La ciencia de las explosiones nucleares

¿Qué hace que las armas nucleares sean diferentes de las demás? A medida que nos acercamos al 75º aniversario de la prueba de la primera bomba atómica, vale la pena mirar más de cerca el arma más poderosa jamás inventada

La mayoría de los expertos en seguridad nacional están familiarizados con la fisión y la fusión. La bomba atómica, probada por primera vez el 26 de julio de 1945, obtiene su fuerza explosiva de una rápida reacción en cadena de neutrones, que divide un billón de billones de átomos de uranio en un microsegundo.

La bomba de hidrógeno, probada por primera vez por Estados Unidos y luego por la Unión Soviética a principios de los años 50, emplea el calor, la radiación y la presión de la bomba atómica para forzar a los átomos de hidrógeno a unirse, liberando por esta fusión una energía aún mayor que por la fisión.

¿Cómo funciona esto exactamente? ¿De dónde viene la energía? La astrofísica de la NASA, Dra. Michelle Thaller, explicó la ciencia de las explosiones nucleares esta semana en el podcast de seguridad nacional, Press The Button.

«Una de mis ingenuas preguntas de niño era cómo se puede obtener la energía de ambos átomos dividiéndolos y juntándolos», dijo Thaller.  «Así que, si tomo el átomo y lo separo, obtengo energía. Si tomo un átomo y lo junto, obtengo energía. Todo esto tiene que ver con esta cosa llamada la fuerza fuerte».

Hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza, me dijo Thaller. «La gravedad parece ser una fuerza bastante fuerte. Mantiene a la tierra orbitando alrededor del sol y nos mantiene en la superficie de la tierra», dijo, pero el electromagnetismo «es mucho, mucho más fuerte». 10 a la 36ª potencia mayor. Eso es un 1 seguido de 36 ceros».

El electromagnetismo es la razón por la que somos capaces de existir. Los átomos de nuestro cuerpo repelen los átomos de una silla y del suelo, por lo que «no nos colamos a través de la silla, ni hasta el centro de la Tierra».

Pero las fuerzas realmente poderosas son dos que nunca vemos: las nucleares fuertes y débiles. «La fuerza fuerte» se llama así porque es muy fuerte. Así que, mientras si la gravedad es 1, la fuerza fuerte sería de 1038, es decir, un 1 con 38 ceros detrás de ella», dijo.

«La fuerza fuerte es unas 100 veces más fuerte que la fuerza electromagnética. Así que, si piensas en dos protones tratando de repelerse entre sí porque tienen cargas positivas similares, la fuerza fuerte es unas 100 veces más fuerte que la propulsión eléctrica». Por eso los protones y los neutrones se unen en el núcleo de un átomo. Los neutrones son particularmente importantes porque no tienen carga, y por lo tanto no tienen energía de repelencia, pero proporcionan una fuerza fuerte, sirviendo como un «pegamento» que mantiene el núcleo unido.

Thaller, conocida por ser la presentadora del programa Science Channel, How the Universe Works, explicó, «No notamos estas fuerzas en nuestra vida diaria porque se sienten sólo en pequeñas, diminutas escalas. Básicamente, fracciones de una distancia a través de un solo protón o un neutrón.  Si puedes construir una bomba que juegue con la liberación de energía de estas fuerzas nucleares, puedes construir algo muy poderoso.»

La comprensión de la fuerza fuerte ayuda a explicar la fisión. «Tienes un núcleo muy grande como el uranio que apenas se mantiene unido. Es tan grande, que la fuerza fuerte no puede mantenerlo unido muy bien», dijo. » Lo que ocurre es que, si se introduce un poco de energía y se altera el núcleo, en este caso añadiéndole un neutrón extra, el núcleo se separa de repente y los dos núcleos que quedan están mucho más unidos. Pueden sentir esa fuerte fuerza mucho mejor. Así, cada uno de esos dos núcleos más pequeños ahora están relajados en este estado de energía más bajo del diferente estado de energía de unión». La energía extra se libera en forma de calor y radiación.

Tres eventos ocurren durante la fisión. Se dispara un neutrón al isótopo derecho del uranio (el elemento más grande que se encuentra en la naturaleza), lo que hace que se divida en dos átomos más pequeños, mientras que simultáneamente expulsa un promedio de dos neutrones. Estos neutrones se disparan y encuentran sus propios átomos de uranio para dividirse, lo que genera más neutrones: de dos a cuatro, luego ocho, luego dieciséis, y así sucesivamente. Esta es la reacción en cadena que puede comenzar a partir de un solo neutrón.

Cada fisión convierte una pequeña cantidad de la masa del átomo en energía. Los primeros científicos en descubrir la fisión aplicaron la famosa fórmula de Einstein, E=mc2, y rápidamente se dieron cuenta de que incluso esta pequeña cantidad de materia («m») multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado («c2») es igual a una gran cantidad de energía («E»).  Una pequeña bomba podría igualar la fuerza destructiva incluso del mayor bombardeo.

El núcleo de la bomba de Hiroshima contenía alrededor de 140 libras de uranio, con alrededor de dos libras que se fisionaron. «La cantidad de masa que se convirtió en energía pura fue del tamaño de alrededor de media moneda de diez centavos», explicó Thaller. «Así que, si piensas en una moneda de diez centavos, rómpela en dos, eso es más o menos la cantidad de materia que desapareció y se convirtió en energía pura», produciendo una fuerza explosiva igual a 15 mil toneladas de TNT.

Por el contrario, para los átomos pequeños como el hidrógeno, la energía se produce al fusionarlos. «A medida que se fusionan más y más de estas partículas juntas, la fuerza fuerte es capaz de volverlas a juntar. Libera energía al relajarse. A eso se le llama un estado de energía de unión más bajo», dijo Thaller. Puede ser relajante para el universo en general, pero la energía liberada en el punto de estas reacciones es enorme. «Las bombas de hidrógeno son mucho, mucho, mucho más fuertes. En el caso de Hiroshima, se trataba de cosas que estaban en kilotones de TNT, miles de toneladas. En el caso de los enlaces de hidrógeno, estás tratando con, con megatones, o millones de toneladas de TNT.»

Las bombas de hidrógeno equivalen a replicar el núcleo del sol durante una fracción de segundo en la Tierra. «El Sol convierte unos 4.000 millones de kilogramos de masa en energía cada segundo. Por lo tanto, 4 mil millones de kilogramos es el tamaño de una montaña bastante decente», se maravilló Thaller. «Esa cantidad de masa se convierte en energía pura dentro del Sol cada segundo.

Es asombroso que los seres humanos entiendan esto y sean capaces de manipular la materia y la energía a estos niveles fundamentales. Thaller, sin embargo, está preocupado por la capacidad de la humanidad de usar este conocimiento sabiamente.

«Es difícil entender el motivo por el que usamos todo este conocimiento con fines destructivos», suspiró Thaller. «Como científico de la NASA, sé que tenemos más de 30 diferentes satélites científicos orbitando, que nos cuentan lo que está sucediendo en nuestro planeta en este momento, como la rapidez con la que el clima está cambiando y lo que estamos haciendo con el planeta. Tenemos ese conocimiento y no parece que estemos haciendo nada bueno con él, al menos no todavía.»

Un colega científico de Thaller en la NASA predice de manera conservadora que como resultado del calentamiento global, el nivel de los océanos «aumentará alrededor de un metro para el año 2100, dentro de unos ochenta años», dijo. «Hay muchas áreas del mundo que están bajas o cerca de la costa y esto podría causar potencialmente que mil millones de personas tengan que desplazarse. Se convertirán en refugiados y no tendrán adónde ir, o tendremos que encontrar lugares a los que puedan ir.

«Y tenemos a toda esta gente sentada sobre armas nucleares. Con sólo un aumento de tres pies del nivel del mar se eliminará la mayor parte de Bangladesh. Habrá cientos de millones de personas tratando de entrar en India y China», advierte Thaller. Históricamente, las grandes migraciones han desencadenado guerras. » ¿Será esto el inicio de una gran confrontación? Lo veo venir y eso es lo que realmente me preocupa».

Fte. The National Interest (Joseph Cirincione)

Joseph Cirincione es el presidente del Ploughshares Fund.