Domani, 29 settembre, mi son svegliato e…

Luigi Campanella già Presidente SCI

Il 29 settembre è diventata una data nota a molti in quanto ad essa è stata dedicata una popolare canzone degli anni 60.

A me piacciono le canzoni,  ma da buon ricercatore, quale spero di essere, non posso non ricordare che quella data è importante per tutto il mondo per ben altro motivo, è la data di nascita di Enrico Fermi, il ragazzo di via Panisperna e Nobel per la Fisica, nato a Roma nel1901, come si diceva, il 29 settembre. A lui di deve l’idea di utilizzare neutroni lenti per bombardare gli atomi dei diversi elementi. Giunto all’elemento più pesante, l’uranio, pensò di aver ottenuto elementi transuranici. In effetti successivamente ammise che gli esperimenti eseguiti da Hahn e Strassmann facevano pensare piuttosto alla disintegrazione dell’uranio. Non sono un fisico, ma mi sento di affermare che Fermi rappresenti l’icona dello scienziato, con mille interessi, curioso e razionale al tempo stesso, intuitivo e deduttivo. Si affermò rapidamente tanto da divenire cattedratico all’età di soli 25 anni, radunando attorno a sè nell’edificio di via Panisperna studiosi come Amaldi, Setti,Segre.

Nel 1938 gli fu assegnato il Nobel e da Stoccolma dove lo ricevette si trasferì negli USA, senza tornare in Italia, per evitare che le famigerate mai sufficientemente vitupefate leggi razziali fossero scontate da sua moglie ebrea. In effetti già prima di ricevere il NOBEL e di trasferirsi negli USA era stato affascinato dalle esperienze condotte sull’atomo da Hahn e Strassman per scinderlo, tanto che nella sua Nobel Lecture aggiunse, rispetto all’originaria versione, la seguente nota: la scoperta di Hahn e Strassmann (di cui abbiamo parlato in un recente post) rende necessario riesaminare tutta la questione degli elementi transuranici poiché molti di essi potrebbero essere dovuti alla disintegrazione dell’atomo. In ogni caso a riconoscimento e dimostrazione del successivo importante lavoro di Fermi e collaboratori negli USA tre anni dopo era pronta la prima pila atomica, che frantumando un atomo di uranio produceva energia, in effetti neutroni, che colpivano altri atomi in un processo controllato  a cascata. Questo successo nasceva però dal riconoscimento da parte di Fermi della misinterpretazione dei suoi esperimenti e dall’accettazione di quella data con l’apparecchiatura di Hahn e Strassmann. Oggi la Storia della Fisica riconosce questi diversi ruoli, anche sulla base delle attente  analisi condotte sui quaderni  di laboratorio del team di via Panisperna. Dopo questo successo, affascinato da Einstein e adulato da Roosevelt, prese la direzione scientifica dei laboratori di Los Alamos dove fu preparata la bomba che esplose nel vicino deserto-era il 16 luglio del 1945- paragonata dallo stesso Fermi per i suoi effetti a diecimila tonnellate di tritolo. Quello che avvenne dopo – un nuovo test sganciandola su  “una base militare” circondata da abitazioni (NdB cioè Hiroshima, il presidente Truman la definì così nel discorso del 9 agosto 1945)- non vide d’accordo nè Fermi nè Oppenheimer, il direttore tecnico di Los Alamos. La domanda che ancora oggi si sente formulare in relazione alle responsabilità ed alle terribili devastanti  conseguenze di quel lancio è: Fermi può essere considerato il padre della bomba atomica? La storia della scienza ci insegna che le scoperte non sono mai  merito di un solo ricercatore; ciascuno è sempre l’erede di precedenti studi  e  significative  collaborazioni. Credo sia  anche il caso di Fermi i cui studi partirono e comunque si appoggiarono a quelli di Born, Einstein, Heisenberg, Rutherford.

Quello che ancora oggi gli viene imputato è di avere diretto l’esperimento su Hiroshima e soprattutto di non avere mai sconfessato la sua creatura giustificandola come necessaria per la rapida fine della guerra ed il conseguente risparmio di altre vite umane. Sappiamo che neanche questo accadde perchè ci volle un’altra bomba su Nagasaki affinchè ciò avvenisse. Fermi credette  anche nell’energia nucleare come strumento in medicina contro i tumori in particolare. Le valutazioni di un ricercatore dinnanzi alle ricerche  che svolge possono scaricarne le responsabilità? E’ questa una domanda continuamente riproposta-al centro dell’Etica della Scienza-ma  ancora con risposte ambigue e discordanti.

altri post sul tema:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2018/06/07/la-storia-della-scoperta-della-fissione-nucleare-i-chimici-risolvono-un-problema-fisico-prima-parte/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/20/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-lise-meitner-1878-1968/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/11/06/scienziate-che-avrebbero-dovuto-vincere-il-premio-nobel-ida-noddack-1896-1978/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/08/04/era-bario-davvero/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/10/29/quanta-chimica-ce-nelle-bombe-atomiche-3/

 

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.

bombe21

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

bombe22

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.

bombe23

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.

bombe25

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.

bombe26

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)

Quanta chimica c’è nelle bombe atomiche? (1 parte)

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

bomba1

fatta ad Hiroshima da Antonio Fabbro

Quasi 70 anni fa, il 6 agosto 1945 un aereo bombardiere americano B-29, sganciò la prima bomba atomica della storia per uso bellico su Hiroshima e il 9 agosto una seconda fu sganciata su Nagasaki (una effettiva prima bomba sperimentale era stata fatta esplodere presso Alamogordo, in USA il 16 luglio 1945); nell’immediato morirono circa 100.000 persone ad Hiroshima e 40.000 a Nagasaki, (a Nagasaki a causa delle condizioni atmosferiche ci fu un errore di sgancio e la città fu parzialmente difesa da una collina; Nagasaki non era nemmeno l’obiettivo primario, che era invece Kokura, troppo coperto di nuvole) ma nel conteggio complessivo le due bombe provocarono all’incirca 300.000 morti, considerando i morti successivi per radiazione.

bomba2Hiroshima dopo l’eplosione di Little Boy.

bomba3Nagasaki prima e dopo l’esplosione di Fat Man.

bomba4

fatta a Hiroshima da Antonio Fabbro

Quando si parla di bomba atomica il pensiero va (oltre che prima di tutto ai 300.000 morti) ai fisici che hanno scoperto e messo a punto l’energia atomica e i dispositivi che la sfruttano per motivi pacifici o bellici; sono storie che sono state raccontate molte volte; qua vorrei invece notare un aspetto che di solito viene trascurato, ossia il contributo dei chimici in particolare allo sviluppo della bomba atomica. Non ho certo uno scopo di rivendicazione orgogliosa, al contrario; mi vergogno come scienziato di far notare che la Scienza nel suo complesso è stata usata per mettere a punto la più potente arma che conosciamo. Si tratta proprio di capire quale è stato il ruolo specifico della chimica.

bomba5

Dopo il 1945 nel mondo sono state costruite migliaia di bombe atomiche, ma nessuna è stata usata per motivi bellici; si calcola che nel 1985 ce ne fossero 65000; nel 2000 ce ne erano oltre 31500, ridotte nel 2012 a 17300; il grosso sono detenute da pochi stati: Russia 8500, USA 7700, Regno Unito 225, Francia 300, Cina 240, India 100, Pakistan 110, Corea del Nord 10, Israele 80.

Fino al 1963, anno in cui gli esperimenti atomici furono messi al bando, almeno da alcuni stati, i soli USA avevano condotto oltre mille esplosioni di cui 278 in atmosfera.

E’ da considerare che esistono parecchi tipi di bombe atomiche; oltre la tipologia di bombe cosiddette a fissione usate a Hiroshima e Nagasaki ci sono le più potenti bombe termonucleari o bombe a fusione, inventate e sperimentate al principio degli anni 50 da Edward Teller in USA e le bombe sporche, ossia esplosivi convenzionali che distribuiscono nell’ambiente isotopi a vita più o meno breve in grado di uccidere molte persone. Le bombe a fusione hanno un meccanismo esatto mai descritto pubblicamente in modo totale ed ancora, almeno parzialmente, coperto da segreto in praticamente tutti gli stati del mondo. E’ difficile quindi sapere con esattezza quali paesi hanno effettivamente a disposizione bombe termonucleari a fusione e non semplicemente bombe a fissione e quali meccanismi siano implicati nella loro costruzione.

Come è fatta una bomba atomica e quanto c’entra la chimica nella sua costruzione? Dato che i dettagli delle moderne bombe sono coperte tutte da segreto militare, può essere di aiuto considerare come erano fatte le due bombe sganciate su Hiroshima e Nagasaki, denominate rispettivamente Little Boy e Fat Man e la prima bomba o impianto termonucleare, Ivy Mike, costruita sull’atollo di Enewetak e fatta brillare il 1 novembre 1952.

Schema Foto
bomba6bomba7Sequenza di accensione del meccanismo a schiuma di plasma.A.  Testata prima dell’esplosione; primario (bomba a fissione) parte alta, secondario (combustibile per la fusione) parte bassa, tutto sospeso in schiuma di polistirene (PS).B.   Alto-esplosivo nel primario, comprime il cuore di plutonio alla supercriticità iniziando la reazione di fissione.C.  La fissione del primario emette raggiX irradiati nel contenitore trasformano in plasma la schiuma di PS.D.  La schiuma di PS diventata plasma, comprime il secondario e causan la fissione dell’innesco di plutonioE.   Il combustibile deuteruro di litio-6 (6LiD) compresso e riscaldato produce trizio e innesca la reazione di fusione. Il flusso di neutroni porta a fissione il tappo di U-238. Si forma una iniziale palla di fuoco.
bomba8

Little Boy, 6 agosto 1945 Hiroshima 13-18 chilotoni

bomba9

Fat Man, 18-23 kilotoni 9 agosto 1945 Nagasaki

bomba10

La prima bomba termonucleare fu un impianto piuttosto che un dispositivo; notate le dimensioni dell’uomo in basso a destra. Nel tempo le dimensioni sono state molto ridotte. Ivy Mike, 10-12 Megatoni, Enewetak, 1 Novembre 1952; l’atollo di Enewetak è ancora radioattivo e rimarrà inabitabile fino almeno al 2026.

bomba11 bomba12Ivy Mike aveva una potenza esplosiva pari a 10-12 Megatoni, ossia quasi 1000 volte quella di Little Boy; questa immagine mostra parte dell’atollo Enewetak, prima e dopo l’esplosione di Ivy Mike. In alto la parte grigiastra corrisponde ai bassi fondali dell’atollo, mentre quelle evidenziate in chiaro sono le zone affioranti di esso. In basso si noti la completa scomparsa di Elugelab, l’isola dove fu fatta esplodere.

Come si vede dallo schema dei tre ordigni ci sono molti passaggi in cui la chimica è essenziale; prima di tutto occorrono degli isotopi ben precisi degli elementi da usare e quindi c’è una fase di preparazione dei composti, una fase di arricchimento del combustibile nuleare che può riguardare qualunque degli isotopi necessari, dall’uranio 235 all’idrogeno 2 o 3; poi c’è l’uso di esplosivi molto potenti per mettere in criticità la massa di materiale fissile, esplosivi che debbono essere capaci di una formidabile spinta meccanica istantanea; infine ci sono alcuni materiali innocui come la schiuma di polistirene (o come il Teflon, che non sono qui esplicitamente nominati) che sono essenziali e seppur non sviluppati appositamente per il progetto Manhattan, ossia per la costruzione della prima bomba atomica, furono una condizione sine-qua-non per costruire le bombe; per esempio senza il Teflon, inventato da Plunkett, un chimico della DuPont nel 1938, sarebbe stato impossibile contenere o isolare o trasportare o manipolare l’esafluoruro di Uranio, che è altamente corrosivo, nei modi che servivano alla costruzione della bomba.

Vedremo nella prossima puntata alcuni singoli aspetti delle tre fasi del contributo della Chimica in maggiore dettaglio.

Ribadisco che questi contributi vanno visti come l’analisi di un fenomeno, non come la rivendicazione di un merito; contribuire allo sviluppo delle armi è una attività altamente non-etica. Proprio per questo, non la semplice rivendicazione di estraneità, ma la comprensione dei meccanismi di coinvolgimento chiarisce cosa è possibile evitare e cosa invece no. (Continua)