Dal libro di testo “the effects of nuclear weapons” pag. 13 apprendiamo che la fissione completa di 57 grammi di Uranio produce una potenza esplosiva di un KT (un Kiloton = 1000 tonnellate di tritolo = 10^9 Grammi di tritolo). Cioe’ un esplosivo nucleare ha una potenza esplosiva che, come ordine di grandezza, e’ di circa 17,5 milioni di volte quella del tritolo. Naturalmente non tutto l’Uranio di una bomba e’ sottoposto a fissione e ci sono esplosivi convenzionali molto piu’ potenti del tritolo. Tuttavia la potenza degli esplosivi nucleari non è minimamente confrontabile con quella degli esplosivi convenzionali.
I disegni principali per le bombe nucleari a fissione sono il gun-assembly (utilizzabile per l’Uranio 235) e l’implosione (utilizzabile per il Plutonio 239 o anche per l’Uranio 235). In una bomba a implosione una sfera di materiale fissile viene avvolta da esplosivi convenzionali che la comprimono in maniera simmetrica (la simmetria e’ essenziale!) e generano cosi’ la massa critica. Il termine massa critica e’ improprio nel senso che si tratta di una combinazione di fattori che riguardano la massa e soprattutto la configurazione che da’ la possibilita’ ad una bomba di esplodere con una reazione a catena.
Bomba a Gun Assembly:
Bomba a implosione:
Una bomba a implosione puo’ contenere anche una componente di fusione se aggiungiamo parti di trizio o LiD (deuteruro di litio) dentro al plutonio (vedi sotto).
Una bomba termonucleare utilizza pesantemente la fusione nucleare. Il modello piu’ noto e’ quello di Teller Ulam, dove una bomba a fissione (“esplosivo primario”) fa da “detonatore” nel senso che induce la fusione vincendo la repulsione
elettromagnetica reciproca dei nuclei che vengono “fusi”.
In questo modello la radiazione emessa dal primario viene riflessa dall’involucro esterno di U238, colpisce la camicia di Trizio all’interno che viene sottoposto a fusione e questo produce neutroni energetici che producono successivamente la fissione dell’Uranio 238.
Questa e’ una bomba a Fissione-Fusione-Fissione. La Potenza esplosiva di questa bomba termonucleare (chiamata “superbomba” tra la fine degli anni 40 e I primi anni ’50) puo’ essere praticamente illimitata (basta aumentare il trizio in maniera adeguata). I Sovietici costrurono una bomba di 100 Megaton e ne fecero esplodere una versione ridotta di 50-57 Megaton. Questa fu la cosiddetta “tzar bomb”. Si vedano diversi filmati sulla tzar bomb su youtube.
D’altra parte gli Stati Uniti fecero esplodere nell’atollo di Bikini nel 1954 una bomba di 15 Megaton (operazione Castle Bravo). https://en.wikipedia.org/wiki/Castle_Bravo. Per uno schema della bomba Ulam-Teller si veda: https://nuclearweaponarchive.org/Library/Teller.html
E’ relativamente facile costruire armi nucleari a fissione. Sul problema di come Stati o anche gruppi terroristici possano costruire bombe nucleari a fissione, si vedano le due appendici:
1. Costruire armi nucleari,
2. Most relevant cases of smuggling of fissile material.
In questa seconda appendice si mostra come il trafugamento di materiali fissili dopo la divisione dell’Unione Sovietica sia stato complessivamente, finora, un fenomeno di rilevanza modesta.
La costruzione di bombe termonucleari è invece cosa molto piu’ complessa e di impossibile realizzazione per paesi tecnologicamente poco avanzati o tanto meno per gruppi “terroristici” (sub-state groups).
Si noti che se in una bomba termonucleare si sostituisce l’involucro esterno di U-238 con altro metallo non fissionabile (p.es. Berillio-9) si ottiene una bomba a fissione-fusione, impropriamente detta anche “bomba al neutrone”. In una “bomba al neutrone” la componente di fissione e’ molto minore di quella di una bomba termonucleare. I neutroni prodotti dalla fusione non vengono utilizzati per fissionare l’U238 ma vengono liberati nell’ambiente. Cioe’ una “bomba al neutrone” emette tanti neutroni che danneggiano gli esseri viventi ma non hanno effetti distruttivi sugli edifici in termini di sovrapressione. Tuttavia una “bomba al neutrone” genera anch’essa sovrapressione e onda termica (separatamente dal flusso di neutroni prodotto) e quindi il discorso fatto negli anni 80-90 che una bomba al neutrone avrebbe preservato gli edifici e ucciso gli esseri umani e’ assolutamente fraintendente.
Per quanto riguarda le informazioni sul disegno di una bomba termonucleare ricordiamo che nel novembre 1979 la rivista americana The Progressive pubblico’
lo schema di funzionamento delle armi termonucleari con alcuni interessanti dettagli (http://progressive.org/downloads/2722/download/1179.pdf?cb=c4a7db57c9e999ed5e304327da730ae3
si veda in particolare pag 7-8-9 della rivista). Ci fu una causa legale interessante in cui il dipartimento dell’energia americano cerco’ di impedire, senza riuscirci, la pubblicazione della rivista.
Ricordiamo che le principali reazioni nucleari di fusione utilizzate nelle armi nucleari sono (Effects of Nuclear weapons pag. 21):
(a) D + D = He3+ n + 3.2 MeV
(b) D + D = T + H + 4.0 MeV
(c) T + D = He4 + n + 17.6 MeV
(d) T + T = He4 + 2n + 11.3 MeV
(e) Li6 + n = He4 + T + 4.8 MeV
Dove D e T denotano rispettivamente il Deuterio (nucleo con un protone e un neutrone) e il Tritio (nucleo con un protone due neutroni) e 1 MeV = 1000000 eV dove 1 eV e’ l’energia acquisita o persa da un elettrone che e’ spostato (nel vuoto) tra due punti che hanno la differenza di potenziale di 1 volt. He3 , He4 sono due nuclei di Elio (con 1 neutrone e 2 neutroni rispettivamante ). Li6 e’un nucleo di Litio (con tre neutroni e tre protoni).
Armi nucleari a fissione (plutonio) possono essere “rafforzate” con l’aggiunta di particelle di LiD (Deuteruro di Litio) che danno un contributo esplosivo derivante dalla fusione. Infatti combinando le equazioni (c) ed (e) LiD (bombardato da un neutrone) si trasforma in 2 nuclei di He4 piu’ energia (e 1 neutrone).
Sulla fisica delle armi nucleari e’ anche utile consultare il documento dell’Universita’ di Stanford:
https://www-ee.stanford.edu/~hellman/sts152_03/handout02.pdf