Nel 2008 usciva un gioco per la Play Station III generazione: Fallout 3, ovvero “Il futuro post-atomico ci aspetta”. Nel trailer pubblicitario allegre musichette dell’America anni Cinquanta sfumano su panorami di distruzione totale, e una figura cyborg vagamente umana mormora attraverso un respiratore: “La guerra non cambierà mai”.

Infatti la guerra è eterna, come afferma uno dei nostri maggiori autori di genere, Alan D. Altieri nella sua Trilogia di Magdeburg (ispirata alla Guerra dei Trent’Anni). Ma, possiamo aggiungere, si evolve con una velocità incredibile.

La fabbricazione delle bombe atomiche è stata capace di cambiare radicalmente la tecnica bellica, tecnica che ha assunto le caratteristiche di una reazione irreversibile, e la guerra si è evoluta in impresa scientifica: i suoi traguardi rivaleggiano con ogni altro campo di studio. Dai primitivi combattimenti corpo a corpo, con la scoperta della polvere da sparo la strategia militare ha allontanato in termini spaziali e psicologici il nemico dal nemico, riducendone il contatto e quindi l’umanizzazione.

L’ utilizzo della bomba atomica ha annientato il concetto stesso di umanità, parificando il destino futuro dei contendenti in una sorta di suicidio collettivo. Gli ordigni a fissione e fusione atomica costituiscono il sistema più radicale e definitivo per estinguere ogni forma di vita sulla Terra.

 

 

 

 

I) Cenni di chimica nucleare

L’esplosione di un ordigno è una reazione chimica in cui alcune sostanze, a determinate condizioni, passano violentemente da una forma meno stabile a una più stabile. I prodotti di reazione sono associati a una liberazione di energia termica, luminosa e meccanica.

Nel caso di una reazione nucleare, si aggiunge l’emissione di particelle (definite anche raggi o radiazioni): si parla in questo caso di radioattività, termine introdotto dai coniugi Marie e Pierre Curie a seguito di una serie di esperimenti relativi all’emissione di raggi da parte di sostanze quali l’uranio; tali esperimenti portarono a isolare da un campione esaminato di pechblenda (composto di uranio in forma colloidale dispersa) due nuovi elementi fortemente attivi: il polonio e soprattutto il radio.

A) Radiazioni

Le emissioni di particelle (o radiazioni) sono di tre tipi:

Alfa: radiazione corpuscolare di carica positiva. La particella emessa è un nucleo di elio (He); ha massa relativamente elevata e una velocità del 5-7% di quella della luce. La radiazione è scarsamente penetrante perché le particelle alfa interagiscono profondamente con la materia, provocando un’intensa ionizzazione, e procedono perciò nell’aria solo per un breve intervallo. È  sufficiente un foglio di carta per arrestarle completamente.

Beta: radiazione corpuscolare di carica positiva o negativa. La particella emessa ha una massa piccolissima (elettrone o positrone) e una velocità vicina a quella della luce; la radiazione è mediamente penetrante e di conseguenza scarsamente ionizzante. Le particelle beta vengono arrestate da lamine metalliche spesse pochi millimetri. Se assorbite dall’uomo sono dannose per la pelle e, soprattutto, per gli occhi. Se l’assorbimento avviene invece all’interno dell’organismo, le lesioni che vengono provocate sono molto gravi.

Gamma: onda elettromagnetica, spesso collegata a emissioni alfa o beta quando, in seguito a queste ultime, il nucleo dell’atomo è in stato eccitato (perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora raggiunto la condizione di equilibrio). Emettendo una radiazione gamma, elettricamente neutra, il nucleo si libera rapidamente del surplus energetico. Questi raggi sono altamente penetranti e vengono arrestati solo da notevoli spessori in piombo o altro materiale a elevata densità. La particella emessa è un fotone ad alta energia.

B) Radioattività naturale

Il nucleo atomico è una struttura estremamente stabile, anche se in natura esistono elementi che si “disintegrano” spontaneamente. In questo caso si parla di radioattività naturale. Il nucleo atomico di ciascun elemento possiede una massa atomica A, composta da un numero fisso Z di protoni (particelle positive) chiamato numero atomico − che determina le proprietà chimiche −, e un numero variabile A-Z di neutroni (particelle neutre); Z diversi caratterizzano elementi diversi, atomi con Z identico e A-Z diverso (diverso numero di neutroni) si dicono invece isotopi di un determinato elemento.

Per esempio, il carbonio contiene nel suo nucleo 6 protoni (Z = 6), ma può variare in numero di neutroni (A-Z): il carbonio-12 (A = 12) ne possiede 6, il carbonio-14 (A = 14) ne possiede 8; ambedue sono esempi di isotopi del carbonio, condividono pertanto le stesse proprietà chimiche pur differendo in quelle fisiche (il secondo è più pesante). Il carbonio (C) ha 15 isotopi conosciuti, dall’8C al 22C, due dei quali (12C e 13C) sono stabili. Solo tre isotopi (12C, 13C e 14C) possono essere trovati in natura, tutti gli altri sono prodotti artificialmente.

Alcuni isotopi naturali hanno nuclei instabili, e si trasformano in altri isotopi (sia dello stesso elemento che di elementi diversi) emettendo delle particelle. In questo caso si parla di isotopi radioattivi. Ogni emissione di particelle con successiva trasformazione viene indicata come decadimento.

L’uranio naturale è costituito al 99,3% di uranio-238 e per lo 0,7% di uranio-235, di maggior interesse per l’ottenimento dell’energia atomica. Assieme al torio-232 costituiscono i cosiddetti radioattivi naturali primari da cui si origina una serie radioattiva naturale.  Quella dell’uranio-238 è la seguente: uranio-238 >torio-234 > protoattinio-234 >uranio-234 >torio-230 >radio-226 >radio (Em)-222 >polonio-218 >>…piombo-206 (stabile).

La radioattività naturale prevede emissioni alfa e beta. Tutti gli isotopi artificiali sono radioattivi.

Unità di misura della radioattività

Lo strumento più noto per la misura della radio-attività è il contatore Geiger. L’attività di una sorgente radioattiva si esprime, nel Sistema Internazionale, in becquerel (Bq)

Becquerel (Bq): unità di misura SI che esprime il numero di decadimenti di un materiale radioattivo nell’unità di tempo. 1Bq equivale a un decadimento al secondo. E’ omogenea alla frequenza, che di esprime in Hz.

Gray (Gy): unità di misura del Sistema Internazionale (SI) che esprime la dose assorbita dalla materia a seguito dell’esposizione a radiazioni ionizzanti. 1 Gy corrisponde a una dose di 1 J kg-1

Sievert (Sv): unità di misura SI che esprime la dose equivalente di radiazione, ovvero il danno provocato nell’uomo dai vari tipi di radiazioni ionizzanti. Oltre i 6 Sv la sopravvivenza tende allo 0%.

Rad: la quantità di radiazione che deposita 100 erg di energia in un grammo di materia. (non SI)

Roentgen (R) è definito come la quantità di radiazione X o gamma che produce in un campione di aria di 1ml a 0°C e 1 atm.
Es: Un orologio luminoso produce circa 5 milliroentgen (mR) per anno; una radiografia produce circa 500 mR.
Il Roentgen è riferito solo a radiazioni X e gamma.

Curie (CI) è l’unità standard più vecchia, e corrisponde a 3700 * 1010 disintegrazioni nucleari per secondo (non più usata).

Rem:  Roentgen equivalent man. unità di misura obsoleta, 1 Rem è la dose equivalente ad una dose assorbita di 1 rad. Nel Sistema Internazionale è stato sostituito dal sievert con la conversione:

La Dose Letale 50 %, LD50, è la misura della dose necessaria per uccidere il 50 % della popolazione.Per le radiazioni che investono il corpo umano il valore dell’ LD50 varia da 250 rem a 450 rem. Per dosi di circa 50 rem la probabilità di morte istantanea è molto bassa, tuttavia si possono avere conseguenze nel tempo (leucemie, cancro, ecc..). Il valore di fondo della radioattività naturale a livello del mare è di circa 0.1 rem per anno.

C) Radioattività artificiale e reazioni nucleari indotte

È possibile rendere radioattivo un elemento stabile alterandone la struttura nucleare. Questo può avvenire con reazioni di fissione o di fusione, il cui scopo primario è liberare e rendere sfruttabile l’energia di legame contenuta nel nucleo (energia nucleare). 

Alcune unità di misura

Kiloton (Kt): unità di misura non SI. 1Kt = mille tonnellate di tritolo.

Megaton (Mt): unità di misura non SI, che esprime la quantità di energia prodotta da un’esplosione. 1Mt = un milione di tonnellate di tritolo.

Reazioni di fissione nucleare

Le reazioni di fissione − ovvero rottura – nucleare, vengono provocate bombardando nuclei stabili con particelle elementari o con fotoni; nei reattori nucleari le particelle utilizzate sono neutroni nuclei di idrogeno), detti veloci o lenti in base alla loro energia cinetica. Gli atomi degli elementi irradiati (generalmente uranio e plutonio) si trasformano in isotopi radioattivi emettendo raggi gamma ed energia essenzialmente termica, che nelle centrali viene recuperata attraverso un sistema di refrigerazione e poi convertita in energia elettrica. Qui un video esplicativo molto semplice.

 

Nelle centrali nucleari, i neutroni veloci vengono rallentati ponendoli in collisione con atomi di sostanze con le quali hanno scarsa tendenza a reagire, chiamati moderatori: sono stati utilizzati grafite e acqua pesante (D2O), ma attualmente nella maggior parte dei casi si usa semplice acqua. Da ogni atomo che si scinde, si libera un numero variabile di neutroni (2 o 3), che a loro volta possono innescare altre fissioni: si ottiene così una reazione a catena che, se non mantenuta sotto controllo come invece avviene nei reattori nucleari (o pile atomiche), è capace di liberare in un ordine di tempo misurabile in microsecondi una quantità di energia esprimibile in miliardi di kilocalorie, ovvero un’esplosione nucleare.

Reazioni di fusione nucleare o reazioni termonucleari

Le reazioni di fusione nucleare costituiscono un altro modo per liberare e sfruttare l’energia nucleare: in questo processo, due (o più) nuclei leggeri vengono uniti per formare un singolo nucleo pesante. La quantità di energia che si sviluppa è assai maggiore di quella prodotta da una fissione. Il procedimento più conveniente in termini energetici sembra essere la fusione tra deuterio e tritio (isotopi dell’idrogeno); per innescare la reazione sono però necessarie temperature elevatissime, raggiungibili peraltro utilizzando reazioni di fissione. A tutt’oggi le centrali nucleari a fusione sono ancora in fase di sperimentazione (es. progetto ITER), mentre il processo ha avuto la sua realizzazione pratica con le bombe all’idrogeno, o bombe termonucleari.

II) Ordigni nucleari

PRIMA GENERAZIONE: Bomba A (fissione)

La bomba A è un ordigno atomico a fissione, utilizzato per la prima volta durante la Seconda Guerra Mondiale, su Hiroshima (“Little Boy”, circa 13 Kt ) e Nagasaki (“Fat Man”, circa 22 Kt), costituito da un nocciolo di materiale radioattivo, generalmente uranio arricchito (U-235 in maggiore percentuale, U-238 in minore percentuale) o plutonio-239. Per impedire fuoriuscite di neutroni, il nocciolo è rivestito da un guscio protettivo di metallo pesante. La detonazione può avvenire in due modi:

A) detonazione a blocchi separati (gun-triggered fission bomb)

Il nocciolo è formato da uranio arricchito diviso in più masse sub-critiche (generalmente due): infatti, una quantità di uranio pari alla sua massa critica (quantità minima di sostanza fissile capace di innescare una reazione a catena) è estremamente instabile e quindi difficilmente gestibile. Come innesco viene utilizzato esplosivo convenzionale, che scaglia un proiettile di uranio contro un blocco, sempre di uranio, dove è collocata una sorgente di neutroni detta iniziatore (generalmente formata da polonio e berillio). Si ottiene così il raggiungimento di una massa totale definita supercritica. Contemporaneamente, l’urto attiva l’iniziatore che comincia a bombardare tale massa con un numero elevatissimo di neutroni, innescando la reazione a catena. La bomba Little Boy seguiva questo procedimento. Questo tipo di arma nucleare è attualmente considerato obsoleto. I pochi modelli fabbricati sono stati, almeno ufficialmente, smantellati.

B) detonazione a implosione

Il nocciolo è formato da plutonio-239 (in quantità assai minori rispetto all’uranio del sistema precedente), in forma di sfera cava rivestita da vari strati di metalli, esplosivo tradizionale e detonatori. Al centro della sfera è collocato l’iniziatore. L’esplosione dei detonatori provoca un’onda d’urto circolare e concentrica, tale da comprimere il polonio modificandone la concentrazione − con conseguente raggiungimento della massa supercritica − e da attivare l’iniziatore; si innesca così la reazione a catena.

La bomba Fat Man seguiva questo procedimento, molto più efficace del precedente anche se più complesso nella realizzazione. Questo tipo di arma nucleare è stato successivamente raffinato fornendo modelli più efficienti.

SECONDA GENERAZIONE: Bomba H (fissione-fusione)

La bomba H, o bomba all’idrogeno o superbomba, è un ordigno termonucleare (il termine si riferisce alle alte temperature necessarie per avviare la fusione), prevede cioè un processo di fusione abbinato a più processi di fissione, in sequenza velocissima. Il tipo più classico è il modello Teller-Ulam (10 Mt), progettato da Edward Teller e Stanislaw Ulam.

Il principio su cui si fonda il funzionamento di questo modello prevede l’utilizzo di un aggancio in stadi concatenati delle varie componenti esplosive, ciascuna delle quali fornisce energia alla successiva. Abbiamo quindi una sezione sferica primaria costituita da una bomba a fissione implosiva (trigger), e una sezione cilindrica secondaria (staging) costituita da: litio deuterato solido (LiD) come carburante di fusione (fusion fuel); uno spesso scudo di uranio-238 come schermo-tampone (tamper) che serve soprattutto a “trattenere” il nocciolo per il tempo necessario alla reazione; un tubo cavo di plutonio-239 come candela di accensione (sparkplug); il tutto è immerso in una schiuma polistirenica.

Il meccanismo d’azione è assai complesso. Semplificando al massimo, si può dire che:

1) la bomba a implosione (fissione) produce altissime quantità di energia termica, la quale provoca un aumento di pressione sul cilindro di uranio-238, frammentandolo e comprimendo il LiD;

2) si avvia un processo di fissione addizionale nel tubo di plutonio-239 con emissione di neutroni che, urtando il deuterato, provocano la formazione di tritio.

3) inizia a questo punto il processo di fusione (del tritio), con liberazione di una quantità enorme di energia, alla quale si somma quella derivante dalla fissione indotta nei frammenti di uranio-238 del cilindro.

4) il risultato è un’esplosione nucleare dell’ordine di 10 Mt in 600 miliardesimi di secondo.

Il primo ordigno di questo tipo è stato “Ivy Mike” (10,4 Mt, test americano del 1952). Risultati migliori sono stati ottenuti con “Castel Bravo” (15 Mt, test americano del 1954). La più potente bomba termonucleare mai fatta esplodere è la “Tzar Bomb” (57 Mt, test sovietico del 1961).

Nel 1968 inizia negli USA la produzione della B61, la principale arma termonucleare americana. Questo modello ha dato origine a una vera e propria famiglia di ordigni atomici.

Le maggiori potenze industriali mondiali, dotate di arsenali nucleari ben sviluppati, dispongono di armi termonucleari a due stadi, che sono l’opzione più compatta, scalabile e conveniente una volta costruite le infrastrutture necessarie.

Bomba al Cobalto (fissione-fusione)

La bomba al cobalto, o bomba gamma, appartiene alla categoria delle bombe termonucleari dette salted bombs (bombe “ai sali”) ed è una bomba a idrogeno con una “giacca” di cobalto; soprannominata “the Doomsday Device” (dispositivo del Giorno del Giudizio), è stata ipotizzata dal fisico nucleare Leo Szilard nel 1950 come esempio di arma nucleare capace di distruggere la Terra. Il progetto riprende lo schema delle bombe a fissione-fusione-fissione, ma in questo caso il tamper è costituito da cobalto-59 non radioattivo, che viene trasformato nel suo isotopo radioattivo cobalto-60, a sua volta oggetto di decadimento beta con produzione di nichel-60 in stato eccitato. Il nichel raggiunge poi il suo stato energetico minimo (cioè si stabilizza) con emissione di radiazioni gamma.

La differenza sostanziale rispetto alle precedenti armi nucleari è nel fall-out (ricaduta di materiale radioattivo): le scorie radioattive – e il loro ingente carico di raggi gamma – oltre a coprire distanze impressionanti dall’epicentro esplosivo (anche 100 km), rimarrebbero sul suolo per un periodo di tempo lunghissimo.

Questa bomba è stata ideata allo scopo di produrre il peggior fall-out radioattivo possibile, e rientra nel novero delle “bombe sporche”, ovvero armi radiologiche (radiological dispersal device) che combinano materiale radioattivo a effetto nocivo “lento” con esplosivo convenzionale a esito letale immediato.

 

 

 

 

 

Bomba N (armi ER, enhanced radiation bombs) – fissione-fusione

La Bomba N o Bomba ai Neutroni, ideata dal fisico Samuel Cohen, è una piccola bomba termonucleare nata come arma “tattica” e riferibile a una logica militare diversa: permette di distruggere l’avversario senza causare un inquinamento radioattivo particolarmente elevato o danni devastanti al territorio. Al contrario delle altre bombe atomiche, nelle quali i neutroni del nocciolo vengono trattenuti il più possibile, in questo caso vengono emessi neutroni veloci ad alta diffusione, capaci di penetrare attraverso elevati spessori. Infatti, i neutroni sono elettricamente neutri e quindi attraversano senza danni la materia inorganica (a eccezione dei circuiti integrati dei processori), ma provocano mutazioni e/o rotture nel DNA generalmente letali per la materia organica. Natiralmente questo solo in teoria: in pratica, i danni collaterali alle strutture sono notevoli sebbene inferiori a quelli di altri ordigni nucleari.

L’utilizzo di una bomba N provoca l’uccisione a vasto raggio di tutti gli organismi biologici, consentendo però il recupero di materiale bellico, complessi industriali ecc. Tali caratteristiche rendono questo ordigno particolarmente adatto nell’attacco a strutture metalliche o interrate: carri armati, bunker, rifugi sotterranei, edifici, navi, aerei ecc. Può avere un fallout che si risolve in tempi brevissimi.

“Suitcase nuke”

Le “bombe portatili” sono ordigni atomici di piccole dimensioni (60x40x20 cm circa) la cui testata è formata da un tubo contenente due blocchi di uranio che, se uniti, esplodono. Un detonatore e un dispositivo a codice completano il “kit”.  L’utilizzo di queste bombe non è prettamente militare ma piuttosto terroristico: sebbene il loro effetto non sia paragonabile a quello di armi nucleari con potenza dell’ordine di megaton, esse conservano una capacità distruttiva assai maggiore rispetto agli esplosivi tradizionali, soprattutto per la grande quantità di radiazioni emesse.

 

Inizialmente le suitcase nuke furono costruite per il KGB durante la Guerra Fredda, ma l’esempio sovietico fu subito seguito dagli Stati Uniti.

 

Le armi a fusione pura sono oggetto di studio.

TERZA GENERAZIONE: Progetto RRW: le “nuove” testate nucleari

Nel 1960 i missili balistici sostituiscono i bombardieri: la maggior parte delle bombe multi-megaton sono state sostituite da testate termonucleari ridimensionate a un megaton o meno. Il “Reliable Replacement Warhead” è un progetto varato negli USA da DOE (Department of Energy) e DOD (Department of Defense) nel 2004 con lo scopo di rinnovare le scorte di armi nucleari, progetto poi dismesso da Barak Obama nel 2009.

All’inizio del terzo millennio, l’arsenale atomico americano è composto per circa un terzo da ordigni W76 (testate termonucleari da 100 Kt), i più vecchi dei quali hanno raggiunto i trent’anni di vita: praticamente la fine del loro ciclo operativo, a causa del decadimento radioattivo del nocciolo. Le W76 nascono durante la guerra fredda nei laboratori di Los Alamos (New Mexico), e nel 2004 sono stoccate in vari depositi e sui sottomarini nucleari: secondo il progetto del governo Bush  sarebbero dovute essere sostituite entro il 2012 da una nuova testata atomica, la RRW1, che funziona come ogni altra bomba a fissione-fusione. Questa proposta suscita però varie critiche; molti osservatori (per esempio il JASON, formato da scienziati indipendenti) mettono in dubbio la necessità di produrre nuovi ordigni nucleari, considerando che il decadimento del nocciolo di plutonio è in realtà più lungo di quello stimato: almeno un secolo. Inoltre, le “vecchie” W76 possono essere sottoposte a procedure di rigenerazione, già in corso. La NNSA (Nuclear National Security Administration), divisione del DOE, presenta invece varie motivazioni pro RRW: la scarsa necessità di ulteriori test atomici, poiché il RRW1 è basato su armi ampiamente testate, la possibilità di usare materiali meno tossici e di inserire migliori sistemi di sicurezza, di diminuire i rischi connessi alla “riparazione” dei vecchi ordigni. Inoltre, queste nuove testate sono più piccole e più facilmente controllabile la loro direzione, nell’ottica di poterle usare in un campo di battaglia.

Le implicazioni politico-socio-economiche che ruotano attorno al RRW Project sono ovviamente enormi, ma ciò che colpisce sono alcune posizioni degli addetti ai lavori di quel periodo: il concetto di una bomba nucleare quasi ecologica, con la possibilità di “eliminare un processo di fabbricazione che produce il 96% di scorie tossiche radioattive” [Bruce Goodwin, direttore del Livermore Laboratory, vincitore dell’appalto], come se quelle liberate dopo un’esplosione nucleare fossero trascurabili, si pone in una logica piuttosto inquietante.

Accanto alla RRW1 sembra fosse all’esame la realizzabilità di un progetto RRW2, ottimale per il lancio dagli aerei, per sostituire la W78, altro “vecchio” ordigno in uso, e le W80. E forse, nell’ottica di un necessario deterrente “forte” nel quadro del riarmo mondiale, ne seguiranno altre; in fin dei conti è lo stesso John Harvey, direttore della pianificazione della NNSA, a dire che scienziati e ingegneri vanno tenuti in esercizio.

 

 

 

 

 

E la Quarta Generazione di bombe nucleari? Esiste già, ma richiede un capitolo a parte, perchè l’argomento è complesso e, ovviamente, chi le sta progettando, fabbricando e usando è un po’ restio a parlarne.