Quanta chimica c’è nelle bombe atomiche? (2)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di C. Della Volpe

 Nella prima parte di questo post (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/08/07/quanta-chimica-ce-nelle-bombe-atomiche-1-parte/) abbiamo brevemente illustrato alcune caratteristiche delle bombe atomiche del cui primo uso bellico è caduto il 70 anniversario pochi giorni fa. E ci siamo chiesti quale ruolo avesse avuto la chimica nello sviluppo e quale abbia ancora nella costruzione delle bombe atomiche di cui ahimè abbiamo fatto esplodere alcune migliaia di esemplari “per motivi sperimentali” e di cui conserviamo ancora decine di migliaia di esemplari ancora adesso, capaci di distruggere la nostra specie e anche buona parte del nostro ambiente.

Come se non bastassero gli effetti nefasti sul clima dell’uso dei combustibili fossili o le alterazioni dei cicli degli elementi legate alla moderna agricoltura ed entrambe a loro volta legate alla sovrappopolazione e all’uso incontrollato delle risorse, alla crescita continua della produzione, l’uso di armi di distruzione di massa rimane come un macigno sulla nostra testa. Oggi se ne parla meno di qualche anno fa a causa del fatto che la cosiddetta “guerra fredda” è sospesa; ma in compenso una serie di conflitti per le risorse, sia pur limitati, MA terribilmente caldi e condotti con spargimento di sangue e senza risparmio da varie parti nel mondo continuano indefessamente; la guerra sembra dunque l’unica attività umana che non è stata mai interrotta.

Siamo una razza di distruttori, o almeno questo sembreremmo ad un osservatore esterno, ad un osservatore galattico; quasi una malattia del pianeta, un virus planetario degno di essere eliminato per lasciare la Terra continuare nel suo tragitto per altri miliardi di anni senza godere dei “benefici” effetti della nostra presenza; a cosa possono servire e dove possono arrivare scimmie senza pelo, in grado di costruire strumenti extracorporei ma specializzate di fatto in quelli più micidiali? Possibile che il frutto dell’osannata intelligenza umana sia l’autodistruzione di massa? Strana genia! Un vero capriccio dell’evoluzione! Apparentemente solo una stupida razza di imbecilli creativi, la cui efficace corteccia può generare casualmente di tutto: dal David e dalle poesie di Keats alle bombe a fusione. Da una parte questo sembrerebbe una applicazione della dialettica hegeliana: l’intelligenza può creare la vita e la bellezza, ma anche la morte e il terrore: ma come si supera questa dicotomia?

Se non riusciremo a controllare la tendenza all’autodistruzione, allora lo spirito della vita e dell’evoluzione troverà modo di esercitarsi altrimenti, sia pur dopo di noi, sostituendo la corteccia di cui andiamo tanto fieri e tronfi, sostituendo la nostra intelligenza così esaltata e trionfalizzata, con qualcosa di meno distruttivo. Se l’autodistruzione ne è la conseguenza principale, l’intelligenza come la definiamo non può essere così utile: l’intelligenza potrebbe essere solo un vicolo cieco dell’evoluzione e allora l’idea spiraleggiante di Hegel, l’evolution creatrice di Bergson e perfino la trionfante e rivoluzionaria materia marxista sarebbero senza scopo.

Ma bando alle ciance! Esaminiamo lucidamente lo strumento di autodistruzione.

Una comune bomba atomica, del tipo usato nella 2 guerra mondiale, usa il processo di fissione per rilasciare l’energia di legame di certi nuclei meno stabili. I nuclei iniziali, grandi nuclei uranici o transuranici instabili, contengono più energia per nucleone di quelli finali, di medie dimensioni; i nuclei che si trovano nella zona centrale della tavola periodica sono quelli a più bassa energia per nucleone; il ferro per esempio, in cui l’Universo intero si potrebbe trasformare alla fine della sua parabola.

Il rilascio dell’energia è rapido e, a causa della enorme quantità di energia imagazzinata, violento. I principali materiali usato nelle armi a fissione sono 235U e 239Pu, che vengono chiamati materiali fissili perché possono spezzarsi in due frammenti di massa grosso modo uguale quando urtati da un neutrone di energia anche bassa. Quando una massa sufficientemente grande di uno di questi materiali viene messa insieme, si genera una reazione autosostenuta, una reazione a catena dopo il primo evento di fissione. La quantità minima di materiale fissile che può sostenere una reazione nucleare a catena è chiamata massa critica e dipende dalla densità, forma e dal tipo di materiale fissile come anche dalla capacità dei materiali che lo circondano (chiamati riflettori o tappi) di riflettere i neutroni indietro verso la massa che si fissiona.

Masse critiche di geometria sferica per materiali adatti a costruire armi.

.                                              235U                   239Pu

Sfera nuda:                          56 kg                    11 kg

Con tappo spesso:               15 kg                     5 kg

La massa critica del materiale fissile compresso diminuisce con l’inverso del quadrato della densità raggiunta. Dato che la massa critica diminuisce rapidamente al crescere della densità le tecniche di tipo implosivo possono essere realizzate con molto meno materiale nucleare di altri metodi come quello del “cannone”, usato nella bomba di Hiroshima. La bomba di Hiroshima fu assemblata col metodo del cannone ed usava 235U, 64 kg di uranio arricchito all’80%. Questo metodo è considerato il più semplice e sicuro per costruire una bomba nucleare, così sicuro che non venne testato, ma usato direttamente.

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La bomba che distrusse Nagasaki era invece costituita col metodo dell’implosione ed usava solo 6.2 chilogrammi di plutonio.

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Avvolgere la parte fissile con un riflettore di neutroni (fatto in genere di nuclei leggeri perchè se ricordate la teoria degli urti dalla meccanica elementare urti elastici con particelle di analoga massa sono in grado di riflettere le particelle urtanti esattamente all’indietro) può ridurre enormemente la massa critica. La riflessione neutronica, la compressione per via implosiva della parte fissile, l’uso di materiali leggeri nei quali i neutroni possono scatenare una reazione di fusione (booster a fusione) e i tappi che rallentano l’espansione della parte fissile consentono di ridurre la massa di materiale fissile necessaria. Fino al 1994 il Dipartimento dell’Energia (DOE) stimava che 8 kilogrammi di materiale fissile fossero necessari, ma ha poi ridotto questa stima a 4 e alcuni scienziati pensano che sia possibile usarne uno solo. E ovviamente solo una frazione piccola della massa partecipa poi effettivamente alla reazione.

La bomba termonucleare che rappresenta invece la più sofisticata forma di arma di distruzione di massa pensata dalla genialità della corteccia umana è costituita in due stadi; il primo stadio è una bomba a fissione al plutonio con un booster a fusione al trizio. Il secondo stadio è invece costituito da deuteruro di Litio, un idruro in cui l’idrogeno è sostituito da deuterio, così si usa un materiale solido e maneggevole invece di uno sfuggente gas di deuterio o trizio.

Il primario a fissione fatto come descritto è messo attorno ad un secondario a fusione che a sua volta contiene un altro core a fissione. Mentre la esplosione del primario comprime lo strato di fusione dall’esterno la parte centrale del secondario costituita da una zona di fissione esplode a sua volta iniziando la fusione anche all’interno. Infine uno strato di uranio che circonda il tutto inizia a sua volta la fissione a causa dell’intenso flusso di neutroni proveniente dall’interno; modificando le masse dei vari materiali si possono ottenere potenze di decine di Megatoni, ossia migliaia o perfino decine di migliaia di volte la potenza di Hiroshima (la più grande bomba mai esplosa era di 59 megatoni, quella di Hiroshima 15-20kilotoni, un guadagno(?!) di 4000 volte).

La domanda è: ma secondo voi le menti raffinate che hanno pensato queste genialità potrebbero applicare la loro creatività ad altro? E come mai lo hanno fatto alla autodistruzione? Oppure semplicemente è statistico che una parte della creatività umana, della corteccia che l’evoluzione ci ha regalato sia dedicata al David e alla poesia e un’altra all’autodistruzione? E come si fa a tenere a freno questa seconda? Si dice che Oppenheimer, il capo del progetto Manhattan fosse anche dotato di un IQ superiore a 220: caspita, a riprova che la genialità umana è votata all’autodistruzione.

Tre argomenti collegano abbastanza bene la chimica e le armi nucleari:

– i metodi di separazione isotopica,

– gli alti esplosivi usati nella loro costruzione

– e infine i materiali di sintesi, in se innocui, ma determinanti nella costruzione della bomba.

Per meglio comprendere i metodi di separazione isotopica introduciamo un concetto con il quale non siamo familiari, ossia l’unità di lavoro separativo, Separative work unit (SWU); esso costituisce la misura standard dell’attività necessaria all’arricchimento isotopico.

Si definisce SWU lo sforzo necessario nel separare una massa F di minerale di titolo xf in una massa P di prodotto più ricco di titolo xp ed un residuo di massa W e di titolo inferiore xw .

SWU = WV(xw) + PV(xp) – FV(xf)

dove la funzione V(x) è la “funzione di valore” definita come V(x) = (1 – 2x) ln((1 – x)/x).

Come si può capire dalla definizione le unità di misura della SWU sono quelle della massa. Facciamo un esempio: se trattiamo 102kg di uranio naturale (costituito essenzialmente di 238U con solo lo 0.7% di 235U) e ne otteneniamo 10 kg di uranio arricchito al 4.5% di 235U ci servono 62SWU se il titolo residuo è dello 0.3%. Il numero di SWU di lavoro separativo dipende dai metodi di arricchimento e ciascuno di essi necessita di una diversa quantità di energia; per esempio i moderni impianti a diffusione richiedono tipicamente 2500kWh o circa 9 GJ di energia elettrica per SWU, mentre i più efficienti impianti a centrifugazione richiedono solo 50-60kWh (ossia attorno a 200MJ) di elettricità per ogni SWU. Il seguente grafico da un’idea della situazione a seconda delle applicazioni, indicando anche la massa di uranio necessaria ad ogni caso. Energia e costi sono collegati: per esempio la produzione del materiale fissile da solo giustificò l’80% dei quasi 2 miliardi di dollari (a costi del 1945) spesi durante il progetto Manhattan.

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Considerate questo grafico con attenzione perchè in esso è nascosto il segreto della non proliferazione ed anche i suoi rischi.

Esso mostra come una tonnellata di uranio naturale in alimentazione possa produrre diversi prodotti a diverso grado di purezza; 120-130 kg di uranio per i reattori di potenza, 26 kg di uranio per i reattori di ricerca (per esempio autorigeneranti cosiddetti) ed infine 5.6 kg di uranio adatto per scopi bellici (all’incirca quello necessario per una bomba atomica “piccola”.

Notate come la curva si appiattisca al crescere della purezza, ossia come la richiesta di energia diminuisca al crescere della purezza PER QUESTA SINGOLA TONNELLATA; state lavorando sempre la medesima quantità di origine di 235U e la state concentrando; mentre per kg di prodotto la energia cresce esponenzialmente da qualche SWU a qualche centinaio di SWU per kg, la progressiva purificazione della MEDESIMA quantità richiede più energia inizialmente che dopo; questo è il motivo per cui queste tecnologie sono considerate “sensibili”; una quantità di uranio relativamente puro che arrivi dove può essere trasformato in arma richiede poca energia; in pratica se 130kg di uranio per reattori vengono persi in giro per il mondo se ne può ricavare una bombetta con solo la metà dell’energia che è servita per produrlo (4-500 SWU contro le iniziali 8-900). Adesso è chiaro perchè chi detiene la responsabilità di queste cose ha le vene e i polsi tremanti in continuazione?

I metodi di separazione isotopica sfruttano tutti la diversa massa degli atomi e delle molecole coinvolti e quindi la diversa tendenza a reagire o partecipare a processi elementari di diffusione. Mentre metodi basati su reazioni chimiche vere e proprie sono stati brevettati ed usati i metodi principali sono di tipo fisico ed usano la diffusione o l’effetto gravitazionale artificiale creato con la centrifugazione ad alta velocità e più recentemente il laser.

Un processo chimico è stato dimostrato fino alla costruzione di un impianto pilota ma non usato. Si tratta del processo Chemex che sfrutta una piccola differenza di due isotopi a partecipare ad una reazione di ossido riduzione ed utilizza fasi organiche ed acquose immiscibili. Un altro processo a scambio ionico basato su resine a scambio ionico proprietarie è stato sviluppato in Giappone dalla Asahi Chemical Company.

Secondo il mio personalissimo parere questa specie di blocco a favore dei metodi fisici sofisticati è anche una garanzia contro la proliferazione; i metodi chimici sono in genere “maturi”, più di quelli fisici e quindi una maggiore penetrazione della chimica in questo settore diventa un ostacolo alla non-proliferazione.

Tuttavia i metodi attualmente usati industrialmente o in procinto di esserlo sono basati essenzialmente sui tre processi che dicevo.

bombe24

Il processo di diffusione, che tende ormai a riguardare solo pochissimi grandi impianti è il più costoso in termini energetici; esso implica il forzare il gas esafluoruro di uranio UF6 , attraverso una serie di membrane o diaframmi. Dato che le molecole contenenti 235U sono più leggere di circa l’1% (349uma contro 352, ricordate la legge di Graham?) la loro diffusione è favorita e quindi quelle che passano la membrana sono arricchite in 235U mentre quelle che rimangono al di qua ne sono impoverite.

Questo processo ripetuto molte volte (alcune migliaia) attraverso una serie di elementi diffusivi in cascata costituiti da un compressore, un diffusore e uno scambiatore per rimuovere il calore in eccesso è la base del procedimento che porta ad un prodotto con una concentrazione finale di 3-4% invece dello 0.7 dell’uranio naturale.

Comunque al momento il procedimento che va per la maggiore è quello attraverso le centrifughe.

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Come il processo di diffusione, quello centrifugo usa UF6 gassoso sfruttando la piccola differenza di peso molecolare causato dai due isotopi 235U ed 238U.

Il gas alimenta una serie di tubi da vuoto ciascuno contenente un rotore alto 3-5 metri e largo 20cm. Quando i rotori girano rapidamente (fra i 50 e i 70.000 giri al minuto) le più pesanti molecole contenenti 238U aumentano la loro concentrazione nella parte esterna del tubo mentre quelle contenenti 235U si affollano al centro.

Una modifica molto importante di questo metodo è stato quella denominata Zippe; la centrifuga viene riscaldata dal basso e ciò causa un moto convettivo che spinge l’isotopo leggero ad uscire verso l’alto del dispositivo e quello più pesante ad uscire dal basso.

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In questo modo il flusso superiore va allo stadio successivo mentre quello inferiore torna allo stadio precedente.

Per ottenere una separazione efficiente le centrifughe ruotano a velocità molto alte con le loro pareti esterne che raggiungono 4-500 metri al secondo e quindi l’equivalente di un milione di volte la forza di gravità.

Sebbene il volume di una singola centrifuga sia molto inferiore a quello di un singolo stadio di diffusione la sua capacità di separazione è molto più elevata. Gli stadi di centrifugazione consistono quindi di un gran numero di centrifughe che lavorano in parallelo e poi gli stadi sono organizzati in cascata come nella diffusione, ma il loro numero è di alcune decine invece che di alcune migliaia.

Il fattore di separazione di una centrifuga è di 1.3 rispetto a quello di 1.005 di un dispositivo diffusivo.

I metodi che sono in sviluppo sono basati sull’uso del laser e sono di due tipi: atomici e molecolari.

Quelli di tipo atomico lavorano sulla base della fotoionizzazione; un laser molto potente è usato per ionizzare un particolare atomo presente nella fase vapore dell’uranio metallico. Un elettrone può essere emesso dall’atomo se assorbe luce di una certa frequenza e le tecniche laser per l’uranio sono scelte in modo da ionizzare gli atomi di 235U e non di 238U. Gli ioni di 235U positivi sono poi attratti da una piastra negativa e raccolti; questo tipo di tecnica può essere usata per una serie molto diversa di isotopi.

I metodi basati sulle molecole lavorano sul principio della fotodissociazione: da UF6 ad UF5+, usando un laser per rompere il legame molecolare di uno dei sei atomi di fluoro legati all’ 235U. Questo consente di separare gli ioni UF5+ così ottenuti dalle molecole di UF6 contenenti atomi 238U

Un principio analogo si può usare per arricchire atomi di litio mediante separazione magnetica che lascia l’isotopo 7 del litio praticamente puro.

Il principale metodo usato a questo scopo è il processo SILEX, conosciuto come Global Laser Enrichment (GLE).

Un altro metodo simile è CRISLA. In questo caso un gas irradiato con un laser ad una certa lunghezza d’onda che eccita solo l’isotopo 235U. Il gas è a bassa temperatura in modo da favorire la condensazione su una superficie fredda del gas non ionizzato. Le molecole eccitate dal laser sono meno portate a condensare e quindi la fase gassosa si arricchisce di 235U (metodo NeuTrek, USA).

I tre metodi di arricchimento descritti sono un misto di processi chimici e fisici a volte anche comunemente applicati nell’industria finora, ma hanno caratteristiche diverse.

La diffusione è flessibile in risposta a variazioni di domanda e di costo, ma è molto costosa in termini energetici. La tecnologia centrifuga è modulare e può aggiungere facilmente capacità aggiuntiva con una espansione modulare ma è poco flessibile e lavora meglio a piena capacità e con bassi costi operativi. La tecnologia laser è capace di ridurre la percentuale di isotopo attivo in uscita al minimo ed è anche capace di sviluppo modulare.

Questa descrizione dettagliata serve solo ad UNA cosa; farvi capire come insomma una quantità di creatività ed intelligenza enormi sono state usate per costruire perfetti strumenti di distruzione che pero’ dobbiamo sperare ed adoperarci non servano mai. Ma che senso ha tutto ciò?

Ovviamente questi stessi metodi si possono adoperare per l’energia nucleare, ma come già detto su questo blog e come saggiamente votato dalla maggioranza del nostro paese (e di fatto nel mondo) l’energia nucleare ha troppi problemi ed è comunque una energia non rinnovabile, quindi non fa parte (non dovrebbe far parte) del nostro futuro.

per approfondire si veda oltre che Wikipedia

http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/

Nella terza ed ultima parte di questo post vedremo gli altri due aspetti che collegano la chimica e le bombe atomiche.

(continua)

One thought on “Quanta chimica c’è nelle bombe atomiche? (2)

  1. La risposta alla tua domanda credo sia semplice: l’ambizione, magari mista alla frustrazione, il guadagno, o ambedue le cose. Complice la giustificazione che esistono un deterrente e un controllo, ed altri soggetti con la responsabilità ultima dell’uso (inclusi i gruppi terroristici), per cui ci si può autogiustificare che tali mezzi di distruzione non saranno mai usati, almeno non da chi li pensa, non da chi sviluppa la tecnologia necessaria, non da chi li produce fisicamente e li protegge, e quindi non si sta facendo nulla di male (test a parte). Poi ci sono i cattivi da cui difendersi e a cui mostrare muscoli e l’amor patrio, piuttosto incurante degli umani al di fuori della Patria (ma sono umani? L’amor patrio e anche quello religioso mi piacciono poco quando forniscono alla mente dei singoli la “copertura” culturale per compiere o essere complici di crimini) e anche del giudizio dei posteri. Il progetto Manhattan è stato condotto con calore e devozione grazie a queste pulsioni ed autogiustificazioni che – viste dallo spazio come tu dici – sono riconosciute come frutto di” immaturità di specie”. L’effetto Baldwin potrebbe inoltre spiegare l’evoluzione di un tipo di mente propensa geneticamente alla costruzione di trappole e armi, che ci ritroviamo senza volerlo impiantata in qualche parte del cervello. Non tutto ciò che gli uomini fanno e scoprono è frutto di ragione. Forse quel tipo di intelligenza usata dai nostri avi per costruire trappole archi e frecce, e modificare strategie di caccia, è lo stesso che ci ha condotto alla conoscenza scientifica. Dove non basta la consapevolezza individuale, solo quella collettiva, qualora riuscisse a svilupparsi adeguatamente come coscienza di specie, potrebbe aiutare l’intelligenza degli individui o dei piccoli gruppi a muoversi nella direzione utile. Ma temo che dovremo attendere ancora per molto. In questo senso credomsi possa almeno in parte giustificare l’affermazione sulla deresponsabilizzazione del singolo rispetto al mondo che Feynman adottò da Neumann e che io riportai a proposito del cambiamento climatico. Non si può pretendere che le moltitudini di individui poco informati delle realtà incombenti, per lo più privi degli strumenti necessari a comprenderle, con una divulgazione scientifica complicata e disorganizzata, e anche soggetti ai media “armi di distrazione di massa”, debbano essere più attivi di chi conosce bene i problemi e i rischi reali, dei decisori politici nel contrastare questi “errori globali”.

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