La bomba H: dalla fissione e fusione nucleare, alla distruzione

Scienza Di Stefania Bergo. Nell'ultimo test, il leader della Corea del Nord ha dichiarato di aver usato una bomba H. Ma che cos'è? In che cosa è diversa da una bomba A tradizionale? E cosa sono la fusione e la fissione nucleare? 

Nell'ultimo test nucleare, il leader della Corea del Nord, Kim Jong-un, ha dichiarato di aver usato una bomba H, a idrogeno, mentre per alcuni si tratterebbe solo di propaganda e l'ordigno esploso, sebbene più potente, sarebbe solo una bomba A, a fissione tradizionale. Tecnicamente le due cose sono profondamente diverse. Ai fini pratici, non fa differenza, si tratta sempre di ordigni in grado di radere al suolo intere città, addirittura nazioni, il pianeta, in un solo click (altro che internet).

"Si sta come d'autunno sugli alberi le foglie", qualcuno disse. Ecco, appunto...

«Quei due fanno a gara a chi ce l'ha più grande... »
Signora Maria, che dice?
«Ma è vero! Faranno esplodere una bomba dopo l'altra per vedere chi ha l'arsenale più grande... »
Già, l'arsenale. Ha ragione, spaventoso vero?
«E quello là ha detto di voler fare esplodere un'altra bomba K!»
Bomba H, signora Maria...

Che cos'è una bomba H?

La bomba all'idrogeno, o bomba H, è l'ordigno nucleare più devastante mai creato dall'uomo. Un altro triste primato degli americani. È considerata un'evoluzione della bomba A, quella a fissione, dato che ne sfrutta la potenza per innescare una reazione ancora più potente: la fusione nucleare, non molto diversa da quella che avviene all'interno del Sole.

Non sembra così spaventoso, vero signora Maria?
Il sole è caldo, piacevole.
Certo.
A milioni di km di distanza...

Nella bomba H, infatti, ci sono due stadi: in un primo momento avviene una fissione nucleare, un'esplosione, necessaria per innescare la fusione, che genera temperature e pressioni capaci di trasformare l'idrogeno (simbolo chimico H, appunto) contenuto nell'ordigno, in elio (simbolo chimico He). Sono proprio queste due fasi che rendono la bomba H così pericolosa, dato che queste reazioni nucleari sono in grado di generare:

• un'onda di calore fino a 20 milioni di gradi Celsius in corrispondenza del punto di detonazione;
• un'onda d'urto devastante della potenza di più di 11 megatoni (1 Mt è l'energia equivalente a quella liberata dall'esplosione di un milione di tonnellate di tritolo), contro i 13 kilotoni della bomba A, cioè quasi mille volte più distruttiva;
• emissione di radiazioni (subito e in seguito, negli anni a venire);
• un intenso impulso elettromagnetico in grado di mettere fuori uso tutti i dispositivi elettronici in un vasto raggio d'azione (effetto EMP: Electro Magnetic Pulse), che forse è decisamente il male minore.

Chi ha costruito la prima bomba H? 

Negli anni '50, l'odierna gara per vedere «chi ce l'ha più grande» stimolò gli americani a trovare un ordigno che superasse il giocattolino di Robert Oppenheimer (come lo definisce Sting, nella sua canzone Russians) appena tristemente collaudato: la bomba atomica A a fissione. Perché ormai anche i sovietici avevano dimostrato di possederla, con un test, il 23 settembre del '49. Il presidente degli Stati Uniti, Harry Truman, radunò quindi a Los Alamos un gruppo di scienziati, comprendente il fisico americano Richard Garwin, l'italiano Enrico Fermi, l'ungherese Edward Teller e il matematico polacco Stanislaw Ulam, perché progettassero e costruissero la bomba all'idrogeno (interessante il libro di Stefania Maurizi, Una bomba, dieci storie. Gli scienziati e l'atomica. per conoscere le motivazioni degli scienziati, gli scrupoli di coscienza degli uomini).
Il 1° novembre del '52 gli Stati Uniti effettuarono il “Mike test” che vaporizzò completamente Elugelab, un’isola del Pacifico. L’anno dopo, fu la volta dei russi, grazie al progetto del fisico Andrej Sakharov, capofila del gruppo sovietico che si radunò ad Arzamas-16, che in seguito si batté in difesa dei diritti umani, divenne un dissidente, fu arrestato e confinato a Gorkij fino al 1986, guardato a vista dal Kgb.  E nel '75 vinse pure il Nobel per la Pace.

Seguirono altri gruppi di progetto e altri test: il Regno Unito nel 1957, la Repubblica Popolare Cinese nel 1967 e la Francia nel 1968, che quindi sono, ancora oggi, i detentori ufficiali dell'arsenale nucleare, oltre a essere i cinque membri permanenti del Consiglio di sicurezza delle Nazioni Unite, insieme a Russia e Stati Uniti. Tra essi, è stato firmato un Trattato di non proliferazione nucleare (che si basa su tre principi: il disarmo, la non proliferazione e l'uso pacifico del nucleare), entrato in vigore nel marzo del 1970. Oltre a questi, non aderenti al Trattato, ci sono anche l'India, il Pakistan, la Corea del Nord (che si è ritirata dal Trattato nel 2001, dopo soli 16 anni dalla firma) e Israele, anche se il governo non ha mai confermato ufficialmente di possedere armi nucleari.

Il principio di funzionamento della bomba H: fissione e fusione nucleare.

Coma già detto, una bomba all'idrogeno sfrutta, come innesco, la reazione propria di una bomba atomica "tradizionale", ovvero la fissione, cui segue, grazie all'enorme energia liberata da questa, una fusione.

Andiamo con ordine, signora Maria, mi segua e non tema, se è riuscita a capirmi quando le ho spiegato il paradosso del gatto di Schrödinger, sarà uno scherzo capire cosa siano fissione e fusione nucleare.

ATOMI: PROTONI, NEUTRONI, ELETTRONI E ISOTOPI RADIOATTIVI

Facciamo alcune doverose premesse, senza scendere troppo nei dettagli.
Ogni cosa del nostro universo è costituita da particelle elementari: gli atomi e tutti i loro componenti ancor più piccoli. In ogni atomo, si possono individuare un nucleo, costituito generalmente da protoni e neutroni, e una nuvola di elettroni che ruotano attorno ad esso, in numero pari al numero di protoni, essendo un atomo, nel suo complesso, neutro. Infatti, i protoni e gli elettroni hanno una carica elettrica, rispettivamente +1 e -1, mentre i neutroni sono per l'appunto neutri. Inoltre, dato che un elettrone ha una massa 1836 volte più piccola di quella del protone, si può ritenere che il peso dell'atomo sia dato tutto dal suo nucleo, quindi dal numero di protoni e neutroni presenti.
Per ogni atomo si identificano due numeri adimensionali che lo caratterizzano dal punto di vista chimico e fisico:

• il numero di massa A: numero dei protoni e dei neutroni;
• il numero atomico Z: numero dei protoni (che in un atomo neutro equivale al numero degli elettroni), che descrive le proprietà chimiche dell'elemento.

Due atomi con stesso numero atomico ma diverso numero di massa, sono definiti isotopi. Ne sono un esempio il deuterio, ²H (un protone e 1 neutrone), e il trizio, ³H (un protone e 2 neutroni), isotopi dell'idrogeno.

FISSIONE NUCLEARE

In fisica, la fissione nucleare è un processo in cui un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli, liberando una grande quantità d'energia e radioattività, sotto forma di raggi β. La somma delle masse dei frammenti, infatti, è inferiore alla massa del nucleo di partenza, dato che la parte di massa mancante si è trasformata in energia, secondo la nota equazione di Einstein: E = mc² , dove m è la massa e c la velocità della luce nel vuoto (questa la conosce pure lei, signora Maria, vero?). Inoltre, i due nuclei più piccoli sono degli isotopi instabili (radioattivi) che tendono a decadere, cioè a tornare stabili, emettendo raggi β, appunto, emissioni altamente pericolose per la nostra salute se non opportunamente controllate.
La fissione può avvenire spontaneamente, oppure può essere stimolata bombardando con neutroni un nucleo pesante. Come elemento fissile, cioè che si divide, genericamente si usano l'uranio-235, ²³⁵U, o il plutonio-239, ²³⁹Pu. Quando un neutrone colpisce il nucleo di ²³⁵U, ad esempio, questo si divide liberando circa 0,21 GeV e 2 o 3 neutroni.

GeV si legge "gigaelettronvolt", signora Maria, non si perda sulle unità di misura per favore.
Magari questo dato non le dice nulla, ma pensi che l’energia emessa da 1 g di ²³⁵U è di circa 8·10⁷ kJ (si legge "chilogiaul").
E se anche questo non le dice nulla, pensi che per ottenere la stessa energia dovremmo utilizzare 1500 kg di metano.

I neutroni emessi dalla fissione dell’²³⁵U possono a loro volta urtare altri nuclei e provocarne la fissione con liberazione di altra energia e altri neutroni, a cascata. Se la quantità di ²³⁵U, o comunque dell'elemento radioattivo, supera un certo valore, detto massa critica, i neutroni prodotti sono talmente tanti da innescare una reazione a catena incontrollabile, cioè la fissione simultanea di tutti i nuclei fissili, dando origine a un’esplosione nucleare. Che è quello che avviene nelle bombe A. Per l'uranio, o meglio, per l'uranio arricchito che viene utilizzato per la costruzione degli ordigni, bastano 50 Kg per innescare una esplosione nucleare distruttiva...
La prima fissione nucleare ad opera dall'uomo avvenne nel 1932, grazie a Ernest Walton e John Cockcroft che, accelerando dei protoni contro un atomo di litio-7, ⁷Li, riuscirono a dividere il suo nucleo in due particelle α, cioè due nuclei di elio (He), costituiti da due protoni e due neutroni. Due anni dopo, il 22 ottobre del '34, un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi (i cosiddetti "ragazzi di via Panisperna"), fecero la prima fissione nucleare artificiale di un atomo di uranio.

FUSIONE NUCLEARE

In fisica, la fusione nucleare avviene quando due nuclei leggeri si fondono per darne uno più pesante, con la produzione di energia e qualche neutrone libero. Affinché ciò avvenga, i due nuclei, che sono carichi positivamente, devono essere avvicinati e compressi a tal punto da superare la forza elettromagnetica. Ancora una volta, la massa dell'elemento prodotto con la fusione è inferiore alla somma dei nuclei iniziali. Quindi, anche in questo caso, ne consegue che la massa mancante si sia trasformata in energia, sempre secondo l'equazione di Einstein E = mc².

Anche in questo caso le faccio un esempio per capire l'ordine di grandezza, signora Maria.
L'energia rilasciata nella fusione di un atomo di deuterio, ²H, e uno di trizio, ³H, è pari a 17,6 MeV, vale a dire che con 1 g di ²H e ³H, che contengono molto più di un solo atomo di questi elementi, si potrebbe produrre l'energia sviluppata da 11 tonnellate di carbone, cioè 11 mila kg.

Si potrebbe, perché mentre le centrali nucleari a fissione vengono utilizzate per produrre energia elettrica, quelle a fusione sono ancora in fase sperimentale.
Affinché avvenga una fusione, le distanze tra nuclei devono essere molto piccole, dell'ordine di qualche fm (femtometro), cioè 10⁻¹⁵ metri, circa cento miliardi di volte più piccolo dello spessore di un figlio. Per portarli così vicini vincendo la repulsione, servono energie elevatissime o, in modo equivalente, servono pressioni, temperature o densità decisamente impegnative. In natura, infatti, la fusione nucleare avviene solo nelle stelle, come il Sole, dove la temperatura è dell'ordine di 10⁷ gradi Kelvin e le particelle sono confinate dalla gravità stessa che le schiaccia l'una contro l'altra.
Oppure, avviene artificialmente nella bomba H, come dicevamo, dove la pressione e la temperatura elevate sono date dall'esplosione di una bomba a fissione che comprime e scalda un miscuglio di deuterio e trizio fino al punto di fusione.

La fusione e la fissione nucleare potrebbero essere fonti di energia per il pianeta e risolvere in parte le emissioni delle tradizionali centrali a carbone nella nostra atmosfera. 

Ma andrebbero decisamente trattate con attenzione e reverenziale rispetto, per via di quel dettaglio non trascurabile della radioattività e della natura incontrollabile dell'energia stessa. Basta poco per perdere il controllo. A volte si tratta di incidenti, come i numerosi accorsi a centrali nucleari. A volte si tratta di bombe, create appositamente dall'uomo con lo scopo di distruggere.

È riuscita a seguirmi, signora Maria? Questa volta è stato facile, vero? Che ne pensa ora che ne sa qualcosa di più?
«Che quei due, anzi, tutti gli uomini, dovrebbero iniziare a fare a gara a chi ce li ha più grandi... »
Gli attributi?
«Sì, gli attributi! Il cervello e il cuore... »
Già.
Ci vediamo la prossima volta, signora Maria. Ancora non le ho parlato dell'equazione si Dirac...

Stefania Bergo Non ho mai avuto i piedi per terra e non sono mai stata cauta. Sono istintiva, impulsiva, passionale, testarda, sensibile. Scrivo libri, insegno, progetto ospedali e creo siti web. Mia figlia è tutto il mio mondo. Adoro viaggiare, ne ho bisogno. Potrei definirmi una zingara felice. Il mio secondo amore è l'Africa, quella che ho avuto la fortuna di conoscere e di cui racconto nel mio libro. Con la mia valigia gialla, Gli scrittori della porta accanto (seconda edizione). SCHEDA DELL'AUTORE

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