11.8: Bombas nucleares

Objetivos de aprendizaje

• Describir las características clave de una bomba atómica.
• Definir las consecuencias nucleares.

La segunda guerra mundial trajo consigo muchos avances en armamento. Los nazis utilizaron la inmensa capacidad científica de sus países recién conquistados para intentar crear súper armas para mantener el nuevo territorio. Las armas incluían nuevos tanques como el temido Tiger Tank, o la altamente avanzada fuerza aérea de la Luftwaffe. No obstante, la única arma que los nazis realmente querían sostener era la bomba atómica. Sin embargo, el problema que empezaron a tener los nazis era que muchas de las grandes mentes que alguna vez habían abandonado el país y llegaron a Estados Unidos. También, al final las tropas aliadas llegaron a Hitler y a sus científicos justo antes de que pudieran completar alguna bomba atómica. Estados Unidos también quiso crear una bomba atómica, y por las mismas razones. El Proyecto Manhattan se inició para formar esta nueva arma.

El Proyecto Manhattan tuvo éxito en Estados Unidos debido a los vastos recursos que se podían reunir para el proyecto. Las grandes mentes trabajaron bajo el campo de fútbol de la Universidad de Chicago para tratar de crear fisión. Una planta en Tennessee tenía el único propósito de producir suficiente uranio para las pruebas de bombas atómicas. Por último, Nuevo México fue el epicentro de toda la operación. Aquí es donde se construyeron y probaron las bombas. Los recursos necesarios eran inmensos. Tenía que haber suficiente combustible para la bomba, y todo lo necesario para hacerla. Tenía que haber vivienda y comida para todos los científicos. Quizás lo más importante, tenía que haber suficiente dinero para apoyar el proyecto. Los Estados Unidos pudieron utilizar de manera efectiva todos estos recursos, mientras que los alemanes no tenían los recursos, y no los usaban con la misma eficacia. Por último, después de años de arduo trabajo se llevó a cabo una prueba de bomba atómica el 16 de julio de 1945. La bomba se mantuvo unida en algunas partes por solo cinta, sin embargo fue un gran éxito. El problema era que la guerra en Europa ya había terminado, por lo que el presidente Truman tuvo que decidir si usar o no la bomba contra Japón.

La guerra en el Pacífico fue muy diferente a la guerra en Europa. En Europa, aterrizaste una vez y te abriste camino hasta Berlín para derrotar a los nazis. No obstante, en el Pacífico Japón controlaba cientos de islas antes de llegar al continente. La invasión habría costado enormes cantidades de vidas y recursos estadounidenses. En consecuencia, cuando la bomba tuvo una prueba exitosa el presidente Truman dijo que apenas dudó en aprobar el uso de la bomba atómica en Japón.

La primera bomba atómica fue lanzada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945 por el Enola Gay. La bomba destruyó la ciudad, matando a casi 100 mil personas. La ciudad de Hiroshima estaba esencialmente nivelada. Tras este ataque, el 9 de agosto de 1945 se lanzó otra bomba atómica sobre Nagasaki. Los mismos efectos se sintieron en esta ciudad. Estados Unidos estaba listo para lanzar otra bomba atómica en la tercera semana de agosto, 3 más en septiembre y 3 más en octubre de ser necesario. No obstante, el 15 de agosto Japón se rindió ante los aliados y la Segunda Guerra Mundial terminó oficialmente.

Figura\(\PageIndex{1}\) (izquierda) Hiroshima antes de la bomba atómica (derecha) Hiroshima después de la bomba atómica

El funcionamiento de la bomba atómica

Una característica crucial de la fisión del uranio sin la cual una bomba atómica es imposible es que la fisión produce más neutrones de los que consume. Como se puede observar en las ecuaciones (1), por cada neutrón capturado por un\(\ce{^{235}_{92}U}\) núcleo, se producen entre dos y cuatro neutrones. Supongamos ahora que tenemos una muestra muy grande del\(\ce{^{235}_{92}U}\) isótopo puro y un neutrón parásito entra en esta muestra. Tan pronto como impacte contra un\(\ce{^{235}_{92}U}\) núcleo, tendrá lugar la fisión y se producirán alrededor de tres neutrones. Estos a su vez fisionarán tres núcleos más de ²³⁵ U, produciendo un total de nueve neutrones. Una tercera repetición producirá 27 neutrones. un cuarto 81. y así sucesivamente. Este proceso (que se llama reacción en cadena) se intensifica muy rápidamente. En pocos microsegundos se produce una gran cantidad de fisión de núcleos, con la liberación de una tremenda cantidad de energía, y se produce una explosión atómica.

)

Hay dos razones por las que una muestra normal de uranio metálico no explota espontáneamente de esta manera. En primer lugar, el uranio natural consiste principalmente en el isótopo\(\ce{^{238}_{92}U}\), mientras que el isótopo fisionable\(\ce{^{235}_{92}U}\) comprende sólo 0.7 por ciento del total. La mayoría de los neutrones producidos en un proceso de fisión dado son capturados por\(\ce{^{238}_{92}U}\) núcleos sin ninguna producción adicional de neutrones. La escalada del proceso de fisión se vuelve así imposible. Sin embargo, incluso una muestra de ²³⁵ U puros no siempre explotará espontáneamente. Si es lo suficientemente pequeño, muchos de los neutrones escaparán a los alrededores sin causar más fisión. La muestra debe superar una masa crítica antes de que se produzca una explosión. En una bomba atómica varias piezas de material fisionable, todas las cuales están por debajo de la masa crítica, se mantienen suficientemente separadas para que no se produzca ninguna reacción en cadena. Cuando éstos se juntan repentinamente, se produce de inmediato una explosión atómica.

Dos tipos de bombas atómicas se desarrollaron simultáneamente durante la guerra: una relativamente simple y otra más compleja. El diseño tipo pistola resultó poco práctico de usar con, y por lo tanto se desarrolló un tipo de pistola más simple llamado que utilizó, un que constituye solo 0.7 por ciento de natural. Químicamente idéntico al isótopo más común, y con casi la misma masa, resultó difícil separar los dos.

En paralelo con el trabajo sobre uranio se produjo un esfuerzo por producir, el cual fue descubierto en el en 1940. Después de la viabilidad del primer reactor nuclear artificial del mundo, el, se demostró en 1942 en el en el, el Proyecto diseñó el en Oak Ridge y los reactores de producción en el in, en el que se irradió uranio y en plutonio. Luego, el plutonio se separó químicamente del uranio, utilizando el. El arma tipo implosión de plutonio fue desarrollada en un esfuerzo concertado de diseño y desarrollo por parte del Laboratorio Los Álamos.

Enriquecimiento isotópico

Gran parte de los cinco años del Proyecto Manhattan se dedicó a separar el 0.7 por ciento de ²³⁵ U de los ²³⁸ U más abundantes La mayor parte de este trabajo se realizó en el at. Esto se hizo preparando el compuesto gaseoso UF ₆ y dejando que se derrame a través de un tamiz poroso. Cada derrame resultó en un gas que fue ligeramente más rico en el isótopo más ligero. La repetición de este proceso finalmente produjo un compuesto lo suficientemente rico en ²³⁵ U para fines de fabricación de bombas.

Síntesis de plutonio

En paralelo con el trabajo sobre uranio se produjo un esfuerzo por producir, el cual fue descubierto en el en 1940. Sólo la primera bomba lanzada sobre Japón utilizó uranio. La segunda bomba utilizó el elemento artificial plutonio, producido por el bombardeo de neutrones de ²³⁸ U:

\[ \ce{^{235}_{92} U + ^{1}_0n \rightarrow ^{239}_{94}Pu + 2 ^{0}_{-1}\beta } \nonumber \]

La fisión de Pu-239 ocurre de manera muy similar a la del U-235, dando una variedad de productos; por ejemplo,

\[ \ce{^{239}_{94} Pu + ^{1}_0n \rightarrow ^{90}_{38}Pu + ^{147}_{56}Ba + 3 ^{1}_{0}n } \nonumber \]

Nuevamente esta es una reacción altamente exotérmica que produce aproximadamente la misma energía por mol (20 000 GJ mol ^—1) que ²³⁵ U.

Esta inmensa cantidad de energía liberada es la razón por la que se utilizaron plutonio y uranio. En comparación, 1 tonelada de TNT produce alrededor de 4 GJ mol ^—1 de energía. Esto quiere decir que las bombas atómicas tenían alrededor de 5 mil veces más energía que 1 tonelada de TNT, eso es una enorme cantidad de energía, y explica por qué la bomba fue tan efectiva y destructiva.

Explosión nuclear

Video Comparación de potencia de explosión \(\PageIndex{1}\)nuclear.

Si bien la bomba atómica de Fat Man era extremadamente poderosa y destructiva, ni siquiera está cerca del poder de las bombas nucleares posteriores. La era atómica fue establecida por Estados Unidos en esos dos fatídicos días del mes de agosto. En los años siguientes muchos otros países aprovecharon el poder de las armas nucleares, entre ellos Rusia, China, Gran Bretaña y Francia. El “punto culminante” de la era atómica llegó con la explosión del zar Bomba por parte de Rusia. Esta bomba era igual a 50 megatones de TNT, o 2.500 veces más poderosa que la bomba de Fat Man. Se dijo que cuando se detonó la bomba la onda de choque en el suelo se podía sentir a más de 600 millas de distancia (la bomba ni siquiera se detonó en el suelo tampoco, ¡sino en el aire!). El avance y uso de las armas nucleares parecía estar creciendo a un ritmo extraordinariamente rápido. No obstante, los países intensificaron y firmaron diversos tratados, entre ellos el Tratado de No Proliferación Nuclear, para detener el incremento de las armas nucleares y ojalá el uso de más en el futuro.

Construcción de bombas

En Los Álamos, Nuevo México, J. Robert Oppenheimer, y su grupo de investigación recibieron la tarea de armar y probar la bomba de fisión. Ambos tipos de combustible que se fabricaron (U-235 y Pu-239) se colocarían por separado en dos diseños de bombas diferentes. La más pequeña de las dos bombas contendría U-235 y se llamaba en código “Little Boy”. La bomba más grande, que albergaba a Pu-239, se llamaba “Hombre Gordo”. De los dos, solo se probaría la bomba Pu-239 antes de que se lanzara en tiempos de guerra.

El diseño básico de la bomba U-235 se muestra en la siguiente figura. Para evitar la detonación espontánea de una bomba atómica, el U-235 fisionable se mantiene en una configuración subcrítica. Luego se ensambla rápidamente en una masa supercrítica utilizando explosivos convencionales. Una vez que la bomba haya alcanzado esta masa, cualquier neutrón introducido en ella será probable que inicie una reacción en cadena. El mecanismo para “Little Boy” era una pistola que disparó una pieza subcrítica de U-235 a otra para formar una masa supercrítica (Figura\(\PageIndex{2}\)). Las piezas tuvieron que ser ensambladas en un tiempo menor al tiempo promedio entre apariciones de neutrones espontáneos de U-235 o radiación cósmica. Un explosivo convencional en un cañón de artillería podría disparar la masa U-235 a velocidades de unos pocos milímetros por segundo, lo suficientemente rápido como para evitar que un fizzle causado por un neutrón espontáneo desencadene una reacción en cadena prematura.

Figura\(\PageIndex{2}\): Niño pequeño: Dispositivo tipo pistola. (Dominio Público).

Originalmente, se planeó el mecanismo tipo pistola tanto para las armas U-235 como para las Pu-239. Sin embargo, surgió un problema con la bomba Pu-239 que requirió un mecanismo de ensamblaje diferente debido a la pequeña cantidad de Pu-240 que se produce con el Pu-239 en el reactor. Pu-240 emite grandes cantidades de neutrones espontáneamente: 1,030 neutrones por gramo por segundo en comparación con 0.0004 neutrones por gramo por segundo para U-235. Incluso a una concentración de 1% de Pu-240 en el Pu-239 fisionable, la masa requerida de Pu emite 52,000 neutrones por segundo o un neutrón cada 20 microsegundos. Por lo tanto, es muy probable que un neutrón de Pu-240 inicie una reacción en cadena prematura durante los últimos 100 microsegundos críticos de la masa crítica en un conjunto tipo pistola. Este problema fue descubierto a mediados de 1944, mucho después del inicio de la construcción de las masivas instalaciones de producción de plutonio de Hanford.

Figura\(\PageIndex{3}\): Hombre Gordo: Bomba tipo implosión. (Dominio Público).

El retiro del Pu-240 no fue práctico. Entonces los científicos e ingenieros buscaron un método más rápido para ensamblar el plutonio. Un mecanismo basado en la implosión proporcionó la solución a este problema. En este diseño, el material fisionable se conforma en una sola esfera con una masa ligeramente inferior a la crítica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Capas de explosivos altos cuidadosamente formados rodean la esfera. Cuando se detonan los explosivos, la fuerza de la onda de choque comprime el material fisionable en un volumen menor, formando una masa supercrítica. Este método de ensamblaje es mucho más rápido que el mecanismo tipo pistola y así elimina los problemas resultantes de la emisión espontánea de neutrones de Pu-240. La masa esférica resultó en un arma en forma de calabaza llamada “Hombre Gordo”.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Mira desde la marca de 23 minutos hasta la marca de 32 minutos de la tercera entrega del Proyecto Manhattan de History Channel y responde las preguntas a continuación.

1. ¿Cuáles fueron los problemas con los dos tipos diferentes de combustible que se iban a utilizar en las armas de fisión?
2. ¿Cuál fue la configuración o puesta a punto de la bomba Pu-239?
3. La combinación de separación electromagnética y difusión gaseosa enriqueció lo suficiente U-235 para producir ¿cuántas bombas?
4. ¿Por qué nunca se probó la bomba U-235?
5. ¿Cuándo se terminó la construcción del U-235?
6. ¿Cuánto sabía Truman de las bombas nucleares cuando FDR estaba vivo?
7. ¿Quién fue seleccionado para pilotar el avión para las armas nucleares?
8. ¿Qué isla serviría como base para albergar las bombas nucleares antes de entregarlas a sus objetivos?

En julio de 1945, Estados Unidos contaba con suficiente material fisionable para una arma de uranio y dos plutonio. Los científicos e ingenieros se sintieron seguros de que el mecanismo de ensamblaje tipo pistola para Little Boy funcionaría correctamente. Además, no contaban con el material para un dispositivo de prueba. Tenían menos confianza en el mecanismo de implosión en el arma de plutonio y consideraron que era necesaria una prueba. El 16 de julio de 1945, el primer dispositivo nuclear, conocido como “El Gadget”, fue colocado en una torre de 100 pies y detonado con éxito en el desierto de Alamogordo, 200 millas al sur de Los Álamos (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): El artilugio en el sitio de prueba de Trinity, 1945. Cortesía del Departamento de Defensa de Estados Unidos

A medida que la guerra con Japón continuaba y una costosa invasión aliada se cernía como una posibilidad real, el presidente Truman aprobó el uso de armas nucleares contra objetivos japoneses seleccionados. La Fuerza Aérea del Ejército de Estados Unidos recibió órdenes de usar estas armas en cualquier momento después del 3 de agosto de 1945. El 6 de agosto, “Little Boy” fue arrojado sobre Hiroshima (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Niño pequeño - Las únicas armas U-235 construidas durante la Segunda Guerra Mundial. Cortesía del Departamento de Defensa de Estados Unidos

Little Boy era un arma de uranio que contenía 141.4 libras de material fisionable que contenía 82.7% U-235. Sólo unas dos libras fisionadas, liberando una energía equivalente a 15-16,000 toneladas de TNT. Se estima que los efectos inmediatos de la explosión mataron a unas 70 mil personas, y a finales de 1945 se produjeron entre 20 mil y 70 mil muertes adicionales, muchas por falta de recursos médicos adecuados.

Tres días después, “Hombre Gordo” destruyó gran parte de Nagasaki (Figura\(\PageIndex{6}\)). El Hombre Gordo contenía 13.6 libras de Pu-239, de las cuales sólo 2 libras sufrieron fisión. El rendimiento explosivo fue equivalente a cerca de 22 mil toneladas de TNT. Hombre gordo resultó en 35 mil muertes inmediatas. A finales de 1945, al menos 70 mil personas perecieron en este evento.

Figura\(\PageIndex{6}\): Hombre Gordo — Una de las muchas armas nucleares Pu-239 construidas durante la Segunda Guerra Mundial. Cortesía del Departamento de Defensa de Estados Unidos

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Inicia el video a continuación en la marca de 23:20 y deténgalo en el ajuste de 29 minutos. Luego, conteste las preguntas a continuación:

9. ¿Cuándo y dónde se probó la primera bomba nuclear?
10. ¿Se colocó la bomba en el suelo?
11. ¿Qué temían los científicos que hiciera la primera bomba nuclear?
12. ¿Qué le aplicó Edward Teller (padre de la bomba de fusión) a su piel antes de que se encendiera la bomba? ¿Por qué hizo esto?
13. ¿Qué le hizo la bomba a la torre y a la arena circundante?
14. En la fotografía, ¿dónde centró su atención el General Grove?

Fallout nuclear

La precipitación nuclear se refiere al material radiactivo que “cae” de la atmósfera después de una explosión nuclear (reactor o bomba). Consiste en polvo y partículas radiactivas que pueden contaminar un área con radiactividad y representar un enorme peligro para la salud de los organismos biológicos. Puede contaminar la cadena alimentaria animal lo que puede tener efectos drásticos en la región afectada. El clima tiene un enorme impacto en las consecuencias, las corrientes de viento pueden propagar lluvia radiactiva ya sea sobre una gran área, como en el caso del Castillo Bravo, o no.

Figura\(\PageIndex{2}\): El penacho de lluvia de 450 km (280 mi) de 15 Mt baleado Castillo Bravo, 1954. (Dominio púbico; Departamento de Energía de Estados Unidos vía Wikipedia)

En lo que respecta a las reacciones nucleares, la fisión produce más productos de precipitación que la fusión. El calor intenso de este último tipo de reacciones reduce la cantidad y tipo de radioisótopos producidos. Aunque más poderosa, la fusión es un tipo de reacción nuclear “más limpia”. Al aumentar el componente de fisión de un arma de fusión, las bombas pueden diseñarse para generar más productos de lluvia. De los diferentes tipos de isótopos que produce la fisión, los más preocupantes son Sr-90, Cs-137 e I-131. El primero de estos isótopos tiene una vida media de 28.8 años y decae por emisión gamma y beta. Una vez ingerido o inhalado, Sr-90 se deposita en dientes, hueso y médula ósea. La exposición a Sr-90 puede provocar cáncer de hueso y/o leucemia. Cs-137 (t _1/2 = 30.17 años) emite radiación beta y gamma. Esta radiación ionizante se deposita en los tejidos blandos del cuerpo. Además, este radioisótopo en particular es soluble en agua y puede contaminar fácilmente los suministros de alimentos y agua. I-131 tuvo una vida media superior a 8.1 días y sufre decaimiento gamma/beta. Una vez que este producto de lluvia entra en el cuerpo, ataca la glándula tiroides. El daño extenso podría afectar la frecuencia cardíaca, la presión arterial, la temperatura corporal y el crecimiento infantil. Además, la exposición a I-131 podría resultar en cáncer de tiroides.

Fallout nuclear

Mira el video de Fallout y luego responde las preguntas a continuación:

Resumen

• En una bomba atómica varias piezas de material fisionable se mantienen suficientemente separadas para que no se produzca ninguna reacción en cadena. Cuando éstos se juntan repentinamente, se alcanza la masa crítica y se produce de inmediato una explosión atómica.
• Las dos bombas de fisión ensambladas en Los Álamos, Nuevo México, por J. Robert Oppenheimer, y su grupo de investigación fueron fabricadas con dos tipos de combustible a saber, U-235 y Pu-239.
  • La más pequeña de las dos bombas contendría U-235 y se llamaba en código “Little Boy”. Esta bomba fue lanzada en Hirsohima, Japón, el 6 de ago.1945.
  • La bomba más grande, que albergaba a Pu-239, se llamaba “Hombre Gordo”. Esta bomba fue lanzada en Nagazaki, Japón, el 9 de ago.1945.
• La precipitación nuclear se refiere al material radiactivo que “cae” de la atmósfera después de una explosión nuclear (reactor o bomba).

Colaboradores y Atribuciones

• Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).

• Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, and Adam Hahn.

• Frank A. Settle (Washington and Lee University)

• Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)

• Muneeba Ali (Furman University)