Armi di distruzione di massa V – La guerra nucleare (parte prima)

Durante la seconda guerra mondiale, non era insolito che un bombardamento facesse decine di migliaia di vittime. Il raid incendiario di Tokyo del 10 marzo 1945 era costato la vita a circa centomila persone, secondo alcuni fino a 120 000. Il bombardamento di Hiroshima causò nell’immediato un numero paragonabile di vittime, con un non trascurabile dettaglio: era stata sufficiente un’unica bomba. 73 anni fa avveniva il primo di due bombardamenti atomici bellici; la città fu distrutta quasi completamente nonostante la bomba fosse, per i suoi standard, piuttosto inefficiente. Il secondo (e, per fortuna, ultimo) si verificava tre giorni dopo a Nagasaki, cittadina di pescatori che patì “solo” circa la metà delle vittime grazie alla conformazione montuosa del territorio.

La città di Hiroshima dopo il bombardamento atomico.

La prima cosa che viene in mente quando si parla di armi nucleari è la radioattività, sotto forma di fallout– caduta di materiale radioattivo che contamina l’ambiente e avvelena le popolazioni dell’area colpita. Ma si tratta di un’associazione solo in parte corretta: quello che definisce le armi atomiche è, piuttosto, l’uso delle reazioni nucleari e della loro enorme efficienza energetica per sviluppare valori di potenza non raggiungibili con le reazioni chimiche degli esplosivi convenzionali.

In linea di principio, sarebbe possibile creare armi nucleari che non generino alcun fallout: quello che le rende armi di distruzione di massa sono la potenza dell’onda d’urto e di calore sviluppate dall’esplosione grazie all’efficienza delle reazioni di fissione e fusione. Viceversa, le armi il cui scopo sia specificamente quello di intossicare i nemici con grandi quantità di radiazioni letali si definiscono come armi radiologiche. Spesso, la distinzione tra armi nucleari e radiologiche è sfumata; molti ordigni nucleari sono anche armi radiologiche.

Difficilmente si parla di armi nucleari senza riferimenti al dibattito etico e politico che si è sviluppato riguardo alla loro detenzione da parte dei governi mondiali. Il nucleare, specialmente nei tempi della Guerra Fredda, è stato un potente motore dell’immaginario apocalittico collettivo, arrivando a condizionare anche le politiche sui suoi usi civili. Lo raccontano in diversi modi film popolari come gli americani Fail-Safe, The Day After e WarGames, il britannico When the Wind Blows e il cartone giapponese Barefoot Gen, per non citare il capolavoro di Kubrick Doctor Strangelove. Oggi però ci concentreremo soprattutto sull’aspetto scientifico e tecnologico delle armi nucleari, per mostrare come riescano a liberare un’energia così spaventosa.

Storia della ricerca sul nucleare

La ricerca sulle armi nucleari si fa storicamente risalire alla seconda guerra mondiale e al periodo immediatamente precedente. Erano gli anni in cui si assisteva alla nascita della fisica moderna, grazie a una successione di importanti ricerche sulla struttura atomica. Già dalla scoperta della radioattività nel 1896 da parte di Henri Becquerel e dall’identificazione di radio e polonio da parte di Pierre e Marie Curie, gli scienziati (ma non solo) avevano cominciato a immaginare che in certi elementi chimici fossero imbrigliata un’enorme energia di tipo totalmente nuovo. Nel 1914 Herbert G. Wells anticipò i tempi descrivendo il potenziale distruttivo delle nuove armi nel romanzo The World Set Free.

Ma fu solo negli anni Trenta, quando Adolf Hitler divenne cancelliere, che la ricerca sul nucleare subì un deciso impulso in avanti; in parte perché la ricerca sul nucleare fu incentivata dal Reich, ma anche perché le politiche antisemite dell’Asse spinsero molti ricercatori ebrei o imparentati con ebrei a emigrare confluendo poi, durante il conflitto mondiale, nel Manhattan Project. Il funzionamento delle armi nucleari si basa sulla fissione: una trasformazione del nucleo atomico di alcuni elementi instabili (principalmente isotopi dell’uranio e del plutonio) che si “spaccano” decadendo in altri elementi e liberando energia. La fissione può essere spontanea ma anche indotta artificialmente. Fu proprio uno di questi scienziati ebrei emigrati dal territorio del Reich, l’ungherese Leó Szilárd, a teorizzare per primo l’implementazione di una reazione a catena nucleare.

I nuclei atomici sono composti da due tipi di particelle, protoni (carichi positivamente) e neutroni (elettricamente neutri). Mentre gli atomi leggeri hanno pressappoco un numero uguale di protoni e neutroni, gli atomi tipicamente coinvolti nelle reazioni nucleari sono pesanti e, per questioni legate alla loro stabilità interna, hanno un eccesso di neutroni rispetto ai protoni. Nella fissione nucleare indotta, questi nuclei vengono bombardati di neutroni, che ne inducono la scissione in altri nuclei e in un certo numero di neutroni. Questi a loro volta inducono la fissione di altri nuclei, e via via in un processo esponenziale che libera enormi quantità di energia.

Se si riesce a imbrigliare opportunamente questa energia, la si può utilizzare per produrre elettricità per scopi civili o per la propulsione; altrimenti, la reazione a catena conduce a un’esplosione nucleare. Affinché la reazione a catena arrivi ad autosostenersi, è necessario che la quantità di sostanza in cui indurre la fissione (materiale fissile) superi una certa massa limite detta massa critica.

Schema di una reazione a catena nucleare.

I primi a fornire le prove radiochimiche della fissione furono i tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann nel 1938, con la collaborazione di Lise Meitner e Otto Robert Frisch (fu lui che coniò il termine “fissione”). Il programma nucleare tedesco comincerà poco dopo; questo indusse Szilárd a scrivere una lettera co-firmata da Einstein al presidente Roosevelt in cui sollecitava la costituzione di un progetto per battere sul tempo la Germania nazista nello sviluppo delle armi nucleari.

Nel frattempo, i primi esperimenti statunitensi sulla fissione nucleare avevano scoperto che l’elemento attivo era l’isotopo uranio-235; ma fu solo dopo l’attacco giapponese di Pearl Harbor e con l’impegno degli Stati Uniti in guerra che il Manhattan Project prese veramente vita, sotto la guida del fisico Robert Oppenheimer e con la partecipazione di fisici di punta quali Enrico Fermi, Hans Bethe, Richard Feynman, John von Neumann e lo stesso Otto Frisch. Tra le altre cose, si scoprì che l’isotopo uranio-238, molto più abbondante, poteva essere trasformato in plutonio-239, un altro elemento in grado di sostenere reazioni a catena.

Il 16 luglio 1945 avvenne il Trinity Test, vicino al comune di Alamogordo nel New Mexico. L’esplosione della bomba al plutonio, chiamata “the Gadget”, liberò la stessa quantità di energia meccanica fornita da circa 20 000 tonnellate di tritolo (20 kilotoni). Appena tre settimane dopo fu il turno di Hiroshima.

Palla di fuoco del Trinity Test, 16 millisecondi dopo l’esplosione.

Armi a fissione

Le bombe a fissione nucleare vennero chiamate bombe atomiche o “A-bombs”, in modo un po’ improprio dato che l’energia non viene dall’atomo nella sua totalità ma dal suo nucleo. Il Manhattan Project sviluppò contemporaneamente due progetti di bomba a fissione: un sistema di detonazione a blocchi separati (detto anche a detonazione balistica) e un sistema a implosione.

Il sistema a detonazione balistica fu quello impiegato a Hiroshima nell’ordigno Little Boy. È il meno efficiente dei due e funziona solo con l’uranio-235, ma è il più semplice da costruire, richiedendo una tecnologia molto basilare. In sostanza, il materiale fissile è ripartito in due blocchi, un proiettile e un bersaglio, fatti in modo che l’uno si possa incastrare nell’altro. Entrambi, presi isolatamente, hanno massa inferiore a quella critica, ma quando sono combinati insieme la superano. Il sistema prevede che il proiettile sia sparato sul bersaglio con una detonazione tradizionale in modo da formare un unico blocco di massa supercritica, innescando così la reazione a catena.

Schema interno della bomba Little Boy, un dispositivo a detonazione balistica.
Immagine di Vector – Dake – Papa Lima Whiskey – Mfield, licenza CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons

Poiché, in realtà, la reazione comincia in anticipo rispetto al completamento dell’incastro, il sistema tende a distruggersi prima di consumare una parte sostanziale del materiale fissile, motivo per cui il sistema a detonazione balistica è molto inefficiente. Si calcola che Little Boy, la bomba rilasciata su Hiroshima, consumò solo l’1% del combustibile nucleare a disposizione. Inoltre, l’uranio-235, di cui sono necessarie alcune decine di kilogrammi per questo tipo di bomba, è piuttosto raro, ed esistono limiti strutturali che impediscono di sviluppare una potenza esplosiva superiore ai 20 chilotoni. Per questi e altri motivi, la maggior parte delle bombe a fissione costruite utilizza il sistema a implosione, anche se la tecnologia è più complessa e dispendiosa.

Il meccanismo a implosione fu utilizzato nel bombardamento di Nagasaki, tre giorni dopo Hiroshima. La bomba venne soprannominata Fat Man, per la sua forma “grassoccia” dovuta alla struttura sferoidale del congegno in essa contenuto. Al centro della sfera si trovano pochi chilogrammi di uranio o plutonio; l’innesco della reazione nucleare, in questo caso, si raggiunge comprimendo il materiale fissile al di sopra di una certa densità critica mediante l’esplosione di cariche disposte all’interno della superficie della sfera.

Animazione che illustra il meccanismo con cui il nucleo di materiale fissile è compresso all’interno di una bomba atomica a implosione.

L’arma a fissione pura più potente mai testata fu Ivy King, fatta esplodere in atmosfera, sopra un atollo delle Marshall Islands, nel novembre 1952; liberò un’energia di 500 kilotoni. Per ottenere esplosioni più potenti, è necessario ricorrere a dispositivi a fusione nucleare.

Armi a fusione

Così come un nucleo atomico si può spezzare in due o più parti, due nuclei atomici possono fondersi per ottenere un nucleo atomico più pesante (teoricamente anche più di due nuclei, ma è un evento estremamente improbabile). È quello che succede per esempio nelle stelle, enormi fucine nucleari che, partendo dall’idrogeno, fondono nuclei via via più pesanti producendo luce e calore.

La fusione nucleare controllata è uno dei futuri investimenti nel campo energetico, perché è un processo ad altissima efficienza. L’energia viene dal fatto che la massa del prodotto finale è leggermente inferiore rispetto alla somma delle masse dei due elementi di partenza; questo difetto di massa viene convertito in energia tramite la celeberrima equazione di Einstein E = mc2. Anche un difetto di massa piccolissimo, se moltiplicato per la velocità della luce al quadrato, può tramutarsi in un’energia considerevole.

Esempio di fusione nucleare.

Le armi a fusione vengono anche dette bombe termonucleari, bombe all’idrogeno o bombe H in quanto usano soprattutto isotopi dell’idrogeno per compiere la fusione. Dispositivi a fusione pura sono stati ipotizzati, ma mai realizzati. Invece, le armi termonucleari sviluppate finora funzionano grazie a un’architettura a due o più stadi, di cui almeno uno è una fissione. I dettagli dei diversi tipi di design di armi termonucleari possono essere molto complessi, ma sostanzialmente seguono tutti la cosiddetta configurazione di Teller-Ulam, così chiamata perché sviluppata dai due fisici Edward Teller e Stanislaw Ulam nel 1951.

Questa configurazione si rende necessaria in quanto la fusione nucleare, per essere innescata, richiede temperature e pressioni molto alte affinché i protoni degli atomi che si fondono possano vincere la reciproca repulsione elettrostatica di due cariche positive che si avvicinano a distanze tipiche dei nuclei atomici; al di sotto di una certa distanza, entra in gioco la cosiddetta interazione nucleare forte, che prevale sulla forza elettrostatica “incollando” i due protoni tra loro. Ma le temperature e pressioni richieste, sulla Terra, possono solo essere prodotte da un’esplosione atomica. Pertanto, lo schema di Teller-Ulam include una bomba a fissione disposta nei pressi di un fusto contenente gli isotopi dell’idrogeno da fondere.

Sequenza di ignizione in un dispositivo termonucleare progettato secondo configurazione di Teller-Ulam. In alto, la bomba a fissione.

A questi due stadi se ne possono aggiungere altri, in un’alternanza di stadi a fissione e fusione, virtualmente senza alcun limite. La bomba termonucleare più potente mai detonata fu la Bomba Tsar, sviluppata da Andrei Sacharov e colleghi nel 1961, che nei progetti originali conteneva un terzo stadio a fissione composto di uranio impoverito; i neutroni prodotti dalle reazioni precedenti avrebbero creato una terza esplosione, con un’energia totale da progetto di 100 megatoni. Tuttavia, nell’ordigno esploso sull’isola di Severny il terzo stadio fu sostituito con del piombo per evitare ricadute radioattive troppo estese e sviluppò una potenza di “soli” 50 megatoni. Si sviluppò una palla di fuoco istantanea di 8 km di diametro e il raggio di distruzione fu misurato in 35 km.

A sinistra: Bomba Tsar osservata a 160 km di distanza. Il “cappello” del fungo atomico ha raggiunto i 56 km di quota. A destra: Palla di fuoco di 8 km della Bomba Tsar.

I fattori distruttivi

Ma a cosa è dovuto il potenziale distruttivo un ordigno nucleare? I danni sono causati principalmente da quattro fattori: l’onda di calore, l’onda d’urto, le radiazioni e l’impulso elettromagnetico. La quantità di energia che si ripartisce in ciascuno di questi fattori dipende da dettagli relativi alla struttura della bomba e alle modalità di esplosione, ma comunque la maggior parte viene ripartita tra onda d’urto e onda di calore.

L’onda d’urto, come negli esplosivi convenzionali, è causata dalla rapida compressione degli strati d’aria che circondano la sorgente dell’esplosione, un meccanismo che nel caso di una bomba nucleare è amplificato dalle altissime energie prodotte. Il cosiddetto blast attraversa la palla di fuoco: l’interazione tra i due crea un temporaneo abbassamento della luminosità che poi si rialza quando l’onda d’urto supera la palla di fuoco. Questo doppio picco di luminosità immediata è un fenomeno caratteristico delle esplosioni nucleari, al punto da essere utilizzato per distinguerle da un’eventuale esplosione di bombe convenzionali ad altissima potenza. L’onda d’urto causa i danni maggiori quando l’esplosione avviene a 500-600 metri di quota.

L’onda di calore consiste in una radiazione termica che si estende sullo spettro elettromagnetico tra infrarosso, visibile e ultravioletto. Le temperature al sito dell’esplosione possono raggiungere decine di milioni di gradi. Il flash intensissimo può temporaneamente danneggiare la retina, causando una cecità che dura fino a 40 minuti; se l’individuo colpito sta guardando direttamente la palla di fuoco, il cristallino dell’occhio può concentrare i raggi sulla retina danneggiandola in modo permanente.

Ustioni su una donna che si trovava a Hiroshima durante l’esplosione. I colori più scuri del suo kimono corrispondono a ustioni visibili sulla pelle a contatto con parti del vestiario esposte alla radiazione. Le aree nei pressi della vita, dove la veste è più stretta, mostrano un tracciato più marcato.

La pelle esposta al flash subisce delle ustioni fino al terzo grado, causate direttamente dalla componente visibile e ultravioletta della luce. Gli oggetti di colore più chiaro riflettono la maggior parte della radiazione termica e ricevono danni inferiori rispetto ai materiali più scuri. A Hiroshima, l’onda di calore causò anche una serie di gravi incendi, in quanto la maggior parte degli edifici era fatta di legno.

La radiazione ionizzante è composta da neutroni, raggi gamma, particelle alfa (nuclei di elio) ed elettroni. Difficilmente le radiazioni ionizzanti causano la morte immediata degli individui esposti; chi si trovasse abbastanza vicino all’esplosione da essere ucciso dalle radiazioni morirebbe comunque per l’onda d’urto o di calore. Tuttavia, i sopravvissuti alle esplosioni atomiche (tra cui anche numerosi testimoni dei test nucleari avvenuti nel dopoguerra) hanno sofferto degli effetti acuti e cronici dell’avvelenamento da radiazioni. Se i neutroni interagiscono con i materiali circostanti (per esempio con le polveri sollevate in un’esplosione a quota molto bassa) si può creare un’elevata contaminazione che si aggiunge al fallout radioattivo causato dal rilascio in atmosfera dei resti radioattivi di fissione e del materiale inesploso.

L’impulso elettromagnetico, infine, è una conseguenza nota, la cui intensità fu tuttavia scoperta durante i test nucleari degli anni Cinquanta e Sessanta. La complessa interazione tra i raggi gamma e gli elettroni dell’atmosfera terrestre causa un’intensa oscillazione del campo elettromagnetico che dura circa un millisecondo. Qualunque oggetto metallico ne sia investito, inclusi i cavi della corrente, si comporta da antenna e sviluppa altissime tensioni che possono disabilitarne il funzionamento in modo temporaneo o permanente, arrivando anche a distruggere i dispositivi. Si è osservato che l’effetto è largamente predominante nel caso di esplosioni nella stratosfera terrestre. Inoltre, il calore della palla di fuoco può strappare gli elettroni alle molecole nell’aria circostante, rendendo l’atmosfera ionizzata impenetrabile alle comunicazioni radar per alcuni minuti su un raggio che può raggiungere anche i 400 chilometri.

Come si gestiscono a livello politico e di opinione pubblica delle armi dal potenziale distruttivo così elevato?

(Continua)

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