¿Cómo funciona una bomba atómica?

Por más desprecio y desaprobación que tengamos hacia la guerra y cualquier tipo de acto bélico, el hecho de que la bomba atómica es uno de los dispositivos más brillantes y devastadores concebidos por el ser humano, y que por ende es verdaderamente interesante, es algo innegable. Ojalá nunca se hubiese mal empleado el trabajo de tan grandes científicos, ojalá nunca se hubiesen utilizado estas bombas y ojalá nunca volvamos a caer en la estupidez de utilizarlas, pero no podemos ser tan hipócritas como para negar el extraordinario esfuerzo científico y tecnológico detrás de este complejo dispositivo. Conozcamos algunos detalles sobre la bomba atómica y su funcionamiento.

Una bomba atómica es un dispositivo explosivo que libera una enorme cantidad de energía a través del proceso de fisión nuclear. Esto no debe confundirse con la fusión nuclear, lo que sucede en un hidrógeno o bomba termonuclear. Una bomba atómica utiliza un explosivo convencional para comprimir un núcleo radiactivo hecho de uranio o plutonio. Esto es lo que pasó en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki durante la Segunda Guerra Mundial.

"Little Boy" lanzado sobre hiroshima

"Fat Man" detonado sobre Nagazaki

¿Qué hay en unas pelotas de metal pulido y una bolsa de polvo blancuzco para que sean capaces de aniquilar una gran ciudad?

La gente suele tener dos reacciones cuando observa por primera vez las tripas de un arma termonuclear, no necesariamente excluyentes entre sí. La primera es el sobrecogimiento: hasta el más zoquete intuye que no se halla ante una cosa corriente, sino ante un poder inquietante, asombroso y letal. La segunda es la decepción, porque aquello tiene las pintas de una poca chatarrería como la que podrías encontrar en cualquier garaje. Cuencos, tubos y aros de metal pulido. Moldes de una especie de gel amarillento, que recuerdan vagamente a las formas de un balón de fútbol. Otros, de poliestireno (sí,poliestireno común). Y los consabidos cables y circuititos electrónicos. Todo lo cual cabe perfectamente encima de una mesa cualquiera.

Fisión.

El corazón de un arma nuclear moderna es tan solo una esfera hueca de plutonio-239 supergrade al 99% o más, normalmente envuelta en otra concéntrica de berilio. Si es un arma muy avanzada, contendrá menos de tres kilos de plutonio; con lo denso que es, eso te cabe en el puño aunque seas de manos pequeñas. Hueca y todo, no es más grande que una bola de petanca. Si fuera de mediana tecnología, serán unos cuatro o cinco kilos y un poco mayor, como una pelota de voleibol. La bomba de Nagasaki usó 6,2 kg.

Todas estas cifras son inferiores a la masa crítica del plutonio-239 a temperatura y densidad corrientes, que es de aproximadamente diez kilos. Recuerda esto de la temperatura y densidad, porque va a ser importante. ¿Y qué es esto de la masa crítica? La masa crítica es la cantidad de material fisible –normalmente uranio-235 o plutonio-239– necesaria para que éste inicie una reacción en cadena espontánea. Vamos a ver qué es esto de la reacción en cadena.

Todas las sustancias radioactivas son inestables. Esto quiere decir que sus átomos tienden a emitir energía –la radioactividad propiamente dicha– en forma de ondas y partículas (¿recuerdas los fundamentos de mecánica cuántica?). Algunas sustancias, además de radioactivas, son fisionables. Es decir, que los núcleos de sus átomos son tan grandes e inestables que pueden partirse con facilidad y de hecho lo hacen; por ejemplo, el uranio-238 o el plutonio-240. Cuando el núcleo de un átomo se parte, se convierte en núcleos más pequeños y libera energía como estas ondas y partículas.

Qué es lo que hace que un núcleo fisione, es decir, se rompa? No gran cosa. Ocurre constantemente en la naturaleza, por simpleprobabilidad cuántica o cualquier estímulo exterior. Los núcleos grandes e inestables tienden a romperse y, según una determinada probabilidad, lo hacen a todas horas. Por ejemplo, la mayor parte del uranio existente en la naturaleza ha fisionado ya a lo largo de los últimos miles de millones de años, y por eso es tan raro en la actualidad. Esto se llama fisión espontánea, y va ocurriendo a su ritmo. En la imagen de la derecha, un núcleo de uranio-235 absorbe un neutrón, se convierte en uranio-236 altamente inestable y fisiona en dos elementos nuevos, kriptón-92 y bario-141 (sí, como en la transmutación de los alquimistas). Al hacerlo, libera varios neutrones más y una cantidad importante de energía en forma de radiación.

Algunas sustancias en particular, además de radioactivas y fisionables, son fisibles. Fisible significa que fisionan intensamente y además de una manera especial. Lo hacen fragmentándose en núcleos mucho más pequeños y emitiendo neutrones rápidos, muy energéticos (como el núcleo de U-235 de la imagen). Tan energéticos, que desestabilizan rápidamente los demás átomos que haya alrededor. Entonces, estos resultan estimulados para fisionar también, y así una y otra vez, en una reacción en cadena que se va amplificando cada vez más. Los dos elementos más fisibles del universo conocido son el uranio-235 y el plutonio-239. Por eso son los que se usan como combustible en las centrales nucleares. Y como explosivo en las armas atómicas.

Sin embargo, la reacción en cadena se interrumpe rápidamente si no hay bastante material alrededor. Esto se debe al sencillo hecho de que los átomos de la materia están enormemente separados entre sí –la inmensa mayoría de lo que ven tus ojos y tocan tus manos es espacio vacío, aunque no lo parezca–. Por ello, la mayor parte de los neutrones que surgen en estas fisiones espontáneas no llegan a alcanzar otros núcleos fisibles y se pierden hacia el exterior en forma de radiación neutrónica. Es preciso acumular una cierta cantidad de material para que haya muchos núcleos fisibles por todas partes, la probabilidad de que los neutrones alcancen alguno de ellos aumente y la reacción se mantenga a sí misma.

Esto es la masa crítica: la cantidad de material fisible que necesitas acumular para que se produzca una reacción en cadena sostenida. Cuando usas uranio-235, esta cantidad es de 52 kilos. Usando plutonio-239, es de sólo diez kilos. Por eso, las bombas de plutonio son mucho más pequeñas y ligeras que las de uranio, lo que facilita su uso militar práctico. A la izquierda, vemos una masa subcrítica (arriba) donde la mayor parte de los neutrones escapan; una masa crítica (al medio) donde hay reacción en cadena sostenida; y una masa también crítica (abajo) que, a pesar de ser tan pequeña como la primera, está envuelta en un reflector neutrónico (como el berilio) y eso le permite alcanzar criticidad.

Porque, ¡un momento! Hemos dicho que una bomba de plutonio usa 6,2 kg en sus versiones más primitivas y menos de tres en las modernas. Entonces, ¿cómo puede producir una de estas reacciones en cadena? ¡No hay material suficiente!

Aquí radica, precisamente, la genialidad de un arma de fisión. Sí, es genialidad, qué demonio. Por no contener suficiente material para producir una reacción en cadena sostenida, la bomba es segura por completo en condiciones ambientales normales. Puedes usar la pelota de plutonio como bala de cañón y no pasará gran cosa; sólo causarás un poco de contaminación por los alrededores, más tóxica que radioactiva (el plutonio es muy venenoso).

El plutonio es mejor que el uranio por otra razón. Aunque su procesado metalúrgico resulta mucho más difícil que el del uranio –lo que requiere el uso de tecnologías industriales más avanzadas–, su emisión de neutrones por fisión espontánea es baja. Esto significa que tarda más en iniciar la reacción en cadena, pero cuando lo hace, lo hace más de golpe. Más explosivamente, como si dijéramos.

¿Estamos listos para volar algo serio? Pues vamos allá. Atención, porque va a ocurrir todo en pocos microsegundos:

1. Nosotros nos limitamos a activar los detonadores exteriores del explosivo convencional, y ya no tenemos que hacer nada más. De lo único que tenemos que asegurarnos es de que la detonación sea muy precisa, pues de lo contrario la onda de choque será asimétrica y el material no implosionará perfectamente hacia el centro.
2. El explosivo convencional que envuelve la esfera de plutonio-berilio estalla. La parte de la onda de choque que viaja hacia el interior comprime violentamente la esfera hueca hacia su centro geométrico, aumentando su densidad y temperatura a alta velocidad.
3. El hueco interior desaparece. La esfera es ahora sólida y se está ultracomprimiendo contra la fuente neutrónica interior.

4. Si la bomba está bien diseñada y ejecutada, ocurren cinco fenómenos simultáneamente en menos de un microsegundo:

•  El plutonio se vuelve supercrítico, con lo que ya puede iniciar la reacción en cadena.
•  La fuente neutrónica del centro se activa por temperatura/presión e inunda instantáneamente el plutonio con neutrones rápidos que lanzan la reacción en cadena por todas partes a la vez.
•  La reacción en cadena del plutonio se inicia en avalancha. Comienza a producirse energía.
•  La esfera exterior de berilio rebota los neutrones que intentan escapar de nuevo hacia el interior.
•  Todo esto coincide con el pico máximo de presión ocasionado por la onda de choque del explosivo convencional, con lo que la reacción, en vez de disgregarse, se concentra cada vez más.

5. Se produce una reacción en cadena instantánea de alta energía durante un cuarto de microsegundo. El centro geométrico del arma salta de golpe a estado plasmático, con una temperatura equivalente a cientos de miles de grados centígrados, con lo que la reacción se embala aún más.

6. Estas reacciones producen una violenta oleada de radiación fotónica electromagnética –luz visible, radiofrecuencia, infrarrojos, gamma, rayos X– que escapan al aire circundante a la velocidad de la luz. Se inicia el destello más brillante que un sol. Conforme la funda de berilio termina de desintegrarse durante otro cuarto de microsegundo, se le unen los neutrones rápidos que escapan de las reacciones en cadena en forma de radiación neutrónica.

7. La energía así generada comienza a disgregar el material y supera por muchos órdenes de magnitud la "energía implosiva" producida por el explosivo convencional, que se torna irrelevante en comparación. El plutonio que no ha fisionado todavía se vuelve de nuevo subcrítico y la reacción en cadena se interrumpe.

En menos de cinco microsegundos, el fenómeno ha finalizado y tenemos un cogollo de alta energía ultraconcentrada que se irradia velozmente en todas direcciones; la mayor parte, a la velocidad de la luz. Cuando esto ocurre dentro de la atmósfera, lo que hay en todas direcciones es, fundamentalmente, aire. Este aire absorbe parte de la radiación ultravioleta, parte de la gamma y casi todos los rayos X.

El funcionamiento de la bomba atómica fue ideado en forma teórica mucho antes de que pudiera convertirse en algo real y desde entonces, el desarrollo y perfeccionamiento de la misma ha dado lugar a diferentes variedades, cada vez más poderosas y destructivas. Sin embargo, el poder de estas armas fue empleado con objetivos militares únicamente en dos tristes ocasiones, durante la Segunda Guerra Mundial, en las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

Estos nombres pasaron a la historia como sinónimos de tragedia y marcaron el inicio de un período sumamente oscuro en la historia humana, años en los que el mundo entero vivió con el miedo constante de la aniquilación nuclear, sumido en lo que se llamó la Guerra Fría. Sin caer en las particularidades propias de cada dispositivo en particular, a continuación analizaremos algunos de los aspectos teóricos fundamentales que hacen el funcionamiento de las bombas atómicas y los ataques nucleares.