Quanta chimica c’è nelle bombe atomiche? (3)

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 Claudio Della Volpe

ciò che riguarda tutti può essere risolto solo da tutti” (F. Durrenmatt)

Nei due precedenti post di questa serie (http://wp.me/p2TDDv-1RM  e ) http://wp.me/p2TDDv-1SL ) abbiamo discusso di alcuni aspetti delle bombe atomiche e del loro legame con la chimica.

Abbiamo parlato di come funziona una atomica, di quali procedure si usino per separare gli isotopi necessari, di quanto poco sia etico contribuire alla loro costruzione.

Ci rimangono da analizzare due aspetti. Gli alti esplosivi e alcune di quelle sostanze “comuni” che hanno svolto o svolgono un ruolo fondamentale nel funzionamento di una atomica.

Qualcuno potrebbe dire ma perchè parlare ancora di atomiche? Beh, a parte l’occasione fornita dal 70 anniversario di Hiroshima e Nagasaki, il fatto è che di atomiche attive ce ne sono ancora migliaia nel mondo sufficienti a distruggere tutta la civiltà umana anche più di una volta e il settore viene attivamente supportato; il fatto che i giornali ne parlino poco non vuol dire nulla.

Pensate che in questi mesi nel nostro paese è in atto un ricambio dei “vecchi” modelli di bomba atomica depositati nelle basi italiane della NATO ed una ristrutturazione dei depositi; ce ne sono all’incirca 70, suddivise nelle due basi di Aviano e Ghedi. (L’Espresso)

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Le bombe di Aviano che sono 50 sono conservate in 12 depositi che vedete circondati dalla linea rossa nell’immagine.

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http://fas.org/blogs/security/2015/09/nuclear-insecurity/

La foto che vedete sopra illustra i lavori fatti di recente nella base di Aviano dove è di stanza il 31° stormo di F-16C/Ds, con due squadroni di combattimento denominati squadrone 510 “Buzzards” e squadrone 555 “Triple Nickel”, che sono entrambi impegnati nelle attività NATO in risposta alla invasione dell’Ucraina e attraverso la base turca di Incirlik come parte delle operazioni in Siria.

I deposti di Aviano sono 18 depositi sotterranei protetti installati fin dal 1996 e capaci di accogliere fino a 72 ordigni. I recenti lavori di ristrutturazione, forse dovuti ad accresciuti motivi di sicurezza, hanno riguardato solo 12 depositi e quindi si potrebbe presumere che i nuovi dispositvi saranno stoccati solo lì e in quantità ridotta rispetto a prima.

Aviano è a 100 chilometri da Venezia, 200 da Bologna e 300 da Milano; Ghedi è 100 chilometri da Milano e 150 da Bologna, ma solo 20 da Brescia.

Quali bombe sono stoccate ad Aviano e a Ghedi? Ragionevolmente le cosiddette B-61, un’arma termonucleare sia tattica che strategica. La sua potenza esplosiva varia da 0.3 a 340 kilotoni ed è costruita pensando che sarà trasportata da aerei molto veloci, ragionevolmente supersonici. E’ lunga 3.58 m con un diametro di 33 cm. Il suo peso base è di 320 kg, ma varia con l’esatta configurazione.

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http://www.usnook.com/english/military/NuclearWeaponMissiles/Nuclear/nuc/2012/1123/14142.html

Questa seconda immagine ce la fa vedere smontata; la bomba vera e propria è quel cilindro argenteo di circa 80 cm di lunghezza, e 30 di diametro.

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Un dispositivo così minuscolo è il risultato di una “evoluzione”, se vogliamo chiamarla così, partita da oggetti ben più ingombranti; e la Chimica è stata sempre lì a fare da ancella.

Il meccanismo base della bomba atomica è quello di fare una “massa critica” (una massa di materiale che si fissioni spontaneamente) abbastanza grande da produrre un numero di neutroni tali da far partire e sostenere la reazione a catena; tenete presente che anche in qualche chilogrammo di materiale fissile il numero di neutroni liberi presenti in ogni istante è piccolo e che se la reazione a catena non dura per un sufficiente numero di cicli la quantità di energia può essere grande ma non sufficiente a fare una vera e propria bomba; se la esplosione allontana, disgrega la massa critica troppo velocemente la reazione a catena non dura un tempo sufficiente a fare danni; bastano microsecondi.

Ci sono due metodi entrambi a base di tanta chimica.

Prima fu la volta del teflon.

Il politetrafluoroetilene (PTFE), meglio conosciuto con il suo nome commerciale di teflon, fu scoperto in modo accidentale da Roy J. Plunkett, un chimico della DuPont che aveva ricevuto il suo PhD solo due anni prima alla università statale dell’Ohio. Partecipava ad un gruppo di ricerca su refrigeranti non tossici . Il 6 aprile 1938 , Roy e il suo assistente Jack Rebok, avevano riempito un contenitore di tetrafluoroetilene.

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A temperatura ambiente è un gas reattivo, incolore, nocivo, facilmente infiammabile, dal lieve odore dolciastro. Dopo un certo tempo aprirono il contenitore, ma non ne venne fuori nessun gas, sebbene la bilancia indicasse che non c’era stata alcuna perdita di peso: cosa era successo al tetrafluoroetilene?

atomica36Usando una sega tagliarono il contenitore e trovarono una polvere bianca e cerosa; Plunkett ne dedusse correttamente che si trattava di un processo di polimerizzazione del tetrafluoroetilene; tale processo dà luogo ad un prodotto lineare e termoplastico solo in condizioni particolari, nel caso di Plunkett si trattava verosimilmente di un materiale termoindurente, ma comunque dotato di eccezionali proprietà di inerzia agli aggressivi chimici, alle basi e agli acidi (reagisce solo con i metalli alcalini ed il fluoro sotto pressione).

Inoltre il teflon è dotato di una bassissima bagnabilità ed adesione (non si incolla) e di un bassissimo coefficiente di attrito pari o inferiore a quello del ghiaccio (0.02-0.04) sia contro metalli che contro se stesso.

Queste due proprietà cascarono a fagiolo per chi pochissimi anni dopo stava lavorando per costruire la bomba atomica

La inerzia chimica risultò utile nella manipolazione dell’esafluoruro di uranio, il prodotto usato nel processo di arricchimento; l’esafluoruro è non solo difficile da produrre ma reagisce facilmente e velocemente con acqua.

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Come si vede dal diagrama di fase e’ un solido cristallino a t ambiente (punto triplo 64°C ma sublima a 56.5°C se a pressione atmosferica). Esiste come liquido solo sopra 1.5 atmosfere sotto 64°C; se viene in contatto con acqua anche in tracce si idrolizza a fluoruro di uranile UO2F2 ed HF, acido fluoridrico e questo è un grosso problema.

UF6   +   2 H2O UO2F2   +   4 HF

L’acido fluoridrico attacca il vetro e quindi a meno che non sia assolutamente privo di acqua l’esafluoruro di uranio non può essere conservato in vetro.

Inoltre esso reagisce con molti elementi (e.g.metalli alcalini e alcalino terrosi; B, Al, Ga, In, C, Si-Pb etc) formando i corrispondenti fluoruri. La maggior parte dei composti contenenti idrogeno reagiscono formando HF, e quindi gli idrocarburi (o le cere idrocarburiche o i polimeri come PE e PP) formando una miscela di fluoruri di carbonio, materiale carbonaceo e HF. Inoltre esso attacca molti metalli eccetto il Ni (che si passiva ricoprendosi di fluoruro) e l’alluminio che si ossida. Ma il teflon e tutti i prodotti simili sono sostanzialmente inerti: una vera manna per chi doveva manipolare UF6.

Ma non basta.

Grazie al bassissimo coeffficiente di attrito il teflon era anche il candidato ideale a fare da contenitore a basso attrito per il proiettile di uranio 235 che doveva raggiungere la massa critica una volta sparato da un esplosivo convenzionale, come descritto nell’immmagine qui sotto.

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La cosa risultava così chiara e semplice che non fu nemmeno testata; funzionò e basta ad Hiroshima. Fu il battesimo del fuoco per il teflon, le cui applicazioni decollarono poi dopo gli anni 50 nei campi più svariati: dalle pentole che non attaccano ai tessuti in goretex che mantengono asciutti ma impediscono di bagnarsi, ai lubrificanti a secco.

Nel mortale cilindretto della B61, però le cose vanno ancora diversamente; la struttura è quella descritta nel precedente post.

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Ma come si ottiene che una esplosione invece di proiettare la propria forza verso l’esterno lo faccia verso l’interno, come si trasforma una esplosione in una implosione? L’idea originale di questo dispositivo fu di John von Neumann.

John_von_Neumann_ID_badge

Per parecchio si è discusso se questa tecnica che costituì una parte centrale degli studi condotti a Los Alamos potesse essere pubblicizzata; negli utimi decenni è stata declassata e quindi sappiamo come la tecnologia delle “lenti esplosive” si realizza, come descritto per esempio qui:

https://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib-www/la-pubs/00189602.pdf

La maggior parte delle lenti esplosive operano trasformando l’onda di detonazione sferica di un singolo detonatore in un’onda piana usando un esplosivo centrale con una velocità di detonazione più lenta circondato da uno strato di esplosivo più veloce.

C’è anche una seconda alternativa, cioè usare uno strato di aria. Un esplosivo “donatore” accelera una piastra di metallo con un opportuno profilo che atterra simultaneamente su un esplosivo “accettore”.

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Sembra che il primo metodo sia quello più usato ed efficace. L’onda esplosiva (che non è altro che una reazione chimica stimolata da un effetto meccanico), passa attraverso l’esplosivo ad alta velocità (di fatto attorno a 8-9km/sec) fino a quando non tocca l’esplosivo a bassa velocità (attorno a 3-4 km/sec). A questo punto la detonazione interessa l’esplosivo a bassa velocità e l’onda si muove adesso con la nuova ed inferiore velocità. L’onda d’urto arriva ai diversi punti della superficie di separazione fra i due esplosivi in momenti diversi, prima a quelli più vicini e dopo a quelli più lontani. Se consideriamo la traiettoria più breve fra il detonatore e la superficie del tamper (una sorta di “contenitore” della esplosione che sopravvive per circa mezzo microsecondo, ma svolge il ruolo cruciale di prolungare la fase esponenziale ) la frazione a bassa velocità è maggiore (con riferimento alla parte centrale della figura precedenteT1b>T1a). Lungo le altre direzioni la frazione ad alta velocità è maggiore o perfino è assente quella a bassa velocità. Ma le frazioni di cammino alle due velocità, imposte dalla sagoma esatta delle due zone che è disegnata con estrema precisione garantiscono che le onde d’urto arrivino contemporaneamente (in un tempo di circa 10-15 microsecondi) alla loro meta, ossia la superficie del tamper, esercitamdo una pressione di milioni di atmosfere che comporta una aumento di densità della massa costituita dal core della bomba di due o tre volte. L’effetto più importante è quello di ridurre la distanza fra gli atomi e quindi il cammino libero medio ed aumentare la probabilità di cattura dei neutroni. L’aumento di densità consente di ridure la massa di materiale supercritico da usare per la bomba.

L’implosione avviene in qualche decina di microsecondi, un tempo nel quale l’onda sonora generata dall’esplosione del detonatore percorre al più un centimetro (il suono in aria viaggia a soli 333 m/sec).

Prima che l’esplosivo chimico possa distruggere il contenitore della bomba il contenitore stesso viene vaporizzato dal lampo iniziale di radiazione prodotto dalla reazione nucleare.

Alla fine avviene che solo una frazione del materiale fissile riesca a partecipare alla reazione a catena (un 20% circa) prima che l’esplosione non produca una riduzione di densità che blocca la reazione a catena stessa.

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Nella figura qui sopra lo schema più completo della sezione della bomba nucleare a fissione basata sul meccanismo di implosione; le protuberanze di esplosivo “lento” hanno una forma paraboloidica, dettata da una analisi chimico geometrica del processo che impegnò per lungo tempo gli scienziati del progetto a Los Alamos (esperimento RaLa); nella figura si vede anche che i due esplosivi usati sono di solito il Composto B e il Baratol (o almeno lo sono stati nelle prime bombe). Di che si tratta?

Il Baratol è un esplosivo fatto da una miscela di TNT e nitrato di bario (Ba(NO3)2), con una piccola quantità (circa l’ 1%) di cera di paraffina usata come agente flemmatizzante (Le sostanze flemmatizzanti sono delle sostanze inerti che mischiate all’esplosivo ne rallentano la combustione). TNT è circa da un quarto ad un terzo della miscela con una densità finale di 2.5.

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Il Trinitrotoluene (TNT), o più specificamente il 2,4,6-trinitrotoluene, ha la formula C6H2(NO2)3CH3, ed è un solido giallastro usato come reagente di sintesi , ma meglio conosciuto come esplosivo. L’efficacia esplosiva del TNT è considerata come misura standard della energia rilasciata dalle bombe e dagli altri esplosivi. Il ton (o tonnellata) di TNT è un’unità di misura dell’energia pari a 4.184 gigajoule, che è all’incirca la quantità di energia liberata nella detonazione di una tonnellata di tritolo.

Al momento il Baratol viene sostituito da una miscela di TNT /CaCO3/microsfere di talco.

Il composto B, generalmente chiamato “Comp B”, è un esplosivo fatto da una miscela di RDX and TNT. La proporzione standard è 59.5% RDX (velocità di detonazione di 8,750 m/s) e 39.4% TNT (6,900 m/s flegamtizzati con 1% di cera di paraffina. RDX è il composto seguente:

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Concludo ricordando una commedia grottesca in due atti scritta dal drammaturgo svizzero Friedrich Dürrenmatt e ispirata alla invenzione e costruzione della bomba atomica: “I fisici”, ma si potrebbe riferire a tutti gli scienziati moderni. Il testo viene pubblicato nel 1961 e riscritto nel 1981 con l’apporto di alcune modifiche, fra l’altro cambiando uno dei personaggi maschili principali in Mathilde von Zahnd.

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La commedia narra di un fisico nucleare, Möbius, che scopre la formula universale del sistema per tutte le scoperte. Onde evitare che i suoi studi finiscano nelle mani sbagliate si fa internare in una casa di cura, Les Cerisièrs, fingendosi pazzo. Lo seguono, inscenando la stessa malattia, un agente segreto americano che fa finta di credere di essere Newton, e una spia comunista, che dice di credersi Einstein. Questi intendono impadronirsi della formula segreta, ma al termine della pièce l’unica persona che riuscirà a ottenere le carte sarà la proprietaria della clinica, Mathilde von Zahnd. L’unica vera folle, che intende assoggettare tutto il mondo con la scoperta di Möbius.

Scritta nel 1962 e ambientata nel salotto di una sofisticata clinica elvetica per malattie mentali, questa commedia in due atti viene condotta con le armi della farsa; ma Durrenmatt vi affronta il tema epocale della responsabilità dello scienziato di fronte al genere umano.

Apparentemente è una commedia “giallo poliziesca” con tanto di cadaveri e poliziotti ma di fatto è una metafora della condizione umana nell’èra nucleare e aggiungerei nell’era della scienza come principale forza produttiva.

Durrenmatt sostiene che “un dramma che tratti di fisici deve essere paradossale”, ma anche che se “il contenuto della fisica riguarda solo i fisici, i suoi effetti riguardano tutti”, ma “ciò che riguarda tutti può essere risolto solo da tutti”. E questo è vero anche per la Chimica moderna ed è alla base dei motivi che mi hanno condotto a fondare e sostenere questo blog.

Il contenuto della Scienza riguarda gli scienziati, siamo così gelosi di questo! Ma i suoi effetti riguardano TUTTI; e “ciò che riguarda tutti può essere risolto solo da tutti”.

Scienza e democrazia sono inestricabilmente legate, senza tema di smentita; l’una non può esistere senza l’altra se non a costo della distruzione dell’umanità come specie: non è solo l’atomica, ma ormai tutto il nostro modo di essere: produzione del cibo, inquinamento, sovrappopolazione, biodiversità, clima e riscaldamento globale; ciò che Durrenmatt pensava dei fisici e dell’atomica oggi è vero per la Scienza e per tutto il nostro modo di vivere e produrre. Ricordate:

“ciò che riguarda tutti può essere risolto solo da tutti”.

http://www.hcc.mnscu.edu/chem/abomb/page_id_12277.html

Critical Assembly
A Technical History of Los Alamos during the Oppenheimer Years, 1943-1945
LILLIAN HODDESON PAUL W. HENRIKSEN ROGER A. MEADE
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS  1993

I miei anni a Los Alamos di Bruno Rossi

http://download.kataweb.it/mediaweb/pdf/espresso/scienze/1985_197_3.pdf

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