Energía

energía nuclear - bombas nucleares :
Una bomba atómica es un dispositivo que obtiene una gran cantidad de energía explosiva conreacciones nucleares. Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadenadescontrolada. Se encuentra entre las denominadas armas de destrucción masiva y su explosión produce una distintiva nube con forma de hongo. La bomba atómica fue desarrollada porEstados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial gracias al Proyecto Manhattan, y es el único país que ha hecho uso de ella en combate (en 1945, contra las ciudades japonesas deHiroshima y Nagasaki).- ............................................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=b9939419676c9c5b8d38a0cfc6fab556f1102381&writer=rdf2latex&return_to=Bomba+at%C3%B3mica

QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA UNA BOMBA NUCLEAR

MUCHAS veces hemos visto en el cine o en la televisión las imágenes sobrecogedoras de un ensayo nuclear sobre la superficie terrestre en que poco a poco se forma y asciende el característico hongo de polvo y humo. Hemos oído decir que el poder destructor de cada bomba nuclear es 1 000 000 de veces mayor que el poder destructivo de un explosivo químico, como serían la dinamita o el TNT. Podríamos, con todo derecho entonces, imaginarnos que una bomba nuclear ha de ser inmensamente voluminosa y pesada. Y la realidad es todo lo contrario: el combustible explosivo de una bomba de fisión tiene una masa alrededor de los 10 kilogramos y es del tamaño de una pelota de béisbol. ¿Cómo es posible que algo así de pequeño tenga tanto poder? ¿De qué manera se puede esconder dentro de una pelota de béisbol toda la energía que hemos visto liberarse y transformarse en luz, calor y polvo transportado a las alturas?

La respuesta a esta pregunta es simple. La materia está compuesta de unidades llamadas átomos que tienen en su centro un núcleo capaz de liberar, bajo ciertas condiciones, una cierta cantidad de energía. La energía que cada núcleo puede liberar es pequeñísima comparada con las energías que conocemos en nuestra vida diaria. Por ejemplo, cada núcleo de uranio dentro de la bomba lanzada contra Hiroshima emitió una cantidad de energía equivalente a la que un aparato de radio de transistores necesita para funcionar durante una cien millonésima de segundo. Dicho de otra forma, se necesitarían unos cien millones de núcleos de uranio emitiendo energía ordenadamente para que nuestro receptor —suponiendo que la pudiera aprovechar en un 100%— funcione durante un segundo. Pero si la energía que cada núcleo puede liberar es tan poca, ¿cómo resulta una bomba tan poderosa? Esto se debe a que los átomos son unidades tan pequeñas que hay muchísimos en cada gramo de materia. Por ejemplo, un gramo de uranio tiene tantos átomos que el número de ellos requiere escribir un 3 seguido por 21 ceros. Recordando el ejemplo del radio de transistores, ahora podemos calcular cuánto tiempo funcionaría nuestro aparato si un gramo de uranio liberara su energía. El resultado es... 1 000 000 de años.

La energía almacenada en los núcleos de los átomos se llama energía nuclear. El ejemplo del aparato de radio nos enseña que si la energía es extraída lenta y controladamente de los núcleos, resulta ser muy útil. Éste es el principio de operación de un reactor nuclear. Sin embargo, hay otro modo de liberar la energía de los núcleos, y esto es hacerlo de manera rápida y violenta. Regresando al ejemplo, en vez de usar la energía nuclear durante mucho tiempo, podríamos lograr que todos los núcleos de un gramo de uranio liberaran su parte al mismo tiempo. La energía sería tanta que el proceso será una explosión tan potente como la de 17 mil kilogramos de TNT. Esto se consideraría como una explosión nuclear relativamente débil. La bomba detonada sobre Hiroshima fue unas mil veces más potente, ya que liberó tanta energía como la explosión de 13 mil toneladas de TNT.

La energía que cada núcleo de uranio libera cuando explota una bomba proviene de su rompimiento (fisión) en núcleos más livianos. Por este motivo, a las bombas nucleares que utilizan como material combustible núcleos de elementos pesados se las llamabombas de fisión (también se las conoce como bombas atómicas o bombas A). Cada vez que un núcleo de uranio se fisiona se forman dos fragmentos de aproximadamente la mitad de la masa original, más dos o tres partículas livianas llamadas neutrones. Los neutrones, junto a los protones, son los constituyentes habituales de todos los núcleos. El uranio tiene 92 protones y 143 neutrones. Durante cada fisión algunos de los neutrones quedan libres y el resto, junto a todos los protones, pasan a formar el par de fragmentos. Este proceso de fisión ocurre de modo espontáneo, pero muy lentamente. Para poderlo aprovechar, ya sea en reactores o en bombas, hay que "ayudar" al uranio a romperse. Esto se consigue lanzando algunos neutrones, ya que al chocar con los núcleos de uranio los rompen y comienza la liberación de energía.

Podemos imaginarnos lo que ocurre adentro de un trozo de uranio: alguno de los neutrones enviados del exterior choca contra un primer núcleo de uranio, lo fisiona produciendo dos fragmentos y dos o tres nuevos neutrones que se alejan rápidamente del lugar, hasta que chocan, cada uno contra un núcleo de uranio, que a su vez se fisiona liberando dos o tres nuevos neutrones. Así se desarrolla una reacción en cadena, en que se tienen cada vez más fisiones debido a que cada una produce más de un neutrón libre. Existen mecanismos que pueden hacer "desaparecer" algunos de los neutrones, por ejemplo si algún núcleo diferente al fisionable los absorbe o si simplemente se escapan del material. Para que las fisiones continúen, a pesar de las pérdidas de neutrones, debe haber en todo momento un número suficiente de neutrones. Esta condición, que depende del tipo de núcleo que se va a fisionar (no sólo sirve el uranio, sino también otros como el plutonio), de la forma y tamaño del aparato diseñado, y del material que rodea al combustible, define una masa crítica. Una masa crítica de combustible es la mínima que mantiene la reacción en cadena, y una bomba necesita una masa mayor que la crítica. Se opina que masas de un kilogramo del uranio fisionable (se le llama uranio 235) serían suficientes para construir una bomba, si se cuenta con un excelente diseño. Un kilogramo de uranio es una esfera de cinco centímetros de diámetro, ¡el tamaño de una pelota de ping-pong!

El material que se usa como elemento fisionable de una bomba debe ser de alta pureza para aumentar la energía liberada y minimizar las pérdidas de neutrones. El uranio 235 es muy escaso en la naturaleza; en las minas de uranio solamente 0.7% de todo el uranio es del tipo 235, apropiado para reacciones de fisión. Para construir una bomba se necesita enriquecer el combustible hasta valores cercanos a 95%. Éste fue el gran problema técnico durante la construcción de las primeras bombas. Por otro lado, en un reactor nuclear, en que las fisiones ocurren de modo lento y controlado, no se necesita tener un enriquecimiento tan alto del combustible nuclear y generalmente éste no sobrepasa el 3%. Ésta es la razón (además del diseño) por la cual un reactor nuclear no podría explotar como una bomba.

Hacer que una bomba de fisión explote es relativamente simple. Una vez que se tiene cantidad suficiente de material fisionable como para sobrepasar la masa crítica se forman dos semiesferas que deben mantenerse separadas hasta el momento de la explosión. La explosión ocurrirá apenas las semiesferas se junten y algún neutrón inicie la reacción en cadena. Una fuente de neutrones externa actúa como iniciador de la detonación. La bomba de uranio 235 lanzada sobre la ciudad de Hiroshima fue del tipo "cañón". Consistía de un mecanismo de disparo, contenido adentro de la bomba, que lanzó una masa contra la otra a una velocidad de algunos kilómetros por segundo.

Figura 1. Diseño simplificado de una bomba tipo "cañon", como la que se utilizó en Hiroshima. El explosivo químico, al detonar, lanza una masa contra la otra, logrando que se forme la masa crítica necesaria para mantener la reacción en cadena. 

Cada masa por separado era inferior a la masa crítica y apenas se juntaron, la bomba explotó. El diseño era tan simple (figura 1) que nunca antes fue probado. En cambio, la bomba lanzada contra Nagasaki usaba plutonio 239 como combustible y el diseño tuvo que ser mucho más elaborado. Este núcleo emite muchos neutrones con espontaneidad y se corría el riesgo de que la bomba empezara a detonar antes de estar totalmente formada. La primera explosión nuclear, llamada Trinity, y que ocurrió un mes antes de Hiroshima en un terreno de pruebas en Los Álamos, fue el ensayo del mecanismo de ensamblaje que se usó en Nagasaki. La razón para usar bombas de plutonio en vez de uranio es la facilidad para conseguir el combustible. El enriquecimiento del uranio es un proceso difícil y costoso; en cambio, el plutonio para las bombas se produce en reactores nucleares especialmente diseñados y operados para tales fines.

Este tipo de bombas era todo lo que se tenía hasta 1952, año en que los Estados Unidos lograron producir un artefacto basado en otro proceso nuclear, igualmente liberador de energía. Este consiste en la fusión de dos núcleos pequeños para formar uno más grande. El mismo proceso emplea el Sol para producir la energía que nos mantiene vivos. Las bombas que lo utilizan se llaman bombas de fusión, pero son más conocidas como bombas termonucleares, bombas H, o bombas de hidrógeno. El primer artefacto termonuclear utilizó dos tipos de hidrógeno como combustible y el mecanismo era tan complicado que el aparato completo más bien parecía un edificio. Posteriormente se empezaron a fabricar con un compuesto de litio, mucho más fácil de manejar. Para que se produzca la fusión de los núcleos se necesitan temperaturas altísimas (de ahí el nombre termonuclear) y durante la explosión de una bomba H es una bomba de fisión la que produce la temperatura adecuada. Siempre una bomba de fusión contiene una de fisión como detonante.

Existe un tipo de bomba termonuclear de poca potencia en que se maximiza la producción de radiación (sobre todo neutrones) respecto de los otros efectos. El principal resultado de su detonación es el daño biológico causado por los neutrones y los rayos gamma emitidos durante la explosión. Se las llama armas de radiación intensificada, más conocidas como bombas de neutrones, y su fabricación por los Estados Unidos desde 1981 ha causado gran polémica. Debido al poco daño físico ("poco" quiere decir destrucción total en un radio de unos 600 metros) que producirían en los alrededores del punto de detonación a causa de su baja potencia, las bombas de neutrones resultan muy atractivas para las autoridades militares, pues se presenta la posibilidad de "solamente" causar víctimas sin destruir ni el equipo militar ni las instalaciones industriales del enemigo. Esto mismo las hace ser armas particularmente inhumanas.

Cada vez que se producen reacciones de fisión, tanto en la explosión de bombas atómicas como termonucleares, los fragmentos en que se rompe el uranio o el plutonio resultan ser núcleos radiactivos. Esto quiere decir que no son estables y para lograr estabilidad deben emitir radiación o partículas. Existen varios mecanismos de emisión radiactiva que se tardan tiempos muy variados, desde fracciones de segundo hasta miles de años en ocurrir.

La intensidad de la radiación emitida disminuye a medida que transcurre el tiempo, dependiendo de la rapidez con que cada núcleo se estabiliza. La consecuencia principal de este hecho es que, incluso mucho tiempo después de la explosión, algunos de los materiales que formaban parte de la bomba seguirán emitiendo radiación de modo espontáneo. La radiación emitida por los núcleos radiactivos es potencialmente dañina para los seres vivos, con efectos biológicos inmediatos y retardados, por lo que las consecuencias de una explosión para la población atacada y su ambiente se extienden durante un largo periodo. 

En la madrugada del 16 de Junio de 1945 tuvo lugar en el desierto de Alamogordo (Nuevo México) la primera explosión nuclear de la historia. Mientras sus colegas del puesto de observación contemplaban el espectáculo, el físico Enrico Fermi dejó caer en el aire unos papelillos para medir su desplazamiento al llegar la onda expansiva.
Vamos a ver como a partir de la medida desplazamiento de un papelito, se puede medir la energía de la explosión de la bomba atómica.
La explosión de una bomba atómica es un fenómeno físico muy complejo, en el que interviene la liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor y radiación de todas las longitudes de onda. Como consecuencia, se producen procesos convectivos en el aire y la materia sólida (polvo) del suelo se levanta en la vecindad de la explosión.
En esta página, se ha elaborando un modelo simple de la explosión atómica que consta de las siguientes etapas:

1. En alguna decena de milisegundos una parte (el 50% aproximadamente) del total de 20 kilotones de energía liberada por fisión se deposita por radiación electromagnética en la masa de aire contenida en un volumen V₀ que es un semiesfera de radio 200 m volviéndose incandescente (la famosa bola de fuego, de color rojo). El rapidísimo calentamiento tiene lugar prácticamente a volumen constante y supondremos que de manera uniforme en todo su volumen.

Podemos calcular la presión p₁ y la temperatura T₁ de esta bola de fuego, conocida la presión atmosférica p₀, la temperatura ambiente antes de la explosión T₀, y el volumen de aire implicado V₀.Supondremos que el aire, incluso en estas condiciones extremas se comporta como un gas ideal.
 
2. Una vez formada la bola se expande adiabáticamente en menos de un segundo hasta que su presión se iguala a la presión atmosférica, p_f=1 atm
.
Calcularemos empleando esta transformación, el volumen final V_f y la temperatura final T_f . CalculadoV_f determinaremos el radio final r_f de la semiesfera (en color rosa).
 
3. Esta rapidísima expansión provoca un desplazamiento del aire (onda expansiva en color azul) situado a distancias mayores que se propaga a la velocidad del sonido v_s.

A partir de este modelo simplificado, se puede calcular el valor de la anchura de la onda expansiva d y por tanto, del desplazamiento de los papelitos en el punto de observación situado a una distancia D del centro de la explosión
Midiendo esta distancia d, Fermi hizo el calculo inverso y dedujo la potencia de la explosión con notable aproximación respecto de la obtenida a partir de las mediciones efectuadas por una compleja red de instrumentos dispuesta en torno al lugar de la explosión.
 
4. El resto del fenómeno es bien conocido: por su baja densidad la bola asciende arrastrando una columna de polvo y materiales vaporizados altamente radioactivos mientras se va mezclando turbulentamente con el aire circundante. Al llegar a la tropopausa se ensancha formando el característico y terrible hongo, que luego deja su maligna siembra radiactiva en los territorios a sotavento de la explosión.

Datos necesarios para resolver el problema

• 1 kilotón =4.18·10¹² J
• Densidad del aire a presión atmosférica y temperatura ambiente 1.0 kg/m³
• Peso molecular del aire 28.9 g/mol
• Temperatura ambiente antes de la explosión 17º C
• Calor específico a volumen constante de los gases diatómicos c_v=5R/2
• Constante R de los gases perfectos R=0.082 atm·l/(K·mol)=8.315 J/(K mol)
• Velocidad del sonido v_s=330 m/s

Fundamentos físicos

Calor recibido o perdido por un cuerpo: Q=m·c·(Tf-Ti). Donde m es la masa (o el número de moles), c el calor específico, Tf es la temperatura final, y Ti la inicialTransformación adiabática: pVg =cte

Primera etapa. Calentamiento a volumen constante

El 50% de los 20 kilotones es la energía que calienta al aire contenido en la semiesfera de radio r=200 m    
Q=0.50·20·4.18·10¹²=4.18·10¹³ J
El volumen de dicha semiesfera es 
Masa de aire contenida en dicha semiesfera 
En un proceso a volumen constante Q=m·c_v·(T₁-T₀)
Si la temperatura ambiente antes de la explosión era de T₀=17 ºC=290 K, después de la explosión es

De la ecuación de los gases ideales, obtenemos la presión final
p₁·V₀=nR·T₁
El número de moles n es el cociente entre la masa y el peso molecular n=m/28.9, tomamos R=0.082 para que la presión p se mida en atm.
p₁=10.7 atm.

Segunda etapa. Expansión adiabática

donde g es el índice adiabático de un gas ideal.

Para un gas ideal diatómico g =7/5.
De la ecuación de la transformación adiabática despejamos el volumen final V_f.
V_f=9.09·10¹⁰ litros
Este volumen corresponde a una semiesfera de radio
r_f=351.4 m.
La temperatura final del aire después de la expansión adiabática, se obtiene aplicando la ecuación de los gases ideales p₀·V_f=nR·T_f
T_f=1911 K

Tercera etapa. Propagación de la onda de choque

La capa semiesférica Vf-V0 origina una onda de choque que se propagará radialmente a la velocidad del sonido. A medida que aumenta el radio r, la capa será cada vez más estrecha.A una distancia r del centro de la explosión, la anchura dde la capa será.

Por ejemplo, si r=10 km, el valor de d será
d=0.12 m

El tiempo t que tarda en llegar los efectos de la explosión al observador será t=r/v_s, donde v_s es la velocidad del sonido. Aproximadamente, t=30.3 s.