¿Cómo Funciona una Bomba Nuclear?

La primera bomba atómica utilizada con motivos de guerra contra seres humanos, explotó en Hiroshima en Agosto de 1945. Tres días más tarde otra bomba fue detonada en Nagasaki. La muerte y destrucción hecha por estas armas fue algo sin precedentes, y en un mundo ideal, hubiera puesto fin en ese mismo momento cualquier idea de continuar usando estas armas.

Sin embargo, lo ocurrido en Japón, aunque acabaron con la segunda guerra mundial, comenzó lo que se llamó guerra fría entre la Unión Soviética y Estados Unidos. Hasta finales de los años ochenta, ambos bandos invirtieron grandes cantidades de dinero en armas nucleares e incrementaron sus suministros de una forma increíble, principalmente en un tono intimidatorio.

La amenaza de una destrucción total por este tipo de arsenal fue algo que estaba en la mente de todos y en todo. Fue una época donde se construyeron refugios atómicos en los sitios más insospechados. De hecho, este tipo de construcciones se hacían hasta en los patios traseros de las casas.

1 – La tensión de tiempos pasados

Durante los años setenta y ochenta, las tensiones parece que se suavizaron un poco. El muro de Berlín cayó a finales de los ochenta, seguido de la caída del gobierno soviético pasados dos años. La guerra fría había acabado.

Según las relaciones entre los dos países mejoraron, hubo un compromiso de limitar el arsenal nuclear. Una sucesión de tratados comenzaron, donde todavía hay algunos que tienen que tener efecto este mismo año (en el momento de escribir este artículo). Estos tratados están centrados en reducir y limitar las armas estratégicas, poniendo un límite de posesión de armas nucleares.

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Por desgracia, aunque Rusia y Estados Unidos hay hecho una significativa marcha atrás en el problema de armas nucleares, la amenaza de una guerra nuclear sigue existiendo. Nueve países tienen ahora mismo armas de este tipo con mísiles balísticos para poder lanzarlos.

Al menos tres de estos países, que son los comentados y China, pueden hacer llegar estos misiles a cualquier parte del mundo. Las armas de este tipo que se han fabricado desde que se tiraron en Japón, son muy superiores en potencia y no han hecho más que aumentar desde entonces.

Mientras que el escenario político ha cambiado considerablemente con el paso de los años, la ciencia del arma en si misma – el proceso atómico que desata la devastación – se ha conocido desde los años cuarenta. ¿Cómo funciona una bomba nuclear, incluyendo como es construida y desarrollada?

2 – La estructura atómica

Para verlo, primero hay que hablar un poco de la estructura atómica y la radioactividad? Antes de hablar de las bombas nucleares, tenemos que empezar por hablar de una partícula que es muy pequeña: el átomo. En otros artículos hemos hablado del átomo, que está compuesto de protones, neutrones y electrones.

El centro de un átomo, llamado núcleo, está compuesto de protones y neutrones. Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga de ningún tipo y los electrones están cargados negativamente.

La tasa de protón a electrón es siempre uno, por lo que el átomo como un todo tiene una carga neutra. Por ejemplo, un átomo de carbono tiene seis protones y seis electrones. De todos modos, no es tan sencillo. Las propiedades de un átomo pueden cambiar considerablemente basándose en el número de partículas que tiene.

Si alteras el número de protones, te encuentras con un elemento diferente. Si alteras el número de neutrones en un átomo, terminan con un isótopo. La mayoría de los núcleos atómicos son estables, pero unos cuantos no lo son. Estos núcleos repentinamente emiten partículas que los científicos llaman radiación.

Un núcleo que emite radiación, es por supuesto radiactivo. Los tres tipos de radiación que emite son: Alfa, donde el núcleo emite dos protones y dos neutros unidos, la radiación Beta, donde un neutrón se convierte en un protón y un electrón, y finalmente la fisión espontánea. En esta última, un núcleo se divide en dos trozos.

En el proceso puede emitir neutrones, los cuales se pueden convertir en rayos de neutrones. El núcleo también puede emitir un estallido de energía electromagnética conocida como rayos gama. Estos rayos son el único tipo de radiación nuclear que viene de la energía en lugar de partículas de rápido movimiento.

3 – ¿En qué consiste la fisión nuclear?

Las bombas nucleares son básicamente las fuerzas y debilidades que mantienen unidos el núcleo de un átomo, especialmente átomos con núcleos inestables. Hay dos maneras básicas en las que la energía nuclear puede ser liberada de un átomo.

En la fisión nuclear, los científicos dividen el núcleo de un átomo en dos fragmentos más pequeños con un neutrón. La fusión nuclear – el proceso donde el sol produce energía – conlleva unir dos pequeños átomos para formar uno más grande. En ambos procesos, fisión y fusión, grandes cantidades de energía y radiación son generadas.

Podemos atribuir el descubrimiento de la fisión nuclear al físico italiano Enrico Fermi en los años treinta. Este físico demostró que elementos bombardeados con neutrones podían ser transformados en nuevos elementos.

Este trabajo resultó en el descubrimiento de los neutrones lentos, como también de nuevos elementos no representados en la tabla periódica. Después de este descubrimiento, otros científicos probaron a hacer lo mismo pero usando los neutrones con uranio, lo cual produjo isótopos radioactivos de bario.

Concluyeron que los neutrones de baja velocidad hacían que el núcleo del uranio tuviera una fisión o separación en dos partes.

Este descubrimiento dio lugar a una intensiva investigación en laboratorios de todo el mundo. Algunas de estas investigaciones consiguieron descubrir información adicional, como por ejemplo que el proceso de fisión resultaba en la producción de más neutrones.

Esto planteo una pregunta: ¿Podían los neutrones libres creados en una fisión comenzar una reacción en cadena que pudiera liberar una enorme cantidad de energía? La idea es que si pudiera resultar de esta manera, se podría construir un arma de un poder inimaginable… y así fue.

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4 – El miedo a una reacción en cadena

A principios de la década de los noventa, un equipo de científicos en la universidad de Columbia confirmó la hipótesis que se ha comentado antes. Este equipo trató de iniciar una reacción en cadena usando el isótopo uranio-235, pero el experimento fue fallido.

Todo el trabajo realizado se movió a otro punto del país (universidad de Chicago) donde el físico italiano anteriormente mencionado consiguió controlar una reacción en cadena nuclear.

Poco tiempo después otro equipo científico de otra universidad descubrió otro elemento que podía ofrecer las mismas características como un combustible nuclear, el cual llamaron plutonio.

Con este nuevo descubrimiento se hicieron un buen número de experimentos, y finalmente lo establecieron por sus características como una segunda posibilidad para el uso de armas nucleares.

5 – Diseño básico de la bomba nuclear

En una bomba de fisión, el combustible tiene que ser almacenado en masas separadas que no soportan la fisión, para prevenir una detonación prematura. La masa crítica es la mínima masa o material fisionable que se necesita para provocar una reacción nuclear.

Si pensamos en una analogía para poder comprenderlo, piensa en unas cuantas canicas todas juntas formando un círculo. Si una masa aparte (que podría ser una cadena de dos o tres canicas separadas) golpea este círculo de canicas, hay muchas posibilidades de que haya una reacción en cadena.

Mantener el combustible en las llamadas masas subcríticas lleva a ciertos puntos complejos de diseño para que el dispositivo funcione correctamente. El primero desafío es juntar todas estas masas separadas para formar una masa crítica, lo cual proveerá suficientes electrones para obtener una fisión en el momento de la detonación. Los diseñadores encontraron dos soluciones, de las cuales hablaremos a continuación.

Tres neutrones deben ser introducidos en la masa crítica para empezar la fisión. Los neutrones son introducidos haciendo un generador de neutrones. Este generador es un pequeño grupo de “bolitas” de polonio y berilio separados por papel de aluminio dentro del núcleo del combustible fisionable.

El papel de aluminio se rompe cuando las masas críticas se juntan y el polonio emite de forma espontánea partículas alfa.  Estas partículas entonces colisionan con el berilio 9 para producir berilio 8 y neutrones libres. Por fin, los neutrones inician la fisión.

Finalmente, el diseño debe permitir todo el material que se pueda para ser fisionado antes de que la bomba explote. Esto es realizado confinando la reacción de fisión dentro de un denso material llamado “tamper”, el cual normalmente está formado de uranio.

Este elemento es calentado y expandido por la fisión del núcleo. Esta expansión ejerce presión en la fisión del núcleo y ralentiza su expansión. También refleja neutrones de vuelta en el núcleo, aumentando la eficiencia de la reacción de fisión.

6 – La esfera U-235

La forma más simple de juntar las masas críticas es hacer un dispositivo que dispara una masa dentro de la otra. Para ello, se fabricó una esfera de U-235 alrededor del núcleo y una pequeña bala del mismo material.

Esta bala es puesta en el extremo de un tubo largo con explosivos en la parte trasera, mientras que la esfera se pone en el otro extremo. Un sensor de presión determina la altitud correcta para la detonación y realiza la siguiente secuencia:

• Los explosivos detonan y lanzan la bala por el tubo.
• La bala golpea contra la esfera y el generador, iniciando una reacción de fisión.
• Le reacción de fisión comienza.
• La bomba explota.

La Bomba que se lanzó en Hiroshima era del tipo comentado anteriormente. La segunda manera de crear una masa crítica requiere comprimir estas masas juntas en una esfera para una implosión. Este fue el caso de la bomba de Nagasaki, donde se probó por primera vez una de estas bombas de implosión, No fue fácil de fabricar.

Los diseñadores se encontraron con muchos problemas, en particular con la forma de controlar y direccionar la onda de choque de una forma uniforme por la esfera. La solución fue crear un dispositivo de implosión consistente en una esfera que actuara como un “tamper” y un núcleo de plutonio rodeado de explosivos.  

Cuando la bomba era detonada tenía un campo de más de 20 kilotones, lo que superaba por mucho a la bomba original de Hiroshima. Lo que ocurría era lo siguiente:

• Los explosivos detonaban, creando una onda de choque.
• La onda de choque comprimía el núcleo.
• La reacción de fisión comenzaba haciendo que la bomba explotara.

Los diseñadores fueron capaces de mejorar el diseño básico para que la bomba hiciera la implosión. En los años cuarenta se creo un sistema donde el proceso consistía en aprovechar las reacciones de fusión para crear más neutrones, los cuales son usados para inducir reacciones de fisión a una tasa más alta.

Llevo unos cuantos años validar esta proceso, aunque se convirtió en un diseño muy popular. En los siguientes años, prácticamente todas las armas de este tipo utilizaron este sistema.

7 – ¿Cómo funciona la bomba de fusión?

Las bombas de fisión funcionaban, pero no eran demasiado eficientes. No llevo demasiado tiempo a los científicos preguntarse sin el proceso nuclear contrario – fusión – funcionaría mejor. La fusión ocurre cuando el núcleo de dos átomos se combina para formar un único átomo más pesado.

A temperaturas muy altas, el núcleo de los isótopos de hidrógeno se puede fusionar, liberando enormes cantidades de energía en el proceso. Las armas que se aprovechan de este proceso son conocidas como bombas de fusión, bombas termonucleares o bombas de hidrógeno.

Este tipo de dispositivo nuclear tiene más kilotones y mucha más eficiencia que las bombas de fisión, pero presentan algunos problemas que tienen que ser resueltos. Por ejemplo, el deuterio y tritio (los combustibles para la fusión) son difíciles de almacenar.

No hay un gran suministro de tritio y tiene una vida corta. Por otro lado, este combustible tiene que ser continuamente recargado, y tiene que estar altamente comprimido a altas temperaturas para iniciar una reacción de fusión.

Los científicos superaron el primero problema utilizando un compuesto sólido usando deuterio de litio como material termonuclear principal. Para solucionar el problema del tritio, los diseñadores se apoyaron en una fisión nuclear para producir tritio del litio.

La reacción de fisión  también soluciona el problema final. La mayoría de la radiación que se da en una de estas reacciones produce rayos X, y dichos rayos proveen de la alta temperatura y presión necesarias para iniciar la fusión. Por lo tanto, una bomba de fusión tienen un diseño de dos etapas – una fisión primaria o componente de arranque, y un componente de fusión secundario.

Para entender el diseño de este dispositivo, imagina que dentro de la carcasa de una de estas bombas hay una bomba de fisión de implosión y un cilindro que alberga uranio en su interior. Dentro del tamper está el deuterio de litio y un rodamiento de plutonio en el centro del cilindro.

Separando el cilindro de la bomba de implosión hay una cubierta de uranio y espuma de plástico que rellena los espacios que quedan en la carcasa de la bomba. La detonación del dispositivo causa una sucesión de eventos, que son los siguientes:

• La implosión inicial hace que se produzcan rayos X.
• Estos rayos calientan el interior de la bomba y el tamper: la cubierta previene de una detonación prematura del combustible.
• El calor causa que el tamper se expanda y se queme, ejerciendo una presión interior contra el deuterio de litio.
• Este material es comprimido hasta treinta veces.
• Las ondas de choque por la compresión inician una fisión en el rodamiento de plutonio.
• El rodamiento fisionado produce radiación, calor y neutrones.
• Los neutrones se dirigen al deuterio de litio, y combinados con el litio producen tritio.
• La combinación de altas temperaturas y presión son suficientes para que hayan reacciones de fusión, produciendo más calor, radiación y neutrones.
• Los neutrones de las reacciones de fusión inducen una fisión en el uranio del tamper y la cubierta.
• La fisión del tamper y la cubierta produce incluso más radiación y calor, lo que hace que se produzca la detonación. Todo lo explicado anteriormente ocurre en una fracción de segundo.

Una cosa es construir una bomba nuclear y otra cosa diferente es enviarla a su objetivo y hacerla detonar con éxito. Esto fue especialmente verdad después de la segunda guerra mundial.

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8 – Consideraciones de este nuevo arma

Algunos artículos escritos sobre el proyecto Manhattan (que desarrolló las bombas de Japón) muestran que en ese tiempo, las bombas eran más una pieza de equipamiento de laboratorio que realmente un arma fiable.

El lanzamiento de esas bombas a su destino final fue mejorado prácticamente al mismo tiempo que su diseño y construcción. Todas las piezas fueron transportadas y llevadas por prácticamente todos los medios de transporte que se conocían. Finalmente el método de lanzamiento fue mediante aviones B-29 encima de las ciudades en cuestión.

Hoy en día, el método usado en Japón – bombas de gravedad por transporte aéreo – sigue siendo un modo viable de usar estas armas nucleares. Sin embargo, con el paso de los años, las cabezas nucleares han disminuido en tamaño y hay disponibles otras opciones. Ya se han creado misiles de crucero que pueden transportar estas armas.

Muchos de estos misiles balísticos pueden ser lanzados de bases en tierra o submarinos. Atraviesan la atmósfera terrestre y viajan miles de kilómetros hacia sus objetivos, volviendo a entrar en la atmósfera para hacer su trabajo.

Los misiles de crucero tienen distancias de alcance más cortos y cabezas nucleares más pequeños que los balísticos, pero son más difíciles de detectar e interceptar. Pueden ser lanzados desde el aire, de plataformas móviles en tierra y desde barcos.

Las armas nucleares tácticas también se hicieron populares durante la guerra fría. Se diseñaron para encontrar objetivos en áreas pequeñas. La idea era que se pudieran manipular por pequeños grupos logísticos de una a dos personas. En su interior contenían también diferente material explosivo, como cargas de profundidad, bombas de artillería y un misil de corto alcance para su lanzamiento.

9 – Los riesgos y consecuencias nucleares en un ataque nuclear

La detonación de un arma nuclear desata una impresionante destrucción, pero las ruinas pueden contener microscópicas evidencias de donde vinieron los materiales de la bomba. La detonación de una bomba nuclear sobre un área habitada, como podría ser una gran ciudad, causa auténticos estragos.

El grado de daños depende de la distancias del centro de la explosión del arma, el cual se llama hipocentro o punto cero. Cuanto más cerca está a este punto cero, más daños se podrán comprobar.

Esta destrucción es causada por varias cosas: Una ola de intenso calor que despide la propia explosión, la presión de la onda de choque creada por la detonación, y la radioactividad generada (nubes de polvo de pequeñas partículas radioactivas que vuelven a caer al suelo). Los efectos son impresionantes, y las películas de ciencia ficción no exageran un ápice cuando nos muestran sus efectos.

En el punto cero, todos es instantáneamente vaporizado por las altas temperaturas (llega a subir hasta 300 millones de grados centígrados). En la parte externa del punto cero, la mayoría de las muertes son causadas por quemaduras del calor recibido, heridas de restos volando por todos lados, o edificios cayendo debido a la onda de choque.

Más allá de la zona de la explosión, las muertes son producidas por el calor, la radiación y los fuegos causados por la onda de calor.

A largo plazo, la lluvia radioactiva de polvo ocurre en un área más extensa debido a la prevalencia de vientos. Las partículas radioactivas entran en el suministro de agua y son inhaladas o consumidas por la gente a grandes distancias de la explosión.

Los científicos han estudiado a los supervivientes de las bombas de Hiroshima y Nagasaki para entender los efectos a corto y largo plazo de una explosión nuclear en la salud humada. La radiación provocada por una de estas detonaciones afecta a las células que se dividen activamente (pelo, intestinos, medula espinal y órganos reproductivos).

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Algunos de los síntomas son: Nauseas, vómitos, diarrea, pérdida de pelo, cataratas y pérdida de glóbulos en la sangre. Estas consecuencias normalmente derivan en mayores riesgos de leucemia, cáncer, infertilidad o defectos congénitos.  Todavía hoy en día se están estudiando a los supervivientes de estas dos ciudades, y se siguen descubriendo datos nuevos.

En los años ochenta, los científicos valoraron los posibles efectos de una guerra nuclear (muchas bombas nucleares en diferentes partes del mundo) y propusieron la teoría del invierno nuclear. En un escenario con un posible invierno nuclear, la explosión de varias bombas haría que aparecieran grandes nubes de polvo y material radioactivo que podrían viajar hasta la atmósfera de la Tierra.

Estas nubes podría tapar la luz de solo. El reducido nivel de luz solar bajaría la temperatura del planeta y reduciría la fotosíntesis de las plantas y bacterias. Esto afectaría a la cadena alimenticia, causando una extinción de especies (incluido el ser humano).

El escenario descrito es parecido a la teoría del choque de un asteroide, el cual explica la desaparición de los dinosaurios. Tenemos un ejemplo similar de nubes viajando por el planeta cuando un volcán entra en erupción.

Las armas nucleares tienen un poder de destrucción a largo plazo tremendo, el cual viaja mucho más allá del objetivo asignado. Este es el motivo que los gobiernos tratan de controlar su producción y los materiales, y también reducir su número desarrollado durante la guerra fría.

Es también el motivo de  la preocupación de que tantos países tengan todavía este tipo de arma y lo utilicen como forma de negociación en muchos asuntos internacionales. Puede que haya pasado décadas desde las bombas de Japón, pero las horrendas imágenes siguen estando tan claras como en el momento que detonaron.