello della prima bomba atomica al plutonio

La bomba atomica o bomba A (più propriamente bomba a fissione nucleare incontrollata, in gergo "la bomba") è un ordigno esplosivo appartenente al gruppo delle armi nucleari, la cui energia è prodotta dal fenomeno della fissione nucleare cioè la reazione a catena di scissione, spontanea o indotta, del nucleo atomico di un elemento pesante in due o più frammenti. La reazione a catena avviene in forma “incontrollata” e rapidissima in una massa di uranio 235 o plutonio 239 altamente concentrati, nell'istante in cui la massa viene resa "super-critica".

Nell'uso comune talvolta il nome “bomba atomica” è esteso a tutte le armi nucleari, includendo così anche le bombe che utilizzano un altro tipo di reazione nucleare, cioè la fusione dei nuclei di elementi leggeri.

Il termine bomba atomica (bomba A) indica propriamente solo le bombe a fissione. Quelle che invece utilizzano la fusione sono chiamate bombe H o bombe all'idrogeno, o anche raggruppate nella definizione di armi termonucleari.

Principio di funzionamento

Il principio della bomba A è la reazione a catena di fissione nucleare.

È il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi pesanti si può dividere in due o più frammenti (nuclei di elementi più leggeri) se viene colpito da un neutrone libero. Questo processo si può innescare in forma massiccia, cioè come reazione a catena in una massa metallica, in alcuni elementi con massa atomica superiore a 230. I materiali che è possibile utilizzare nella pratica sono l'uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono materiali fissili in condizioni normali.

Quando un neutrone libero colpisce il nucleo di un atomo di U 235 o di Pu 239, il neutrone viene catturato dal nucleo per un tempo brevissimo. Il nucleo così modificato è instabile e si spezza quasi subito (entro 10^-12 secondi) dando luogo a due o più frammenti, liberando contestualmente alcuni neutroni liberi (2 o 3) e una certa quantità di energia sotto forma di fotoni ed eccitazione termica dei nuclei.

La liberazione di energia è conseguenza del fatto che la somma delle masse dei frammenti risultanti non è esattamente uguale alla massa del nucleo iniziale. Una piccola parte di massa (circa un quinto) risulta trasformata in energia (circa 200 MeV).

I neutroni liberati dal processo, a loro volta possono urtare altri nuclei nel blocco metallico, che quindi subiscono anch'essi la fissione, liberando ulteriori neutroni e causando così la reazione a catena che si propaga in tutta la massa di materiale.

La reazione a catena però avviene solo se il materiale è sufficientemente puro e la massa è sufficientemente grande. Se la massa è piccola, la maggior parte dei neutroni sfugge all'esterno senza colpire altri nuclei: per innescare la reazione occorre che un numero sufficiente di neutroni prodotti prosegua la reazione. Ciò avviene quando il materiale è in una quantità superiore ad una massa detta massa critica.

L'entità della massa critica dipende dalla forma, dalla purezza del materiale e dalla disposizione atomica (il plutonio ad esempio può essere in diversi stati di configurazione atomica). Una massa può essere resa super-critica modificando le sue caratteristiche (dimensione forma e concentrazione).

Per costruire una bomba è necessario che il materiale fissile sia in una percentuale molto alta, cioè quando il metallo è "arricchito" dal suo isotopo fissile al punto che esso è quasi puro, o superiore al 93% nel caso dell'uranio 235 (uranio "weapon grade"). Allora, è possibile produrre una reazione totalmente "incontrollata" che si propaga nella massa in modo esponenziale, in un intervallo di tempo dell'ordine del microsecondo. Si libera così una quantità di energia con un effetto esplosivo di enorme potenza.

Per ottenere questo effetto è necessario perciò che gli isotopi fissili (uranio 235 o plutonio 239) abbiano alto grado di purezza. È necessario anche che siano posti all'interno di contenitori schermati particolari ed è utile (ma non indispensabile) che vi sia anche una "sorgente di neutroni" da attivare al momento opportuno. Questi dispositivi servono per accelerare la reazione e moltiplicare l’efficienza, cioè la percentuale di metallo che subisce la fissione.

Storia

Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa-energia, espresso dall'equazione E=mc² prevista nella teoria della relatività generale di Albert Einstein. Questa equivalenza generica suggerisce che, in linea di principio, potrebbe esserci la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi minerali emettono energia spontanea, e una qualche reazione che implicasse l'equivalenza poteva essere la fonte di luminosità che accende le stelle.

Successivamente, si avanzò l'ipotesi che alcune reazioni che implicano questo principio potevano effettivamente avvenire all'interno dei nuclei atomici. Il "decadimento" dei nuclei provoca un rilascio di energia. L'idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta in seguito alla scoperta del neutrone. Le principali ricerche in questo campo furono condotte in Italia da Enrico Fermi.

Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti d'America (Enrico Fermi, Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner) si preoccuparono del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939 Fermi e Szilard, in base ai loro studi teorici, persuasero Albert Einstein a scrivere una lettera al presidente Roosevelt per segnalare che c'era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione. Il governo statunitense cominciò così a interessarsi alle ricerche.

Enrico Fermi proseguì poi negli Stati Uniti nuove ricerche sulle proprietà di un isotopo raro dell'uranio, l'uranio 235, fino a ottenere la prima reazione di fissione a catena autoalimentata: il 2 dicembre 1942, il gruppo diretto da Fermi assemblò a Chicago la prima pila atomica o reattore nucleare a fissione funzionante, che produceva calore grazie a una massa di uranio naturale e grafite.

Pochi mesi prima, in base ai calcoli fatti in una sessione estiva di fisica del 1942 guidata da Robert Oppenheimer, si era giunti alla conclusione che era teoricamente possibile costruire una bomba che sfruttasse la reazione di fissione a catena. La realizzabilità tecnica però richiedeva enormi finanziamenti.

La prima bomba atomica fu realizzata con un progetto sviluppato segretamente dal governo degli Stati Uniti. Il programma assunse scala industriale nel 1942 (cfr. Progetto Manhattan). Per produrre i materiali fissili, l'uranio e il plutonio, furono costruiti giganteschi impianti con una spesa complessiva di due miliardi di dollari dell'epoca. I materiali e i dispositivi tecnici, principalmente il detonatore a implosione, furono prodotti nei laboratori di Los Alamos, un centro creato apposta nel deserto del New Mexico. Il progetto era diretto da Robert Oppenheimer e includeva i maggiori fisici del mondo.

La prima bomba al plutonio (nome in codice "Gadget") fu fatta esplodere nel "Trinity test" il 16 luglio 1945. La prima bomba all'uranio ("Little Boy") fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba al plutonio, denominata in codice "Fat Man", fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945.

La fissione nucleare

Diagramma della reazione nucleare

La reazione nucleare a catena indotta dai neutroni, in una massa di uranio 235 avviene secondo uno schema di questo tipo:

²³⁵U + n → ²³⁶U instabile → ¹⁴⁴Ba + ⁸⁹Kr + 2/3 n + 211,5 MeV

Si hanno perciò i seguenti prodotti di fissione:

• Elementi più leggeri. La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio (²³⁵U) quando viene colpito da un neutrone (n). L'effetto della cattura da parte del nucleo è la trasformazione di quest'ultimo in un nuovo elemento (²³⁶U) che però dura solo un tempo brevissimo dopodiché l'elemento instabile si spezza formando due nuovi elementi. Gli elementi indicati nella seconda parte della formula sono il risultato relativamente più frequente della scissione, ma si possono formare anche atomi diversi a seconda del modo del tutto casuale in cui il nucleo si divide. La maggior parte di questi elementi a loro volta sono spesso isotopi instabili, perciò sono radioattivi e soggetti a ulteriore decadimento (detti scorie radioattive). Alcuni di questi risultano estremamente pericolosi per l'ambiente e la salute umana (particolarmente frequenti sono il cesio 137, lo stronzio 90 e lo iodio 131) data la facilità con cui tendono ad accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.
• Neutroni liberi. Agli elementi prodotti dalla reazione (due o tre) si aggiungono sempre due o tre neutroni liberi, che a loro volta possono venire catturati da altri nuclei di atomi che si trovano all'interno della massa, e perciò li rendono instabili e contribuiscono a proseguire la reazione di fissione.
• Energia. Per ciascun nucleo atomico che si scinde, nel modo indicato dalla formula, si producono circa 211,5 MeV di energia. Ciò è legato al fatto che la somma delle masse risultanti è leggermente inferiore alla massa iniziale del nucleo: una piccolissima percentuale di questa risulta perduta, “trasformata” in energia.

La quantità di energia rilasciata dalle reazioni nucleari è molto più grande di quella delle reazioni chimiche in rapporto alla quantità di materia. L'energia di legame all'interno dei nuclei (interazione forte) è molto più intensa di quella che lega tra loro gli elettroni esterni di due atomi. L'energia di legame all'interno dei nuclei è una misura di massa. Nel principio di equivalenza E=mc², poiché "mc²" è una grandezza enorme (a causa del valore della costante "c", la velocità della luce nel vuoto, pari a 299 776 km/s) l'energia E risulta enorme in confronto ad una piccola massa m.

Per confronto, in una molecola d'acqua il legame degli atomi di idrogeno può produrre una energia di circa 16 eV, dieci milioni di volte inferiore a quella liberata dal nucleo di uranio. Un grammo di U 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 10¹⁰ joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone.

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 numero di massa 238 e dello 0,7% circa di isotopo a numero di massa 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'identico processo si può compiere anche con il tetracloruro di uranio (UCl₄). Queste sostanze si possono portare allo stato gassoso a basse temperature, ciò consente di separare i due isotopi meccanicamente. La sostanza viene centrifugata ad altissima velocità, in speciali centrifughe montate in serie (a "cascata"). Queste concentrano progressivamente l'isotopo 235 separandolo dall'omologo chimico 238 sfruttando la piccolissima differenza di peso specifico tra i due. L'uranio arricchito per le testate atomiche è composto per il 97% circa di U 235.

È possibile separare l'isotopo 235 anche con altre metodologie, su scala minore o con tecnologie molto più sofisticate (come il laser).

Il prodotto di scarto del processo di arricchimento è uranio, in grande quantità, composto quasi totalmente dall'isotopo 238 perciò inutile per la reazione nucleare, con una percentuale di U 235 bassissima. È il cosiddetto uranio impoverito, cioè uranio con una frazione di U 235 inferiore allo 0,2%. È classificato come scoria radioattiva, ma viene usato per costruire proiettili e bombe in sistemi d'arma convenzionali. La tossicità dell'uranio impoverito, di origine chimica e radiologica, è oggetto di una controversia legata al suo uso, ma è stata accertata nel caso esso venga inalato o ingerito.

All'interno di masse inferiori a quella critica, purché concentrate in piccoli volumi, nell'uranio e nel plutonio le fissioni sono più frequenti di quelle che si hanno nei minerali naturali, dove gli isotopi fissili sono meno concentrati. Dopo un certo periodo di tempo, a causa di questa perdita di neutroni, il materiale fissile non è più utilizzabile.

Caratteristiche costruttive

Una bomba atomica è formata da un nocciolo metallico di alcune decine di chilogrammi di uranio arricchito oltre il 93% (uranio "weapon grade"), oppure di qualche chilogrammo di plutonio contenente almeno il 93% di isotopo 239 (plutonio "weapon grade"). La massa del nocciolo è ancora sub-critica (se così non fosse la bomba esploderebbe anzi tempo).

Il nocciolo è inserito in un contenitore di metallo pesante, come l'uranio 238, a formare uno spesso guscio detto tamper ("tampone" o borraggio) che limita la fuga all'esterno dei neutroni, utili alla reazione nel momento dell'esplosione, e soprattutto ha la funzione di trattenere, mediante l'azione inerziale e la pressione esercitata dalla sua espansione termica, il nocciolo per il tempo necessario alla reazione, circa 1 microsecondo. Il tempo a disposizione per la reazione aumenta moltissimo l’efficienza, cioè la percentuale di materiale che subisce la fissione.

L'esplosione viene innescata con l'uso di esplosivi convenzionali che avvicinano fra loro parti del nocciolo o lo modificano in modo da rendere la massa super-critica. Mediante sistemi di detonatori (che possono essere complessi e di tipo diverso) il nocciolo viene modificato nella forma e concentrazione in modo da portarlo a uno stato super–critico. Vi sono essenzialmente due tecniche alternative, dal punto di vista ingegneristico, per produrre questo effetto. Le due soluzioni sono:

1. il sistema a blocchi separati o detonazione a proiettile (gun-triggered fission bomb). Il nocciolo è cioè diviso in due parti, due masse sub-critiche che, al momento dell'esplosione, vengono proiettate l'una contro l'altra in modo da unirsi a formare un'unica massa super-critica;
2. il sistema a implosione. È molto più efficiente, ed estremamente complesso da progettare. L'esplosivo circonda un nocciolo a forma di sfera cava con una massa di pochissimi chilogrammi. Il sistema di detonatori esplosivi e contenitori intorno al nocciolo servono per produrre l'implosione di questo, cioè "schiacciare" la massa e concentrare il materiale in modo da portarlo a uno stato super-critico. La detonazione modifica la forma e la concentrazione del materiale ed elimina la cavità in modo tale da rendere la massa super-critica.

I due modelli costruttivi contengono entrambi un "iniziatore" della reazione nucleare, cioè una sorgente di neutroni che è un dispositivo costruito di solito in berillio, e contenente un materiale radioattivo come il polonio 209 o 210. Questa sostanza entra in contatto con il materiale fissile e libera neutroni al momento della detonazione. L'iniziatore è posto al centro del nocciolo, e viene attivato dalla pressione esercitata da questo. L'iniziatore da luogo in sequenza a questi effetti:

1. il suo involucro in berillio viene sfondato quando la massa implode, il polonio emette radiazione alfa;
2. la radiazione alfa interagisce con il berillio 9 producendo berillio 8 e neutroni liberi;
3. i neutroni liberati da questo dispositivo sono in quantità enorme e scatenano la fissione in una massa che ora è super-critica.

Il sistema di detonazione a blocchi separati

L'innesco a blocchi separati è detto bomba con "detonazione a proiettile" o gun-triggered fission bomb. È la più semplice da costruire, richiede una tecnologia rudimentale. Funziona però bene solo con l'uranio 235. Il plutonio infatti, a causa delle tracce non eliminabili dell'isotopo 240, è più instabile e dunque il dispositivo richiederebbe accorgimenti con cui diventerebbe troppo ingombrante per poi poter essere utilizzato.

Detonazione a proiettile

La bomba atomica sganciata su Hiroshima ("Little Boy") era un ordigno di questo tipo. Il principio è che due masse sub-critiche di uranio vengono proiettate ("sparate") l'una contro l'altra. L'ordigno è costituito da un tubo ad un estremità del quale c'è un proiettile costituito da un blocco di uranio 235 di forma conica, all'altro capo un blocco sferico di U 235 con massa maggiore, dove è collocato anche il generatore di neutroni (iniziatore). La detonazione avviene quando il proiettile viene lanciato, per mezzo di una carica esplosiva, e colpisce la massa attivando l'iniziatore. I neutroni liberati in grande quantità scatenano la reazione nella massa di uranio che ora ha dimensioni super-critiche.

Questi ordigni hanno un'efficienza molto scarsa. Per costruire una bomba occorre qualche decina di chilogrammi di uranio 235, un isotopo naturale estremamente raro, ma la gran parte di questa massa (il 98,5%) viene sprecata, non dà luogo cioè a nessuna reazione nucleare. L'ordigno Little Boy conteneva 63 kg di uranio di cui appena l'1,5% subì la fissione nucleare. La scarsa efficienza è dovuta al fatto che manca l'effetto di concentrazione e di contenimento inerziale del nocciolo compiuto dal sistema a implosione. Il contenitore tamper, nel meccanismo a blocchi separati, è meno efficace dovendo contenere una massa troppo grande.

L'assemblaggio di una massa tanto grande è anche piuttosto pericoloso. Inoltre gli ordigni a blocchi separati non possono avere una potenza esplosiva molto più grande di 20 chilotoni perché la quantità di uranio non si può aumentare a piacimento. Per tutte queste ragioni, in linea di massima le armi basate su questo sistema non vengono costruite.

Sono stati costruiti poche decine di ordigni come questo nel primo dopoguerra, principalmente da Gran Bretagna e Unione Sovietica. Queste sono state smantellate negli anni '50. Negli anni '70 il solo Sudafrica costruì cinque bombe come questa, anch'esse poi smantellate.

Sistema di detonazione a implosione

Animazione della detonazione a implosione

Questo sistema era utilizzato nella bomba esplosa su Nagasaki ("Fat Man"). Il nocciolo è una sfera cava di pochi chilogrammi di plutonio 239. È posto all'interno di più sfere concentriche di metalli diversi e circondato da un complesso sistema di cariche esplosive e detonatori elettronici. Al centro della sfera cava è collocato l'iniziatore in polonio-berillio.

Quando l'esplosivo che circonda il nocciolo viene fatto brillare, l'onda d'urto concentrica produce l'implosione perfettamente simmetrica della massa di plutonio. La cavità centrale scompare, il materiale schiacciato dall'onda d'urto viene concentrato di un fattore 2 o più, la massa diventa super-critica, l'iniziatore centrale si attiva. La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15%, e conteneva meno di 7 kg di plutonio.

Sistemi diversi e molto più complessi, costruiti sullo stesso principio, possono portare a efficienze maggiori. Sono quelli usati nella costruzione delle moderne bombe a fissione.

Voci correlate

• Arma nucleare
• Bomba all'idrogeno
• Bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki
• Test nucleare

Altri progetti

Altri progetti

• Wikiquote
• Wikimedia Commons

• Wikiquote contiene citazioni di o su bomba atomica
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su bomba atomica