09 febbraio 2006

Armi Nucleari

Con questo post farò un focus su una questione che investe la politica internazionale, ovvero la crisi con alcuni regimi circa il possibile riarmo nucleare. Unico obiettivo: riportare l’attenzione sul tema principale della crisi internazionale con Teheran, che il regime stesso sta abilmente tentando di offuscare tramite il sollevamento di inutili polemiche su vignette vecchie di 5 mesi,ma cui tutto il mondo sembra invece prestare attenzione. In particolare analizzerò abbastanza approfonditamente (nel limite delle mie possibilità,s’intende) il tema delle armi nucleari convenzionali per far luce su un argomento di cui tutti parlano, ma che spesso pochi affrontano con cognizione di causa, privilegiando approcci retorici, emozionali e allarmanti con unico scopo il liquidare tutto con poche parole e banalità.
Scusate la lunghezza del post, ma l’argomento trattato non si presta proprio alla sintesi, portate pazienza. Spero l’approfondimento sarà gradito.

INTRODUZIONE
Le Armi Nucleari sono ordigni esplosivi progettati per liberare energia nucleare su grande scala. La prima bomba atomica (o bomba A), che fu sperimentata il 16 luglio 1945 nei pressi di Alamogordo, nel New Mexico, rappresentava un tipo completamente nuovo di esplosivo artificiale.

Prima di quella data, tutti gli esplosivi derivavano la loro potenza dal rapido processo di combustione o di decomposizione di determinati composti chimici e quindi sfruttavano l'energia che si libera per effetto delle transizioni degli elettroni orbitanti tra i livelli energetici periferici, o più esterni, dell'atomo.
Diversamente, gli esplosivi nucleari liberano l'energia contenuta nel nucleo atomico: la bomba A sviluppa la sua spaventosa potenza per la rottura, o fissione, dei nuclei contenuti in alcuni chilogrammi di plutonio. Una sfera di uranio o di plutonio dalle dimensioni simili a quelle di una palla da baseball determina un'esplosione paragonabile a quella prodotta da 20.000 tonnellate di esplosivo ad alto potenziale, come ad esempio il trinitrotoluene, noto come TNT. La bomba A fu sviluppata, costruita e collaudata dal Progetto Manhattan, un'imponente impresa iniziata dagli Stati Uniti nell'agosto 1942, durante la seconda guerra mondiale. Molti illustri scienziati, tra i quali i fisici Enrico Fermi, Richard Feynman ed Edward Teller e il chimico Harold Urey, furono coinvolti in quello che rappresentava il maggiore progetto scientifico al mondo, diretto dal generale dell'esercito statunitense Leslie Grooves. Direttore scientifico del progetto, che aveva base a Los Alamos, nel New Mexico, era il fisico statunitense J. Robert Oppenheimer.
Dopo la guerra, nel 1946, la Commissione per l'energia atomica (AEC) divenne responsabile della supervisione di tutti i progetti riguardanti lo sfruttamento dell'energia nucleare, compresa la ricerca sulle armi. Furono sviluppati nuovi tipi di bombe con lo scopo di estrarre energia da elementi più leggeri, come l'idrogeno, sfruttando il processo di fusione nucleare, nel quale nuclei di isotopi dell'idrogeno, deuterio o trizio, si uniscono per formare un più pesante nucleo di elio. Questa ricerca produsse bombe di potenza variabile tra una frazione di kiloton (equivalente a 1000 tonnellate di TNT) e molti megaton (1 megaton = 1 milione di tonnellate di TNT). Inoltre, la dimensione fisica della bomba fu drasticamente ridotta, permettendo lo sviluppo di proiettili nucleari tattici per artiglieria e di missili lanciabili dal suolo, dall'aria e utilizzabili anche sott'acqua. I grandi missili possono recare testate nucleari multiple indirizzabili su bersagli differenti.

IL PROCESSO DI FISSIONE: REAZIONE A CATENA

Il primo passo verso la liberazione di energia dall'atomo fu il processo di fissione nucleare.
In una reazione di fissione, un nucleo di uranio o di un altro elemento pesante si scinde, per effetto del bombardamento con neutroni, formando una coppia di frammenti di nucleo e liberando una notevole quantità di energia. Il processo è accompagnato da una rapida emissione di neutroni veloci, uguali a quelli che hanno innescato la fissione del nucleo di uranio; ciò consente l'inizio della cosiddetta reazione a catena, che consiste in una serie autoalimentata di fissioni nucleari: i neutroni che vengono emessi nel processo di fissione possono a loro volta innescare il medesimo processo, con continuo sviluppo di energia. L'isotopo leggero dell'uranio, l'uranio 235, viene facilmente scisso per effetto dei neutroni prodotti durante la reazione di fissione e, scindendosi, emette in media 2,5 neutroni. Per sostenere la reazione a catena è necessario un neutrone per ogni generazione di fissioni nucleari; i neutroni eccedenti possono sfuggire dalla massa del materiale oppure possono essere assorbiti da impurità o dall'isotopo pesante uranio 238, nel caso in cui questo sia presente. Una sostanza capace di sostenere una reazione di fissione a catena è detta fissile.
La quantità minima di materiale fissile (di una determinata forma) necessaria per mantenere una reazione a catena è detta massa critica. Incrementando ulteriormente la dimensione della sfera si ottiene una massa supercritica, nella quale le generazioni successive di fissioni aumentano molto rapidamente, conducendo a un'esplosione come conseguenza dello sviluppo estremamente rapido di un'enorme quantità di energia. In una bomba atomica, pertanto, una massa di materiale fissile di dimensioni maggiori del valore critico viene divisa in due o più parti non critiche, che vengono ravvicinate e tenute insieme per circa un milionesimo di secondo, così da costituire istantaneamente la massa critica; ciò consente che la reazione a catena si propaghi prima dell'esplosione della bomba. Un materiale pesante, detto tamper, circonda la massa fissile in modo da prevenirne una disintegrazione prematura e da ridurre il numero di neutroni che riescono a sfuggire.

DETONAZIONI DELLE BOMBE ATOMICHE

Per la detonazione delle bombe atomiche sono stati messi a punto vari sistemi, più o meno sofisticati. Nel sistema più semplice, un proiettile di materiale fissile viene sparato contro un bersaglio del medesimo materiale, in modo che le due masse si uniscano in un insieme supercritico. La bomba atomica fatta esplodere su Hiroshima il 6 agosto 1945 era un'arma di questo tipo, della potenza di circa 20 kiloton.
Un metodo più complesso, detto a implosione, viene utilizzato in un'arma di conformazione sferica. La parte più esterna della sfera consiste di uno strato di "lenti" di esplosivo comune ad alto potenziale, disposte in modo da concentrare l'esplosione verso il centro della bomba (implosione). Al centro si trova un nocciolo di materiale fissile che viene compresso dalla potente onda di pressione diretta all'interno; la densità del metallo ne risulta aumentata, con conseguente produzione di una configurazione supercritica. La bomba del test di Alamogordo e anche quella sganciata su Nagasaki il 9 agosto 1945, entrambe con una potenza di 20 kiloton, erano del tipo a implosione.
Indipendentemente dal metodo usato per ottenere un insieme supercritico, la reazione a catena procede per circa un milionesimo di secondo, liberando enormi quantità di energia termica. La liberazione così rapida di una tale energia in un piccolo volume fa sì che la temperatura salga istantaneamente a decine di milioni di gradi. La rapida espansione e vaporizzazione del materiale stesso che costituisce la bomba dà origine a un'esplosione di estrema potenza.

ARMI TERMONUCLEARI O A FUSIONE

Prima che venisse sviluppata la prima bomba atomica, gli scienziati si resero conto della possibilità di sfruttare una reazione diversa dal processo di fissione come fonte di energia nucleare. Invece di utilizzare l'energia liberata dalla reazione a catena di una massa critica di materiale fissile (che si scinde), le armi nucleari possono sfruttare l'energia sviluppata dalla fusione di elementi leggeri, ad esempio gli isotopi di atomi come l'idrogeno, che si uniscono a formarne uno più pesante (per questa ragione le armi basate sulle reazioni di fusione nucleare sono spesso chiamate bombe all'idrogeno, o bombe H). Dei tre isotopi dell'idrogeno esistenti, i due più pesanti, il deuterio e il trizio, sono più instabili e quindi si combinano più facilmente per formare elio. Anche se la quantità di energia liberata per singola reazione nucleare è minore nel processo di fusione che in quello di fissione, 0,5 kg del materiale con peso atomico inferiore contengono un numero di atomi di gran lunga maggiore; pertanto, l'energia liberata da 0,5 kg di un isotopo dell'idrogeno è pari a circa 29 kiloton, ovvero tre volte quella dell'uranio a parità di massa. Questa stima, comunque, presuppone la completa fusione di tutti gli atomi di idrogeno. Le reazioni di fusione nucleare si verificano solo a temperature di molti milioni di gradi e il tasso con cui si svolge il processo aumenta enormemente al crescere della temperatura; pertanto tali reazioni sono denominate termonucleari, ovvero indotte dal calore.
Lo sviluppo della bomba a idrogeno sarebbe stato impossibile prima del perfezionamento della bomba A, dato che solo quest'ultima può fornire la quantità di calore necessaria ad avviare la reazione di fusione dei nuclei di idrogeno.
Facendo seguito ai test di sviluppo condotti nella primavera del 1951 presso le isole Marshall, il primo esperimento di esplosione termonucleare coronato da successo fu effettuato il 1° novembre 1952: denominato Mike, produsse un'esplosione di parecchi megaton. L'Unione Sovietica fece detonare un'arma termonucleare da 10 megaton nell'agosto 1953; il 1° marzo dell'anno successivo, gli Stati Uniti sperimentarono una bomba a fusione da 15 megaton, che produsse una sfera di fuoco del diametro di quasi cinque chilometri e un'immensa nube a fungo che rapidamente giunse fino a quote stratosferiche.

UNA BOMBA A FISSIONE-FUSIONE-FISSIONE

Dopo l'esplosione, tutto il mondo conobbe il fenomeno del cosiddetto fallout radioattivo; la ricaduta di detriti radioattivi dall'immensa nube della bomba rivelò molto sulla natura stessa dell'esplosione termonucleare. Se la bomba H fosse stata un'arma costituita semplicemente da un innesco a fissione e una massa di isotopi di idrogeno (come si pensava prima dell'esplosione), la sola radioattività persistente dopo l'esplosione sarebbe stata quella prodotta dai detriti dell'innesco e quella indotta dai neutroni liberi a contatto con le scogliere coralline e con l'acqua di mare. Invece, la bomba termonucleare che esplose nel 1954 era in realtà un'arma a tre stadi. Ciò si scoprì grazie ad alcuni detriti radioattivi che andarono a ricadere su un peschereccio giapponese che stava solcando le acque a 160 chilometri dal punto dell'esplosione: questa polvere fu analizzata dagli scienziati giapponesi e il risultato dell'analisi dimostrò che l'ordigno doveva contenere qualcosa di più, oltre all'innesco e all'idrogeno. Il primo stadio consisteva di una grande bomba A, che fungeva da innesco; il secondo stadio era la fase di bomba H, risultante dalla fusione del deuterio e del trizio contenuti nell'ordigno (nel processo di fusione si formavano elio e neutroni ad alta energia); il terzo stadio era il risultato dell'impatto di questi neutroni ad alta velocità con il rivestimento esterno della bomba, costituito da uranio naturale, uranio 238. Non si verificava una reazione a catena, ma i neutroni prodotti dalla fusione avevano energia sufficiente per provocare la fissione di nuclei di uranio e quindi un'ulteriore liberazione di energia, ma soprattutto di residui radioattivi.

EFFETTI DELLE ARMI NUCLEARI

1. Effetti dell'onda d'urto.

Come nel caso delle esplosioni prodotte dalle armi convenzionali, gran parte del danno provocato agli edifici e alle altre strutture da un'esplosione nucleare risulta, direttamente o indirettamente, dagli effetti dello scoppio. La rapidissima espansione dei materiali che costituiscono la bomba produce un impulso di alta pressione, o più precisamente un'onda d'urto, che si propaga in modo concentrico a partire dal punto in cui è avvenuta l'esplosione. In aria, questa onda d'urto è accompagnata dallo sviluppo di venti violentissimi, assai più potenti di quelli di un uragano, e il danno viene provocato sia dalla pressione dell'aria in prossimità del fronte dell'onda d'urto, sia dai venti estremamente intensi che persistono anche dopo il passaggio dell'onda.
L'entità del danno prodotto al suolo dipende dalla potenza dell'esplosione che viene espressa in tonnellate equivalenti di TNT, ma anche dalla quota a cui è fatta esplodere la bomba e dalla distanza delle strutture colpite dal punto zero, vale a dire dal punto che si trovava direttamente sotto l'ordigno all'istante dell'esplosione. Le bombe A da 20 kiloton esplosero sul Giappone a una quota di circa 550 m, poiché era stato calcolato che in corrispondenza di quel valore si sarebbe ottenuto il massimo danno.
Assumendo una quota di esplosione tale da rendere più vasta possibile l'area colpita, una bomba da 10 kiloton provocherebbe la distruzione di case poste a una distanza di oltre un chilometro e mezzo dal punto zero e danni moderati fino a due chilometri e mezzo. Il raggio della zona interessata dall'effetto distruttivo aumenta con la potenza della bomba, approssimativamente in proporzione alla sua radice cubica. Ad esempio una bomba da 10 megaton, ovvero 1000 volte più potente di una da 10 kiloton, ha raggio di azione 10 volte maggiore di quest'ultima.

2. Effetti termici.

Le temperature estremamente alte raggiunte in un'esplosione nucleare risultano dalla formazione di una massa incandescente di gas compressi, detta palla di fuoco, che per un'esplosione in quota della potenza di 10 kiloton ha diametro di circa 300 m; per un'esplosione da 10 megaton il diametro raggiunge invece i 5 km. Dalla palla di fuoco viene emesso un lampo di radiazione termica che raggiunge una vasta area, seppure con intensità che decresce in modo costante. La quantità di energia termica ricevuta a una determinata distanza dal punto zero dipende dalla potenza della bomba e dallo stato dell'atmosfera: se la visibilità è scarsa e l'esplosione avviene al di sopra delle nubi, ad esempio, l'efficacia del lampo di radiazione termica che ne risulta è sensibilmente diminuita.
La radiazione termica che colpisce la pelle causa gravi ustioni, in particolare un'esplosione in quota da 10 kiloton può produrre ustioni di secondo grado sulla pelle non coperta, fino a 2,4 km dal punto zero; per una bomba da 10 megaton, la distanza corrispondente è di 32 km.
La radiazione termica può provocare lo sviluppo di incendi di materiale combustibile, che successivamente, se le condizioni sono favorevoli, si estendono. I dati raccolti in seguito alle esplosioni atomiche sulle due città giapponesi rivelarono che molti incendi, specialmente nell'area attorno al punto zero, furono provocati da cause secondarie, come cortocircuiti, rotture delle condutture del gas, rottura dei forni e delle caldaie di impianti industriali. L'onda d'urto produsse detriti che contribuirono ad alimentare le fiamme e a ostacolare il lavoro di chi tentava di domarle.
In condizioni particolari, quali si verificarono a Hiroshima e non a Nagasaki, molti singoli incendi possono combinarsi a produrre una grande tempesta di fuoco. Il calore dell'incendio causa una forte corrente d'aria ascensionale, la quale a sua volta richiama forti venti verso il centro dell'area interessata; questi venti alimentano le fiamme e nell'area tutto ciò che esiste di infiammabile viene rapidamente divorato dal fuoco.

3. Effetti da radiazioni penetranti.

Oltre al calore e all'onda d'urto, l'esplosione di una bomba nucleare ha un effetto del tutto particolare e assolutamente devastante: l'emissione di radiazioni nucleari penetranti che hanno caratteristiche completamente diverse dalla radiazione termica. Quando viene assorbita dai tessuti corporei, la radiazione nucleare può causare danni estremamente gravi anche se, per un'esplosione in quota, questi si manifestano all'interno di un raggio minore rispetto a quello associato a un'onda d'urto e alla radiazione termica. In Giappone, tuttavia, molti individui che non avevano riportato danni letali per l'urto e per il calore, morirono in un secondo momento a causa delle radiazioni.
La radiazione nucleare prodotta da un'esplosione atomica può essere distinta in due categorie: radiazione diretta e radiazione residua.
Quella diretta consiste di una liberazione istantanea di neutroni e raggi gamma, che sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia simili ai raggi X, su un'area di moltissimi chilometri quadrati. Sia i neutroni sia i raggi gamma hanno la proprietà di attraversare la materia allo stato solido, cosicché per difendersi dalla loro azione occorre essere schermati da spessori consistenti di materiale.
La radiazione nucleare residua, generalmente nota come fallout, può rappresentare un rischio per aree molto vaste del tutto indenni dagli altri effetti dell'esplosione. Nelle bombe che traggono energia dalla fissione di uranio 235 o di plutonio 239, per ogni atomo fissile si producono due nuclei radioattivi; questi prodotti di fissione spiegano la persistente radioattività dei detriti delle bombe, dal momento che molti degli atomi hanno tempi di dimezzamento di giorni, mesi o anche anni.
Si conoscono due diverse categorie di fallout: precoce e ritardato. Se un'esplosione nucleare si verifica vicino alla superficie, avviene il risucchio dalla superficie stessa di detriti e acqua, materiali che vanno a costituire la nube a fungo e si contaminano con i residui radioattivi della bomba stessa. Il materiale contaminato comincia a ricadere nel giro di pochi minuti e può continuare anche per 24 ore, interessando un'area di migliaia di chilometri quadrati sottovento rispetto al punto dell'esplosione: è questo il cosiddetto fallout precoce, che costituisce un rischio immediato per gli esseri umani. Le esplosioni che avvengono a quota relativamente alta non danno luogo a fallout precoce. Se una bomba nucleare esplode ben lontana dal suolo, i residui radioattivi salgono ad alta quota nella nube a fungo, e ricadono gradualmente su un'area molto vasta.
La natura della radioattività e la grande vastità delle aree che potrebbero essere contaminate da una singola esplosione rendono potenzialmente il fallout radioattivo uno degli effetti più micidiali delle esplosioni nucleari.

ARMI NUCLEARI TATTICHE (Bombe H "pulite")

In media, circa il 50% della potenza di una bomba H risulta dalla reazione di fusione termonucleare; il restante 50% è fornito dalla fissione dell'innesco e dell'involucro di uranio. Per bomba H "pulita" si intende un ordigno in cui una frazione significativamente inferiore al 50% dell'energia viene fornita da processi di fissione. Dato che la fusione non dà luogo direttamente alla formazione di prodotti radioattivi, il fallout di una bomba pulita è inferiore, a parità di potenza, a quello di un comune ordigno nucleare. Se una bomba H non avesse rivestimento in uranio, ma solo l'innesco a fissione, potrebbe dirsi relativamente pulita, poiché forse meno del 5% della totale forza esplosiva potrebbe risultare dalla fissione.
La bomba al neutrone (bomba N), sperimentata dagli Stati Uniti e da altre potenze nucleari, è una bomba a fusione in cui viene potenziata l'emissione di radiazione diretta, ma non si ha rilascio di prodotti radioattivi persistenti di fissione. Il gran numero di neutroni liberato nelle reazioni termonucleari induce radioattività nel suolo e nell'acqua entro una zona relativamente ristretta intorno all'esplosione; pertanto la bomba al neutrone viene considerata un'arma tattica, e non strategica, dal momento che può causare gravi danni sul campo di battaglia, uccidendo i militari che occupano carri armati e veicoli corazzati, senza provocare il fallout radioattivo che metterebbe in pericolo gli esseri viventi a molti chilometri di distanza.

3 Comments:

Blogger Fabio said...

Bello, un articolo abbastanza avanzato ma scritto anche per chi non ha conoscenze di alto livello.

Nei primi istanti della detonazione nucleare la maggior parte dell'energia é emessa come raggi X, che collidono con gli atomi dell'aria o del terreno e li ionizzano formando la palla di fouco iniziale (plasma, in realtá). Questo plasma poi decade emettendo altri raggi X ad energia inferiore; ultravioletti, infrarossi eccetera.

C'é una scelta abbastanza vasta di materiali per costruire l'involucro (tamper) del secondo stadio delle bombe a fusione: piombo o tungsteno per quelle "pulite"; uranio (naturale, arricchito o anche impoverito) per quelle "sporche". Le bombe a fusione attuali usano spesso deuteruro di litio come combustibile di fusione, che é un solido e quindi molto piú maneggievole dei gas criogenici usati nei primi esperimenti.

7:15 PM

 
Blogger GeorgeWalker said...

mi fa piacere che ti interessi il tema...ho provato a mettere insieme le conoscenze,non vastissime per la verità,con dettagli che mi sono andato a cercare facendo una cernita in modo che ne risultasse qualcosa di comprensibile anche a chi non ha mai approcciato l'argomento.
Ti ringrazio dei tuoi appunti e integrazioni,ne farò tesoro.
Un saluto,apresto.

9:44 AM

 
Anonymous mario said...

molto interessante e ben fatto l'articolo. Complimenti davvero

12:10 PM

 

Posta un commento

<< Home