El funcionamiento de la bomba atómica

➡️ Esta semana pasé un día en Hiroshima aprendiendo sobre la bomba atómica y sus consecuencias. Al final del apartado EXTRA he dejado muchas fotos que hice por allí y algunas explicaciones más allá del funcionamiento de este arma..

Hoy entenderéis la ciencia detrás de una bomba atómica. Aparecerán palabras escalofriantes y conceptos aparentemente imposibles de aprender, pero no hay porqué asustarse, os llevaré de la mano en todo momento, comenzad a leer y veréis que no es para tanto.

(De todas formas, en el apartado EXTRA hablaremos más en detalle de todo.)

Para empezar debemos recordar el modelo atómico clásico (modelo atómico de Bohr), el que se enseña en las escuelas.

Lo que veis ahí es un átomo. El átomo lo constituyen tres tipos de partículas:

Protones: están en el núcleo y tienen carga positiva.
Neutrones: están en el núcleo y no tienen carga.
Electrones: orbitan alrededor del núcleo y tienen carga negativa.

(No hace falta memorizar esto, solo es necesario que os suene)

La bomba se basa en el concepto de la fisión nuclear, es decir, en la desintegración de los núcleos del átomo. Cuando un átomo se rompe y se parte en dos libera energía y neutrones.

Por tanto, si muchos átomos se desintegran, habrá una liberación muy grande de energía. Esa es la base de una bomba atómica.

El núcleo (protones+neutrones) de un átomo se mantiene unido gracias a la fuerza nuclear fuerte. Los protones, todos con carga positiva, naturalmente se repelen entre sí, por tanto, os podéis imaginar que la fuerza para mantenerlos pegados debe ser súper fuerte.

Se dice que un átomo es inestable cuando tiene facilidad para desintegrarse, que su núcleo se parta en dos.

¿Cómo se puede romper un átomo inestable?

(Esto es importante porque el uranio (o plutonio), el elemento central de la bomba, es muy inestable.)

La forma es quebrar el equilibrio del núcleo. Eso se hace añadiendo un neutrón de más. Cuando un neutrón pasa cerca del núcleo de un átomo, existe la probabilidad que la fuerza nuclear fuerte de este atrape ese neutrón, desestabilizando aún más su estructura.

Cuando se dan las condiciones precisas, ese núcleo se desintegra expulsando energía y neutrones (MUY IMPORTANTE esto último).

¿Y qué ocurre si hay más neutrones viajando por ahí?

Que las probabilidades de que alcancen el núcleo de otro átomo aumentarán.

A esto se le llama reacción en cadena. La desintegración de un átomo estimula la desintegración de otros, y estos a la de otros, y así una y otra vez, resultando en una liberación de energía tremenda.

El material usado para las bombas atómicas es el Uranio y el Plutonio, ambos elementos muy inestables. (Seguiremos hablando del Uranio pero es igualmente válido el Plutonio.)

Cuando encontramos el Uranio en la naturaleza, un 99,3% es Uranio-238 y un 0,7% Uranio-235. Esto es un problema, ya que nos interesa el Uranio-235 porque es más inestable que el otro, más fácil de romper.

¿Qué se hace?

Se le somete a un proceso de enriquecimiento, que es básicamente tratar de convertir el Uranio-238 en 235. (Detalle en apart. EXTRA)

Cuando se tiene por fin una masa umbral de Uranio-235, tenemos una bomba atómica.

Método iniciador: en el proyecto Manhattan, la manera de estimular la primera desintegración y de ahí la reacción en cadena, fue colocando explosivos alrededor del núcleo del dispositivo (de forma que se comprima el uranio de manera uniforme).

La explosión comprime y calienta el Uranio e induce la reacción en cadena.

➡️ En esta imagen vemos una foto de una bomba de plutonio. Se llamaba Gadget (de la prueba Trinity, la primera prueba nuclear de EE.UU., probada en Los Álamos, Nuevo México. Es la misma bomba la lanzada en Nagasaki, 9 de agosto de 1945).

Llaman la atención la cantidad de cables que hay. Estos son parte del sistema detonador, explosivos ubicados uniformemente en el interior esférico.

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E X T R A

(Mi experiencia en Hiroshima está al final del todo)

Recomendaciones historia de la bomba atómica:

1. Oppenheimer (Película)

Antes de verla, recomiendo fuertemente ver la serie de vídeos de Javier Santaolalla dedicados a entender mejor la trama: https://www.youtube.com/watch?v=hYPnihEsGs8&list=PL4i0d8i6gL3L2da4ZKD5TSo-FevtkFS6r

2. Prometeo americano de Kai Bird y Martin J. Sherwin. (Libro)

3. Webs y Blogs:

– https://www.atomicarchive.com/

– https://blog.nuclearsecrecy.com/

Estabilidad de un núcleo:

La fuerza electrostática (fuerza de repulsión entre los protones) del uranio es muy grande porque tiene muchos protones. Los neutrones contrarrestan esa repulsión y permiten mantener la estabilidad.

Por tanto, a grandes rasgos, cuantos más neutrones haya en el núcleo, más estabilidad.

Inestabilidad del Uranio:

Uranio-235 (92 protones y 143 neutrones)

Uranio-238 (92 protones y 146 neutrones)

Decíamos que más neutrones reducían la inestabilidad del núcleo porque contrarrestaban las fuerzas electrostáticas de los protones.

Por eso en una bomba atómica se utiliza uranio-235: tiene menos neutrones, es más inestable, se necesita menos energía para desintegrarlo.

Eso sí, el uranio-238 puede desintegrarse con neutrones rápidos, pero en una bomba atómica no están presentes, solamente hay neutrones térmicos (neutrones de baja energía.)

Sin embargo, ambos elementos son inestables, la cantidad de neutrones que tienen no son suficientes para estabilizar la repulsión de tantos protones.

Es esa inestabilidad la que hace del uranio un material radioactivo. Los núcleos tienden a desintegrarse para alcanzar un nivel más estable (llegar a un equilibrio entre fuerza electrostática y nuclear fuerte) liberando energía en forma de radiación (rayos gamma) y partículas.

Enriquecimiento del uranio

Para convertir uranio-238 a 235, se le somete a un proceso de enriquecimiento. Aquí los detalles (es una locura de proceso, pero os dejo un artículo donde podéis aprender sobre ello.) https://energyeducation.ca/Enciclopedia_de_Energia/index.php/Enriquecimiento_del_uranio#:~:text=El%20enriquecimiento%20del%20uranio%20es,la%20fisi%C3%B3n%20con%20neutrones%20t%C3%A9rmicos

Masa crítica

Para que haya una reacción en cadena autosostenida, se necesita llegar una determinada masa crítica, una cierta cantidad de material fisionable.

Básicamente, si la masa crítica es menor, muchos neutrones liberados tras la fisión escaparán sin llegar a romper más átomos. La probabilidad de que impacten es mínima.

Dicho de otra forma, se deben producir más neutrones de los que se pierden.

Dependiendo del material la masa crítica cambia: no es igual en el uranio-235 que en el plutonio-239. También influye la pureza y la forma (una esfera tiene la geometría óptima).

Una manera de aumentar las probabilidades de colisión es colocando reflectores en el interior de la carcasa de la bomba. Estos reflejan los neutrones que quieren escapar de nuevo al interior (dentro de sus posibilidades claro).

HIROSHIMA: Lo que vi

Edificio más emblemático. Es el hipocentro, el lugar donde explotó y se expandió la bomba. Lo hizo a unos 200 m de altura.

Antes y después.

Medición de radiación residual cerca del hipocentro para averiguar si la bomba era o no atómica e investigar sus efectos.

Lo cierto es que murieron más de 200 mil personas en el primer año (luego más). La bomba atómica no solamente mata por la explosión, también por la radiación que emite. La radiación modifica nuestras células haciéndonos padecer enfermedades. La más conocida el cáncer, pero hay más.

Hiroshima momentos después.

Caja de almuerzo escolar tras la explosión.

Se quema la parte del papel con tinta negra ya que el color oscuro absorbe más el calor que el claro.

Planta de enriquecimiento del uranio. Todo ese complejo para conseguir uranio-235 (❗️).

Cuando explota una bomba, el viento circundante se comprime y se propaga como una bala a lo largo de todas las direcciones. Es un efecto devastador tras una explosión tan grande, pues este viento destruye casas enteras, y como se ve en la foto, también estructuras metálicas.

Mi teoría es que esta puerta estaba bastante alejada del hipocentro porque quedó bastante bien dentro de lo que queda.

En Hiroshima se lanzó la Little Boy (06 agosto 1945), de uranio y con un mecanismo algo distinto al que hemos explicado antes.

En Nagasaki se lanzó la Fat Man tres días después (09 agosto 1945). Esta vez de plutonio. Tiene el mecanismo de explosión que hemos enseñado antes.

¿Por qué estas dos ciudades y no otras?

Estados Unidos hizo un estudio de cuáles serían las ciudades donde los efectos serían más devastadores, tanto como físicamente como psicológicamente. Entre estas ciudades también se encontraban Kioto, Kokura, y otras tantas.

De hecho pude ver documentos donde se consideraban los pros y contras de cada ciudad.

También había documentos firmados por el presidente Roosevelt, correspondencia entre él y Einstein, y otros muchos documentos antes secretos.

En fin, aprendí muchísimas más cosas, pero este artículo quedaría demasiado largo si me sigo enrollando. Ya sabéis que podéis escribirme al correo para lo que queráis (cienciaparapaquetes.com).