Han pasado poco más de dos meses desde el final de la peor guerra en la historia de la humanidad. Y así, el 16 de julio de 1945, el ejército estadounidense probó la primera bomba nuclear y, un mes después, miles de residentes de ciudades japonesas mueren en el infierno atómico. Desde entonces, las armas nucleares, así como los medios para lanzarlas a los objetivos, se han mejorado continuamente durante más de medio siglo.
Los militares querían tener a su disposición tanto municiones superpoderosas, capaces de barrer ciudades y países enteros del mapa de un solo golpe, como municiones ultrapequeñas que caben en un maletín. Tal dispositivo llevaría la guerra de sabotaje a un nivel sin precedentes. Tanto con el primero como con el segundo hubo dificultades insalvables. La razón de esto es la llamada masa crítica. Sin embargo, lo primero es lo primero.
Qué núcleo tan explosivo
Para entender cómo funcionan los dispositivos nucleares y entender qué se llama masa crítica, volvamos al escritorio por un rato. Del curso de física escolar, recordamos una regla simple: las cargas del mismo nombre se repelen entre sí. En el mismo lugar, en el bachillerato, se les explica a los estudiantes la estructura del núcleo atómico, compuesto por neutrones, partículas neutras yprotones cargados positivamente. Pero, ¿cómo es esto posible? Las partículas con carga positiva están tan cerca unas de otras que las fuerzas de repulsión deben ser colosales.
La ciencia no es plenamente consciente de la naturaleza de las fuerzas intranucleares que mantienen unidos a los protones, aunque las propiedades de estas fuerzas se han estudiado bastante bien. Las fuerzas actúan sólo a muy corta distancia. Pero vale la pena, al menos un poco, separar los protones en el espacio, ya que las fuerzas de repulsión comienzan a prevalecer y el núcleo se rompe en pedazos. Y el poder de tal expansión es verdaderamente colosal. Se sabe que la fuerza de un varón adulto no sería suficiente para contener los protones de un solo núcleo del átomo de plomo.
¿De qué tenía miedo Rutherford?
Los núcleos de la mayoría de los elementos de la tabla periódica son estables. Sin embargo, a medida que aumenta el número atómico, esta estabilidad disminuye. Se trata del tamaño de los núcleos. Imagine el núcleo de un átomo de uranio, que consta de 238 nucleidos, de los cuales 92 son protones. Sí, los protones están en estrecho contacto entre sí y las fuerzas intranucleares cementan de forma segura toda la estructura. Pero la fuerza de repulsión de los protones ubicados en los extremos opuestos del núcleo se vuelve notable.
¿Qué estaba haciendo Rutherford? Él bombardeó átomos con neutrones (un electrón no pasará a través de la capa de electrones de un átomo, y un protón con carga positiva no podrá acercarse al núcleo debido a las fuerzas de repulsión). Un neutrón que entra en el núcleo de un átomo provoca su fisión. Dos mitades separadas y dos o tres neutrones libres se separaron.
Esta descomposición, debido a la enorme velocidad de las partículas voladoras, fue acompañada por la liberación de una enorme energía. Hubo un rumor de que Rutherford incluso quería ocultar su descubrimiento, por temor a las posibles consecuencias para la humanidad, pero lo más probable es que no sea más que un cuento de hadas.
Entonces, ¿qué tiene que ver la masa con esto y por qué es crítica
¿Y qué? ¿Cómo se puede irradiar suficiente metal radiactivo con una corriente de protones para producir una poderosa explosión? ¿Y qué es la masa crítica? Se trata de esos pocos electrones libres que salen volando del núcleo atómico "bombardeado", ellos, a su vez, al chocar con otros núcleos, provocarán su fisión. Comenzará una llamada reacción en cadena nuclear. Sin embargo, lanzarlo será extremadamente difícil.
Comprueba la escala. Si tomamos una manzana en nuestra mesa como el núcleo de un átomo, entonces para imaginar el núcleo de un átomo vecino, la misma manzana deberá llevarse y colocarse sobre la mesa ni siquiera en la habitación de al lado, sino ….en la casa de al lado. El neutrón tendrá el tamaño de una semilla de cereza.
Para que los neutrones emitidos no salgan volando en vano fuera del lingote de uranio, y más del 50% de ellos encuentren un blanco en forma de núcleo atómico, este lingote debe tener el tamaño adecuado. Esto es lo que se llama la masa crítica del uranio, la masa en la que más de la mitad de los neutrones emitidos chocan con otros núcleos.
De hecho, sucede en un instante. El número de núcleos divididos crece como una avalancha, sus fragmentos se precipitan en todas direcciones con velocidades comparables ala velocidad de la luz, rasgando el aire, el agua, cualquier otro medio. A partir de sus colisiones con las moléculas ambientales, el área de la explosión se calienta instantáneamente a millones de grados, irradiando un calor que incinera todo en un área de varios kilómetros.
El aire caliente de repente se expande instantáneamente en tamaño, creando una poderosa onda de choque que derriba los cimientos de los edificios, vuelca y destruye todo a su paso… esta es la imagen de una explosión atómica.
Cómo se ve en la práctica
El dispositivo de la bomba atómica es sorprendentemente simple. Hay dos lingotes de uranio (u otro metal radiactivo), cada uno de los cuales tiene un poco menos que la masa crítica. Uno de los lingotes tiene forma de cono, el otro es una bola con un agujero en forma de cono. Como puede suponer, cuando se combinan las dos mitades, se obtiene una bola, en la que se alcanza la masa crítica. Esta es una bomba nuclear simple estándar. Las dos mitades se conectan usando la carga habitual de TNT (el cono se dispara dentro de la bola).
Pero no creas que cualquiera puede montar un dispositivo así "sobre la rodilla". El truco es que el uranio, para que una bomba explote, debe ser muy puro, la presencia de impurezas es prácticamente nula.
Por qué no existe una bomba atómica del tamaño de un paquete de cigarrillos
Todo por la misma razón. La masa crítica del isótopo más común del uranio 235 es de unos 45 kg. Una explosión de esta cantidad de combustible nuclear ya es un desastre. Y hacer un artefacto explosivo con menoscantidad de sustancia es imposible - simplemente no funcionará.
Por la misma razón, no fue posible crear cargas atómicas súper poderosas a partir de uranio u otros metales radiactivos. Para que la bomba fuera muy poderosa, estaba hecha de una docena de lingotes que, cuando se detonaban las cargas detonantes, se precipitaban hacia el centro y se conectaban como rodajas de naranja.
¿Pero qué sucedió realmente? Si por alguna razón dos elementos se encontraban una milésima de segundo antes que los demás, la masa crítica se alcanzaba antes de que el resto “llegara a tiempo”, la explosión no se producía con la potencia que los diseñadores esperaban. El problema de las armas nucleares superpoderosas solo se resolvió con el advenimiento de las armas termonucleares. Pero esa es una historia ligeramente diferente.
¿Cómo funciona un átomo pacífico?
Una planta de energía nuclear es esencialmente la misma bomba nuclear. Solo que esta "bomba" tiene elementos combustibles (elementos combustibles) hechos de uranio ubicados a cierta distancia entre sí, lo que no impide que intercambien "golpes" de neutrones.
Los elementos combustibles se fabrican en forma de varillas, entre las cuales hay varillas de control fabricadas en un material que absorbe bien los neutrones. El principio de funcionamiento es simple:
- varillas reguladoras (absorbentes) se insertan en el espacio entre las varillas de uranio - la reacción se ralentiza o se detiene por completo;
- las barras de control se retiran de la zona: los elementos radiactivos intercambian neutrones de forma activa, la reacción nuclear avanza más intensamente.
De hecho, resulta la misma bomba atómica,en el que la masa crítica se alcanza tan suavemente y se regula tan claramente que no conduce a una explosión, sino solo al calentamiento del refrigerante.
Aunque, lamentablemente, como muestra la práctica, no siempre el genio humano es capaz de frenar esta enorme y destructiva energía: la energía de la descomposición del núcleo atómico.
