Bombas atómicas, ven y te lo explico todo o casi todo

GIF GIF Bombas atómicas, ven y te lo explico todo o casi todo "Una Civilización, para considerarse avanzada tecnológicamente debe haber alcanzado algunos hitos, que presentan puntos de ruptura en su posibilidad de existencia. Esto debido a que debe sobrevivir al avance técnico creado, durante y después del mismo...." 1. Capacidad de desarrollo Atómico. 2. Capacidad de alcanzar la velocidad de escape de su planeta. 3. Capacidad de Comunicación a la velocidad de la Luz. 4. Capacidad de Manejo de su estructura básica de vida (Ing. Genética) 5. IA (Inteligencia Artificial) Próximos que se darán este año o menos de una década: 5. Comprensión del material y energía que conforman el 80% del Universo (Materia y Energía Oscura). 6. La posibilidad de la existencia de dimensiones ( al borde de este descubrimiento, representara una ruptura a la física conocida). 7. Capacidad de aumentar su expectativa de vida en un 40% Cada Punto mencionado, arrastra detrás de si el desarrollo en conjunto de otras muchas técnicas que impulsan a cambios estructurales en las sociedades donde sean alcanzados. Y todo no empieza en los Laboratorios, ni en las Universidades Si, la idea de la capacidad de fisión del uranio (tal cual como se escribe), no nació de la mente de un científico, físico u especialista la idea primogénita sale del gran novelista de Ciencia Ficción H. G. WELLS En su novela de 1914 "El Mundo Liberado", el escritor británico H. G. Wells se imaginó precisamente una granada de mano de uranio que "seguiría explotando indefinidamente". El escritor británico incluso pensó que sería arrojada desde aviones. Lo que no pudo predecir fue cómo la extraña conjunción de sus amigos y conocidos – particularmente Winston Churchill y el físico Leo Szilard – convertirían esa fantasiosa idea en realidad. Y fue una invención que terminó dejándolos profundamente atormentados por la escala de destrucción que desencadenó. El mundo del átomo La historia de la bomba atómica comienza en la época Eduardiana, cuando científicos como Ernest Rutherford comenzaron a abordar una nueva forma de concebir el mundo físico. La idea era que los elementos sólidos podrían estar hechos de mínimas partículas, de átomos. "Cuando se hizo evidente que el átomo de Rutherford tenía un núcleo denso, hubo un consenso en que era como un resorte de acero", señala Andrew Nahum, curador de la exposición "Los Científicos de Churchill", del Museo de Ciencias de Londres. Wells, quien quedó fascinado por los nuevos descubrimientos, ya tenía una trayectoria pronosticando innovaciones tecnológicas. De hecho, Churchill le dio el crédito de concebir la idea de usar aeroplanos y tanques antes de la Primera Guerra Mundial. Los dos hombres se reunieron y discutieron ideas durante décadas. Churchill comprendió el peligro de que la tecnología avanzara más rápido que la madurez humana. En 1924 escribió un artículo titulado "¿Cometeremos todos un suicidio?", en el que se preguntaba si una bomba, no más grande que una naranja, podría tener un poder secreto que destruyera una cuadra de edificios o que concentrara suficiente potencia para acabar con todo un municipio de un solo golpe. Graham Farmelo, autor del libro "La Bomba de Churchill", vincula directamente la idea de la bomba del tamaño de una naranja al imaginario de "El Mundo Liberado". Reacción en cadena Para 1932, científicos británicos habían logrado dividir el átomo por primera vez por medios artificiales, aunque algunos cuestionaban que pudiera producir enormes cantidades de energía. Pero ese mismo año, el físico Leo Szilard, inmigrante de origen húngaro, leyó la obra de Wells. Szilard consideraba que la división del átomo podría producir una gran cantidad de energía. Posteriormente, dijo que Wells le enseñó "lo que significaría la liberación de la energía atómica a gran escala". A Szilard se le ocurrió la idea de la reacción en cadena en 1933, mientras observaba el cambio de luces de un semáforo londinense. "De repente pensé que si encontraba un elemento que se dividiera por neutrones y que emitiera dos neutrones cuando absorbiera uno, tal elemento, si se ensamblase en una masa suficientemente grande, podría sostener una reacción nuclear en cadena". En ese momento de inspiración, Szilard también sintió un gran temor de pensar cómo una ciudad como Londres y sus habitantes pudiera ser destruida en un instante. "Sabiendo lo que significaría, y lo sabía porque había leído a H. G. Wells, no quería que esta patente se hiciera pública". Proyecto Manhattan Los nazis estaban en ascenso y Szilard estaba muy ansioso por saber quién más estaba trabajando en la teoría de la reacción en cadena y la construcción de una bomba atómica. La novela de Wells "La forma de las cosas que vendrán", que luego fue adaptada al cine, pronosticó con precisión los bombardeos aéreos y la inminente devastación de un guerra mundial. En 1939 Szilard escribió el borrador de la carta que Albert Einstein le envió al presidente Roosevelt advirtiéndole a EE.UU. que Alemania estaba almacenando uranio. El Proyecto Manhattan había nacido. Szilard y varios científicos británicos participaron en el programa con un enorme respaldo financiero militar estadounidense. Británicos y estadounidenses trabajaron por separado sin saber cómo sus investigaciones se complementaban entre sí. Al final pasaron del método original de un "arma" de uranio enriquecido, que había sido concebida en el Reino Unido, a la creación de otra por implosión de plutonio. Szilard hizo campaña para hacer una demostración de la bomba frente al embajador japonés para darle la oportunidad de rendirse. Luego quedaría horrorizado cuando terminó siendo arrojada sobre una ciudad. Fisión nuclear Para poder obtener energía manipulando los núcleos de un o varios átomos podemos hacerlo de dos formas distintas: uniendo núcleos de átomos distintos (entonces hablamos de fusión nuclear) o partiendo núcleos de un determinado átomo (caso de la fisión nuclear) En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones. La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein (E=mc2). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s2. La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la Reacciones nucleares en cadena Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite. Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serian las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares. Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 1023 fisiones. Masa crítica La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena. GIF Aunque en cada fisión nuclear se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si los neutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá. La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su geometría y de su pureza. Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica. La fisión nuclear controlada Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio. En este caso Fusión o derretimiento del material fisible dentro de un reactor Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control. Fisión nuclear espontánea En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinados isótopos del uranio, y sobretodo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fissiona espontáneamente. La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea de uranio 235. Video ilustrativo fisión nuclear En el siguiente video se puede observar como un neutrón lanzado contra un núcleo genera una fisión nuclear que dará lugar a otras fisiones nucleares en cadena. En la primera parte del vídeo se ve en pequeño y luego se puede ver la misma secuencia más ampliada. Fusión nuclear La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma. Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía. No confundir la fusión nuclear con la fusión del núcleo de un reactor, que se refiere a la fusión del núcleo del reactor de una central nuclear debido al sobrecalentamiento producido por la deficiente refrigeración. Durante el accidente nuclear de Fukushima, en los medios de comunicación se utilizaba esta expresión frecuentemente. Fusión nuclear en la naturaleza Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. Las fuerzas de gravedad en el universo generan las condiciones perfectas para la fusión nuclear. A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan. En el interior del Sol, la temperatura es cercana a los 15 millones de grados Celsius. Requisitos técnicos para la fusión nuclear Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos: Conseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por los electrones libres y los átomos altamente ionizados se denomina plasma. Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo. Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear. Requisitos técnicos para la fusión nuclear GIF Los confinamientos convencionales que se utilizan en los reactores nucleares de fisión no son posibles debido a las altas temperaturas del plasma que deben soportar. Por este motivo, se han desarrollado dos importantes métodos de confinamiento: Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocándose su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear. Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak. Reacciones de fusión nuclear Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son: D + T -> 4He + n + 17,6 MeV Fusionando un núcleo de Deuterio con un núcleo de Tritio, se obtinene un núcleo de Helio formado por dos neutrones y dos protones, liberanto 1 neutrón y 17,6 MeV de energía. D + D -> 3He + n + 3,2 MeV Fusionando dos núcleos de Deuterio, se obtiene un núcleo de Helio formado por un neutrón y dos protones, liberando un neutrón y 3,2 MeV de energía. D + D --> T + p + 4,03 MeV Fusionando dos núcleos de Deuterio, se obtiene un núcleo de Tritio, un protón y 4,03 MeV de energía. Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos que se van a fusionar, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas. El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear. En principio, por cada miligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ. Combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear Para las reacciones de fusión nuclear se necesitan núcleos ligeros. Básicamente se utilizan Deuterio y Tritio, que son dos isótopos del hidrógeno. El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Su abundancia en el agua es de un átomo por cada 6.500 átomos de hidrógeno. Esto supone que en el agua de mar hay una concentración de 34 gramos de deuterio por metro cúbico de agua. El contenido energético del deuterio es tan elevado que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de mar es equivalente a la energía que se puede obtener de 250 litros de petróleo. Por este motivo, teniendo en cuenta, que tres cuartas partes del Planeta están cubiertas por agua, se considera la fusión nuclear cómo una fuente de energía inagotable. El otro elemento empleado en la fusión nuclear, el Tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez. Aunque el Tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio. El Litio es un material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar. Evolución histórica fusión nuclear Los orígenes de la fusión nuclear se localizan hacia 1929 cuando Atkinson y Houtemans plantearon la posibilidad de obtener energía de las reacciones de fusión nuclear. Sin embargo, los conceptos más importantes de fusión nuclear y su aplicación real, se desarrollaron a partir de 1942 con los trabajos de H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller, entre otros. A través del proyecto Sherwood se llevaron a cabo los primeros avances tecnológicos, que permitieron desarrollar el concepto de confinamiento magnético, obteniéndose los primeros diseños: z-pinch, stellarator y espejos magnéticos. En 1961, J. Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarrollaron una técnica mediante la cual se podrían obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas compresiones provocadas por la cesión de energía. Se desarrollaron así programas secretos en EEUU y Rusia. Posteriormente, Francia se une a este desarrollo, también secreto. Otros países como Alemania, Japón, Italia y EEUU (Rochester) desarrollaron programas abiertos. En 1965, Artsimovich presentó los resultados de sus investigaciones, en la “2ª Conferencia de Plasma y Fusión Controlada”, sobre el concepto TOKAMAK (Toroidal KAmera MAgnetiK). En el concepto TOKAMAK, el campo magnético necesario para confinar el plasma es el resultado de la combinación de un campo toroidal, de un campo poloidal, ambos creados por bobinas toroidales, y de un campo vertical (creado por un transformador). El plasma actúa como secundario de un transformador por donde se induce corriente que lo calienta. Por el primario del transformador circula una intensidad de corriente variable. En 1968, el Premio Nobel N. Basov, informó de la obtención de temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear empleando láseres. A partir de entonces, se pudo disponer de una gran cantidad de aparatos en construcción y operación bajo el concepto TOKAMAK como los siguientes: TFR (Francia), T-4 y T-11 (URSS), ALCATOR y ORMAK (EEUU). Otros como el T-10 (URSS), PLT (EEUU), DITE (GB), ASEDX (RFA) y FRASCATI (EURATOM-Italia) comenzaron a construirse. En la década de los 70 comenzó a producirse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial). En EEUU, los principales investigadores fueron Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. En Rusia, Basov y su equipo consiguieron el experimento más avanzado, alcanzándose cerca de 3 millones de neutrones en la implosión de esferas de CD2. Basados en este concepto existen y han existido multitud de instalaciones con láser que han permitido avanzadas investigaciones sobre la fusión nuclear. De ellas se pueden destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japón), PHEBUS (3 kJ, Francia), VOLCAN (UK), ISKRA-5 (Rusia). A partir de estas instalaciones de láser se han desarrollado dos grandes proyectos para demostrar altas ganancias: National Ignition Facility (NIF) en EEUU y Laser Megajoule (LMJ) en Francia. Pero el láser no es el único dispositivo capaz de producir implosiones, también se observa que electrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la fusión nuclear por confinamiento inercial. Nacen así los siguientes proyectos con iones ligeros: ANGARA y PROTO (Rusia), PBFA-I y PBFA-II (EEUU). En relación con los iones pesados, al no existir experimentos no se han podido alcanzar resultados exactos, aunque se han realizado ciertas predicciones mediante simulaciones teóricas como las realizadas en el Proyecto HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility) patrocinado por varios laboratorios e institutos europeos y por el Lawrence Berkeley Laboratory americano. En la década de los 90, las instalaciones de tipo TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (EEUU) y JT-60 (Japón), permitieron obtener cierta potencia. El primero fue el JET, que con una mezcla de D (90%) y T (10%) consiguió en 1991, una potencia de 1,7 MW. Posteriormente, en 1993, el TFTR con una mezcla de DT al 50% llegó hasta los 6 MW, alcanzándose temperaturas de 30 keV. En el calentamiento se gastaron 29 MW. En la actualidad, el TFTR está clausurado. Hasta la fecha, se han llegado a producir hasta 12 MW de potencia en reacciones de fusión nuclear controladas durante más de un segundo (JET, 1997) y existe la confianza de que con los avances tecnológicos actuales sea posible llegar al rango comercial de cientos de MW de forma mantenida. La investigación experimental en FCM (Fusión nuclear por Confinamiento Magnético) en España ha estado concentrada en el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), remontándose a 1983, año en el que se pone en funcionamiento la primera máquina de fusión nuclear, el Tokamak TJ-I. Desde este instante, la investigación ha progresado de manera constante, y así, en 1994 se puso en marcha el primer dispositivo de fusión nuclear construido totalmente en España: el Stellerator TJ-I upgrade, que fue cedido en 1999 a la Universidad de Kiel al entrar en operación el TJ-II. El TJ-II supuso un gran salto científico con respecto a los experimentos anteriores considerándose uno de los tres stellerators más avanzados del mundo junto con el alemán Wendelstein 7-AS del Instituto Max Planck en Munich y el japonés LHD de la Universidad de Nagoya. Armas atómicas Dato Interesante: Si existe la Posibilidad de Una Bomba de Fisión-Fusión-Fisión Esto se demostró en las pruebas de Armas de fusión nuclear realizadas por los norteamericanos e el pacifico, los niveles de radiación son extremos. Mejor Los sismos producidos por armas atómicas son fácilmente identificables, por sismografos ya que producen ondas sismicas, que en lo terremotos normales son escasas: También permiten identificar el poder de la explosión. Suerte y Gracias por pasar, un buen comentario siempre es bien apreciado GIF