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(S-9) Le armi nucleari


        La precedente pagina web sull'energia nucleare, scritta nel 2001, aveva deliberatamente omesso l'argomento delle armi. Il mondo sta cambiando, e a malincuore ho aggiunto questa parte, con la convinzione che sia meglio conoscere che rimanere ignoranti.

        Per gli utenti di Internet che sono stati condotti qui da un motore di ricerca: Questa pagina Web è la 3ª di una serie che discute l'energia nucleare a livello elementare, e che fa parte di un voluminoso corso su Internet intitolato "Dagli astronomi alle astronavi", riguardante l'astronomia, la meccanica newtoniana, il Sole e l'astronautica. Le due sezioni precedenti sono L'energia del Sole e L'energia nucleare.

    David P. Stern                  30 marzo 2003.


Liberazione in forma esplosiva dell'energia di fissione

    La fissione dell'uranio fornisce attualmente energia elettrica in molte nazioni. Un giorno ciò potrà avvenire su scala molto più vasta, se si raggiungerà un accordo su base mondiale su come evitare un cattivo uso (ved. più avanti) e su come smaltire in modo sicuro i prodotti di fissione.

    Tuttavia, vi è anche un altro aspetto: la costruzione di bombe atomiche. Invece di "bruciare" gradualmente l'U-235 o il plutonio (i più comuni combustibili nucleari), producendo calore per generare elettricità, una bomba libera la sua energia in modo estremamente rapido, generando una intensa concentrazione di calore. Anche pochi chilogrammi (di cui solo una piccola percentuale subisce la fissione) possono distruggere una intera città.

    Una tale liberazione immediata di energia non è comunque facile da ottenersi. Infatti è richiesta una sofisticata tecnologia, altrimenti il calore liberato immediatamente nella "reazione a catena" della fissione farebbe esplodere anzitempo il materiale e bloccherebbe il processo. Un reattore nucleare non può mai esplodere come una bomba: al massimo potrebbe esplodere come una caldaia a vapore sprovvista di valvole di sicurezza o, più probabilmente, il suo combustibile potrebbe fondere, convertendosi in una costosa scoria, come accadde a Three Mile Island. Reattori difettosi possono essere certamente pericolosi, poiché essi contengono prodotti di fissione fortemente radioattivi (ricordiamo Chernobyl!). Tuttavia non potranno mai diventare delle bombe atomiche.

    Esiste anche un secondo motivo: il processo usato nei reattori commerciali non è adatto per costruire bombe. Ogni neutrone liberato dalla fissione di un nucleo deve rimbalzare nel materiale inerte (per esempio, acqua o carbonio) e rallentare, prima che possa iniziare una nuova fissione "termica". Il materiale interposto interferisce con il processo esplosivo, e il rallentamento, rapido com'è, diluisce la liberazione di energia.

Fissione mediante neutroni veloci

    La fissione può tuttavia procedere più rapidamente tramite un differente processo, usando cioè neutroni "veloci". Appena generati dal processo di fissione, questi neutroni innescano un'altra fissione prima che si siano allontanati molto. La "fissione veloce" rende possibili le bombe (come pure i reattori veloci autofertilizzanti, di cui in Francia ne sono stati costruiti due). La sua reazione a catena viene smorzata dall'isotopo U238 per cui, a differenza del combustibile delle centrali di potenza, dove può essere usato anche l'uranio naturale (0.7% U235), quello usato in una bomba deve essere pesantemente arricchito in U235 ("uranio di qualità per bombe"). In alternativa viene usato un elemento prodotto artificialmente, il plutonio, estratto come sottoprodotto dei reattori nucleari.

    L' arricchimento è un procedimento difficile e costoso, che fa uso di centrifughe a gas o di grandi separatori magnetici (metodi usati dall'Irak prima del 1991), oppure di grandi batterie di diffusione gassosa. Il plutonio, d'altra parte, richiede soltanto metodi chimici per separarlo dai prodotti di fissione fortemente radioattivi nel combustibile già usato di un reattore. A causa della radiazione letale, questa separazione viene sempre effettuata con comandi a distanza. La possibilità che vengano costruite bombe atomiche con il plutonio estratto dagli impianti commerciali è stato il principale motivo dello sforzo internazionale per controllare la proliferazione della tecnologia nucleare.

    Anche con il combustibile arricchito, non è facile costruire una bomba atomica. È necessaria una "massa critica" di combustibile, e deve essere messa insieme molto rapidamente -- in effetti, compressa in un volume più ridotto -- per consentire a una sufficiente quantità di materiale fissionabile di reagire prima che il calore generato frantumi tutto in modo esplosivo. La prima "bomba atomica" sganciata sul Giappone nel 1945 (in termini più appropriati bisognerebbe dire "bomba nucleare", ma nei racconti di fantascienza si era già parlato in passato di "bombe atomiche") era una canna di cannone modificata, in cui un pezzo di U235 veniva "sparato" contro un altro pezzo. Le bombe al plutonio devono essere assiemate ancora più rapidamente e ancora più compresse, in modo che una carica sferica di esplosivo "imploda" su una sfera di combustibile posta nel mezzo. La tecnologia per realizzarla comporta i "segreti nucleari" più strettamente custoditi, e naturalmente deve essere fornita una sorgente di neutroni per innescare la reazione a catena durante il critico microsecondo in cui avviene la massima compressione.

Effetti delle armi nucleari

    Il mondo ha tutte le ragioni per temere l'uso delle armi nucleari e per fare il proprio meglio per prevenirlo. L'istantanea liberazione di energia produce una tremenda concentrazione di calore, che irradia energia come un lampo di luce enormemente intenso. Una piccola frazione di secondo dopo, si forma una "palla di fuoco", una sfera di aria infuocata (o una semisfera, se la bomba esplode vicino al suolo), che assorbe il calore e immediatamente lo riemette, per cui l'intensa radiazione persiste per alcuni secondi.

    La prima volta che fu usata in guerra la bomba, sulla grande città giapponese di of Hiroshima il 6 agosto 1945, migliaia di cittadini esposti furono bruciati e molti di essi morirono. Il calore inoltre incendiò la città, che bruciò quasi interamente, con altri morti. Tre giorni dopo fu sganciata un'altra bomba su Nagasaki, con effetti simili, e il Giappone si arrese, ponendo fine alla Seconda Guerra Mondiale.

    L'aria fortemente riscaldata attorno alla bomba si espande violentemente. Questo ha due effetti: una potente onda d'urto, che provoca altre distruzioni, e una enorme bolla di aria calda che, essendo molto leggera, sale rapidamente -- come una grande mongolfiera -- fino a circa 20-25 mila metri. Questa bolla trascina dietro a sé una colonna di polvere, fumo e detriti, formando la famosa "nube a forma di fungo".

    Le persone vicino al punto dell'esplosione che sono riuscite a trovare riparo dal calore e dalla detonazione possono poi essere uccise o gravemente menomate dalle radiazioni nucleari. Inoltre, i detriti radioattivi provenienti dalla bomba, risucchiati dalla nube a fungo, dopo un certo tempo ricadono al suolo contaminandolo ulteriormente. Comunque, gli effetti più disastrosi in Giappone furono probabilmente dovuti al lampo e agli incendi, con il contributo addizionale della detonazione. Per descriverli occorre più l'abilità di un bravo scrittore che le conoscenze di fisica. John Hersey ci riuscì bene con il suo breve libro "Hiroshima", anche se il suo libro, interessandosi soprattutto ai sopravvissuti, non ha detto abbastanza.

Dopo Hiroshima

    Molto più pericolosa è la "bomba H" ("bomba all'idrogeno"), in cui alla fissione dell'uranio e del plutonio si aggiunge la fusione degli isotopi dell'idrogeno e del litio, che si combinano per formare elio e liberando energia, un processo simile a quello che avviene al centro del Sole. Poiché la bomba H usa come detonatore una normale bomba atomica, la compressione del suo combustibile nucleare è molto più rapida, superando completamente il problema di una frantumazione prima che la reazione sia andata molto oltre. Come risultato, può essere usato più combustibile, provocando una esplosione molto più grande. Mentre la bomba di Hiroshima era equivalente a circa 13·000 tonnellate di potente esplosivo (le bombe A successive erano più grandi), sono state fatte esplodere bombe H che erano 1000 volte più potenti.

    Il lampo di una tale bomba può incendiare città e foreste a una distanza di oltre 40 chilometri, mentre i letali detriti radioattivi ("ricaduta radioattiva") che successivamente ricadono al suolo, possono ricoprire aree a molte centinaia di chilometri dal luogo dell'esplosione. Il fatto che siano liberati così tanti detriti di fissione significa che, benché questa sia chiamata "bomba all'idrogeno", molta della sua potenza distruttiva (probabilmente la maggior parte di essa) proviene dalla fissione del plutonio e dell'uranio. Negli anni '60 del XX secolo, quando Stati Uniti e Unione Sovietica costruivano tali bombe e ne prevedevano l'uso, vennero identificati o costruiti negli Stati Uniti dei "rifugi antiatomici", riparati da pareti abbastanza spesse (circa 20-30 cm di cemento) da bloccare le radiazioni mortali della ricaduta radioattiva. In questi rifugi venivano immagazzinati viveri e acqua per 1-2 settimane, il tempo necessario perché decadesse il materiale radioattivo più pericoloso.

    Fortunatamente si comprese presto che bombe così potenti non potevano avere chiaramente una vera applicazione militare. Il loro uso era adatto soltanto per una distruzione selvaggia, che avrebbe semplicemente invitato a una rappresaglia dello stesso tipo. Dopo il 1970 esse furono silenziosamente abbandonate, speriamo, per sempre.

    È una brutta cosa che queste "armi di distruzione di massa" possano essere costruite e usate (e quelle viste finora non sono le sole: ved. per esempio qui). Non possiamo farle sparire, ma un giorno una nuova comprensione tra le nazioni dovrebbe tenerle sotto controllo. Rendendoci conto del pericolo, forse potremo deciderci, prima che qualche amara esperienza ci costringa a farlo.

Le "bombe sporche"

    Un nuovo pericolo è apparso recentemente: quello di una "bomba sporca" fatta esplodere da terroristi. Non si tratterebbe di una vera bomba nucleare, ma un dispositivo con esplosivo convenzionale, riempito con scorie radioattive come quelle che si trovano nel combustibile ormai consumato di un reattore nucleare.

    Una tale radioattività potrebbe contaminare la località dove viene fatta esplodere la bomba, per una estensione forse di una trentina o di un centinaio di metri. Stare vicini a questa radioattività non comporterebbe la morte o il grave danneggiamento delle persone. Molto più dannoso sarebbe ingerirla con il cibo o con l'aria, così che arriverebbe all'interno dell'organismo. Un pronto intervento medico potrebbe rimuoverla in gran parte, ma questa eventualità provocherebbe il panico, in modo molto cospicuo.

    La contaminazione deve essere rimossa, altrimenti potrebbe creare dei rischi a lungo termine per la salute. Se una bomba sporca esplodesse vicino a un santuario o un monumento, o in altra località di attività pubblica, il posto dovrebbe essere chiuso al pubblico, almeno temporaneamente, e dovrebbe iniziare un costoso lavoro di decontaminazione, tutte cose di grande visibilità. Inoltre, la gente comune ha poca familiarità con la fisica nucleare ed ha il terrore di tutto ciò che la riguarda. La reazione probabile sarebbe il panico.

    Le scorie nucleari in genere sono ben custodite, poiché è interesse di ogni governo non esporre i propri cittadini alla pericolosa radioattività. Tuttavia esistono delle società con gravi problemi, che non hanno risorse sufficienti per prevenire eventuali azioni di terroristi i quali irrompano nei depositi di scorie nucleari, o che trovino il modo di rubare di nascosto parte del materiale. È questo un altro pericolo che dobbiamo affrontare in questi nostri tempi.

Libri sulle armi nucleari

    Della vastissima letteratura sull'argomento riportiamo alcuni esempi. Alcuni libri potrebbero non essere più disponibili in commercio, ma comunque è possibile trovarli nelle biblioteche:

    The Making of the Atomic Bomb (La costruzione della bomba atomica) di Richard Rhodes, una storia completa, molto dettagliata e ben scritta. Simon & Schuster, 1987.
    Dark Sun (Il Sole oscuro) di Richard Rhodes, una continuazione della storia precedente -- lo sforzo dell'Unione Sovietica (incluse le azioni di spionaggio sugli Stati Uniti) per costruire la bomba atomica e la bomba all'idrogeno. Simon & Schuster, 1995.
    The Effects of Nuclear Weapons (Gli effetti delle armi nucleari), edito da Samuel Glasstone, pubblicato nel 1962 dalla Tipografia Governativa per la Commissione dell'Energia Atomica degli Stati Uniti. Dettagliato, pieno di grafici e figure.
    Atomic Energy for Military Purposes (L'energia atomica per scopi militari), Henry DeWolf Smyth, Princeton U., 1945. Il "Rapporto Smyth", il primo rapporto pubblicato subito dopo la rivelazione dello sforzo degli Stati Uniti per costruire la prima bomba atomica.

"Dagli astronomi alle astronavi" continua con alcune sezioni dedicate ai voli spaziali e alle astronavi, cominciando con  Il principio del razzo

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Autore e Curatore:   Dr. David P. Stern
        Ci si può rivolgere al Dr. Stern per posta elettronica (in inglese, per favore!):
          stargaze("chiocciola")phy6.org

Traduzione in lingua italiana di Giuliano Pinto

Aggiornato al 6 Marzo 2006