Colegiul

Pe data de 2 august 1939, cu putin inainte de inceperea celui de-al doilea razboi mondial, Albert Einstein i-a scris Presedintelui Franklin D. Roosevelt. Einstein si alti oameni de stiinta l-au anuntat pe Roosevelt de eforturile Germaniei Naziste de a purifica U-235 care ar putea fi folosit pentru a construi o bomba atomica. Cu putin timp dupa aceea, Guvernul Statelor Unite ale Americii a inceput sa ia in serios ideea construirii unei bombe atomice. Numele de cod al operatiunii era “Proiectul Manhattan”. Pe scurt, Proiectul Manhattan a fost conceput pentru a incepe cercetarile pentru a produce o bomba atomica viabila.

Cea mai complicata problema a fost productia de ample cantitati de uraniu imbunatatit care urma sa aiba rolul de a sustine o reactie in lant. Pe atunci, Uraniu-235 era foarte greu de extras. De fapt, rata de conversie dintre minereul de uraniu si uraniul ca metal era de 500 la 1. O alta problema este aceea ca o parte de uraniu obtiunt contine peste 99% Uraniu-238, care este practic nefolositor pentru o bomba atomica. Pentru ca problema sa fie si mai dificila, U-235 si U-238 au o compozitie chimica similara. Nici o extractie chimica obisnuita nu poate separa cei doi izotopi. Numai prin metode mecanice s-a putut separa U-235 de U-238. Mai multi oameni de stiinta de la Universitatea Columbia au reusit insa sa rezolve si aceasta dilema.

Un laborator de imbunatatire a fost construit la Oak Ridge, in Tennessee. H.C. Urey, impreuna cu asociatii sai si colegi de la Universitatea Columbia au perfectionat un sistem care urma sa functioneze pe principiul difuziei gazoase. Urmarind acest proces, Ernest O. Lawrence (inventatorul Ciclotronului) la Universitatea din California la Berkeley a implementat un proces ce implica separarea magnetica a celor doi izotopi.

Urmand celor doua procese anterioare, un dispozitiv de centrifugare a gazului a fost folosit pentru a separa mai departe usorul U-235 de mai greul si non-fisionabil-ul U-238 prin masa lor. Odata aceste proceduri completate, s-a trecut la testarea intregului concept din spatele fisiunii atomice.

Pe parcursul a sase ani, intre 1939 si 1945, mai mult de 2 miliarde de dolari au fost investiti in Proiectul Manhattan. Formulele pentru rafinarea Uraniului si asamblarea bombei atomice au fost create si unele din ele finalizate de unele dintre cele mai mari minti ale timpului. Printre acesti oameni care au dezlantuit puterea bombei atomice a fost si J. Robert Oppenheimer.

Oppenheimer a fost forta majora din spatele Proiectului Manhattan. El a supervizat intregul proces de la creare pana la finalizare.

In sfarsit a venit si ziua in care la Los Alamos toti vor afla daca “Jucaria” (numele de cod al Bombei in timpul productiei) avea sa fie descoperirea secolului si chiar sfarsitul razboiului. Totul s-a intamplat intr-o dimineata de vara, in 1945.

La ora 5, 29 de minute si 45 de secunde, pe 16 iulie 1945, intr-o explozie alba care s-a intins de la bazinul muntilor Jemez in norul New Mexic pana la cer, “Jucaria” a intrat in Era Atomica. Lumina exploziei a devenit apoi portocalie, pe masura ce ciuperca atomica urcand cu 120 de metri pe secunda. Caracteristica ciuperca atomica este un nor de vapori radioactivi materializati la 10 000 de metri. Sub nor, tot ceea ce a mai ramas la nivelul solului au fost fragmente de sticla radioactiva, toate acestea fiind cauzate de caldura reactiei.

Lumina stralucitoare cauzata de explozie a strapuns cerul diminetii cu o asemenea intensitate incat oamenii dintr-o localitate mai indepartata au putut jura ca soarele a rasarit de doua ori in acea zi. Chiar mai uimitor este faptul ca o fetita oarba a vazut fragmente din explozie de la 200 km departare.

Dupa vederea exploziei, reactiile celor care au contribuit la crearea ei au fost diferite. Isidor Rabi a simtit ca echilibrul in natura fusese modificat, pe masura ce omenirea a devenit o amenintare pentru mediul inconjurator. J. Robert Oppenheimer, inca ecstaziat de succesul proiectului, a citat un fragment din Bhagavad Gita : “I am become Death, the destroyer of worlds” ceea ce inseamna “Am devenit moartea, distrugatorul lumilor”. Ken Bainbridge, directorul de teste i-a spus lui Oppenheimer “Now we’re all sons of bitches”.

Mai multi participanti, la putin timp dupa vederea rezultatelor, au semnat petitii impotriva dezlantuirii monstrului pe care tocmai il creasera, dar protestul lor nu a fost luat in considerare.

Dupa cum multi oameni stiu, bombele atomice au fost folosite doar de doua ori in timpul razboiului. Primul loc unde a fost detonata o bomba atomica este Hiroshima. O bomba pe baza de Uraniu cantarind patru tone si jumatate, poreclita “Little Boy” a fost aruncata deasupra Hiroshimei pe 6 august 1945. Podul Aioi, unul dintre cele 81 de poduri care leaga delta raului Ota a fost tinta acestei bombe. Era asteptat ca ciuperca atomica sa se inalte la 600 de metri de-asupra solului. La ora 8 si 15 minute, bomba a fost lansata de pe Enola Gay. A ratat cu numai 260 de metri. La ora 8 si 16 minute, intr-o clipa, 66 000 de oameni au fost omorati si 69 000 au fost raniti intr-o explozie atomica de 10 kilotone.

Punctul vaporizarii totale a masurat 1 km in diametru. Distrugerea totala s-a produs intr-o zona cu diametrul de 1,8 km. Pagube importante au fost provocate pe o zona cu diametrul de 3,5 km. La 4 km, tot ce era flamabil a ars.

Pe 9 august 1945, Nagasaki a avut parte de acelasi tratament ca si Hiroshima. De aceasta data, o bomba pe baza de Plutoniu, poreclita “Fat Man” a fost aruncata asupra orasului. Cu toate ca bomba a avut o deviatie de aproximativ 2 km, totusi a fost distrusa mai mult de jumatate din oras. Populatia orasului Nagasaki a scazut intr-o sutime de secunda de la 422 000 de locuitori la 383 000. 39 000 de oameni au fost omorati, peste 25 000 raniti. Aceasta explozie a avut mai putin de 10 kilotone. Estimarile fizicienilor care au studiat fiecare explozie au fost acelea ca au fost folosite doar o miime din puterea explosiva a acestor bombe.

In timp ce insasi explozia unei bombe atomice este destul de letala, puterea ei distructiva nu se opreste aici. Radiatiile atomice creeaza un alt pericol de asemenea. Ploaia care urmeaza oricarei detonari atomice este incarcata cu particule radioactive. Multi supravietuitori ai exploziilor din Hiroshima si Nagasaki au murit in urma otravirii produsa de ploaia radioactiva.

Detonarea atomica are de asemenea proprietatea de a afecta generatiile urmatoare de supravietuitori. Leucemia este cea mai frecventa boala intalnita in aceste cazuri.

In timp ce scopul principal al unei bombe atomice este evident, sunt multe produse secundare care au fost aduse in evidenta in timpul testelor atomice. Cu ajutorul unei bombe atomice de putere mai redusa, comunicatiile, transportul sunt oprite si orice componenta electronica de pe o zona destul de intinsa este prajita datorita EMP (Electo-Magnetic Pulse) care este radiat de o detonare atomica la o altitudine foarte mare. Cu toate ca aceste detonari la mare altitudine nu sunt letale, ele produc o cantitate de EMP suficienta pentru a distruge procesoarele oricarui calculator de pe o raza de 80 km.

La un moment dat, in timpul zilelor timpurii ale Erei Atomice, era destul de cunoscut faptul ca intr-o buna zi, bombele atomice vor fi folosite in mine sau la construirea unui nou Canal Panama. Nu cred ca este nevoie sa spun ca acest lucru nu s-a indeplinit niciodata. In schimb, armata a intensificat perfectionarea bombei atomice cu scopuri distructive. Testele atomice de pe Atolul Bikini si alte locuri erau in crestere pana la aparitia Tratatului de Interzicere al Armelor Nucleare.

10 KILOTONE	1 MEGATONA	20 MEGATONE
Inaltimea ciupercii: 595 m	Inaltimea ciupercii: 2400 m	Inaltimea ciupercii: 5250 m
[1] 0,8 km	[1] 4,12 km	[1] 14,08 km
[2] 1,6 km	[2] 6,14 km	[2] 22,54 km
[3] 2,8 km	[3] 10,4 km	[3] 43,47 km
[4] 4,1 km	[4] 12,5 km	[4] 49,92 km
[5] 4,8 km	[5] 16,1 km	[5] 56,35 km

Exista doua tipuri de explozii atomice care pot fi facilitate de catre U-235: fisiunea si fuziunea. Fisiunea, pe scurt, este o reactie nucleara in care un nucleu atomic se imparte in mai multe fragmente, de obicei doua cu masa comparabila odata cu degajarea a aproximativ 100 milioane pana la cateva mii de milioane de ev(=electron volt). Aceasta energie este emisa sub forma unei explozii si in mod violent in cadrul bombei atomice. O reactie de fuziune este pornita in mod invariabil de o reactie de fisiune, dar spre deosebire de aceasta, bomba bazata pe fuziunea atomica (bomba cu hidrogen) isi extrage puterea din diferitii izotopi ai hidrogenului in timpul formarii nucleului de heliu.

Masiva putere dintr-o reactie in cazul bombei atomice, ia nastere din fortele care tin atomii impreuna.

Atomii sunt compusi din trei particule sub-atomice. Protonii si neutronii se afla impreuna si formeaza nucleul (masa centrala) a atomului, in timp ce electronii orbiteaza in jurul nucleului intr-un mod asemanator planetelor care orbiteaza in jurul soarelui. Aceste particule determina stabilitatea atomului.

Cele mai multe elemente existente in natura au atomi foarte stabili care sunt imposibil de scindat prin procese obisnuite. O metoda ar fi bombardarea acestor atomi cu acceleratori de particule. Pentru toate aplicatiile practice, singurul element ai carui atomi pot fi scindati relativ usor, este metalul denumit Uraniu. Atomii Uraniului sunt neobisnuit de mari si de aceea este greu sa fie tinuti la un loc intr-o structura stabila. Acest fapt face Uraniul-235 un candidat excelent pentru fisiunea nucleara.

Uraniul este un metal greu, mai greu decat aurul si nu are numai cei mai mari atomi decat orice alt element natural, dar atomii care formeaza acest metal au cu mult mai multi neutroni decat protoni. Acest fapt nu influenteaza capacitatea lor de scindare, dar le confera capacitatea de a facilita o explozie.

Exista doi izotopi ai Uraniului. Uraniul in stare naturala consta in mare parte din izotopul U-238, care are 92 protoni si 146 neutroni (92+146=238). Amestecat cu acest izotop, se va gasi o acumulare de 0,6% de U-235 care are numai 143 neutroni. Acest izotop, spre deosebire de U-238, are atomi care pot fi scindati (fisionabili) si este util in crearea bombelor atomice. Deoarece U-238 are o cantitate mare de neutroni, acesta reflecta neutronii proveniti in loc sa-i absoarba ca fratele sau, U-235.

Ambii izotopi ai uraniului sunt natural radioactivi. Atomii lor greoi se dezintegreaza dupa o perioada de timp. Peste ceva timp (cam 100 000 de ani sau mai mult), Uraniul va pierde atat de multe particule, incat va deveni un metal obisnuit. Totusi, acest proces poate fi accelerat. Procesul este cunoscut sub numele de reactie in lant. In loc sa se dezintegreze incet, atomii sunt scindati de neutronii care patrund cu forta in interiorul nucleului. Un singur atom de U-235 este atat de instabil incat un singur neutron este de ajuns pentru a-l scinda si a conduce la o reactie in lant. Acest lucru se poate intampla cand o masa critica este prezenta. Cand are loc aceasta reactie in lant, atomul de Uraniu se imparte in doi atomi mai mici, precum Bariu si Krypton.

Cand un atom de U-235 se scindeaza, acesta cedeaza energie sub forma de caldura si radiatii Gamma, care este cea mai puternica forma de radioactivitate, dar si cea mai letala. Cand aceasta reactie are loc, atomul scindat va ceda la randul sau doi sau trei neutroni care nu sunt necesari pentru formarea de Bariu si Krypton. Acesti neutroni zboara cu o forta suficient de mare pentru a scinda alti atomi cu care vin in contact. Teoretic, este necesar a se scinda doar un atom de U-235 si neutronii sai vor scinda la randul lor alti atomi s.a.m.d. Aceasta progresie nu se desfasoara algebric, ci geometric. Toate acestea se intampla in mai putin de 10^-6 secunde.

Cantitatea minima pentru a porni o reactie in lant descrisa deasupra, se numeste Masa Supercritica. Masa actuala necesara pentru a usura aceasta reactie in lant depinde de puritatea materialului, dar pentru U-235 pur aceasta este de 50 kg, dar Uraniul nu este niciodata pur, asa ca in realitate este nevoie de ceva mai mult.

Uraniul nu este unicul material folosit la fabricarea bombelor atomice. Un alt material este Plutoniul, sub forma izotopului Pu-239. Plutoniul nu poate fi gasit in stare naturala (cu exceptia unor urme insignifiante) si este intotdeauna fabricat din Uraniu. Unica modalitate de a produce Plutoniu din Uraniu este procesarea unei cantitati U-238 intr-un reactor nuclear. Dupa o perioada de timp, radioactivitatea extrema face ca metalul sa atraga alte particule, astfel incat o cantitate din ce in ce mai mare se va transforma in Plutoniu.

Plutoniul nu porneste o reactie in lant rapida de unul singur, dar aceasta dificultate este depasita prin folosirea unei surse de neutroni, un material foarte radioactiv care cedeaza neutroni mai repede decat Plutoniul insusi. In anumite tipuri de bomba, un amestec de Beriliu si Poloniu este folosit in acest scop. Este necesara numai o cantitate foarte mica din acest amestec. Materialul nu este fisionabil el insusi, dar actioneaza ca un catalizator in cadrul unei reactii mai mari.

Orice avion obisnuit foloseste un tip de barometru aneroid care masoara schimbarile de presiune la diferite altitudini. Dar vremea poate afecta schimbarile de presiune ale aerului deci poate afecta barometrul. Este mult mai bine sa se foloseasca un altimetru cu radar (sau un radio) pentru a mari precizia cand bomba ajunge la punctul zero. Cu toate ca unda continua modulata in frecventa (Frequency Modulated-Continuous Wave (FM CW)) este mult mai complicata, precizia pe care acesta o atinge depaseste cu mult orice altimetru. Principiul este simplu: semnalele sunt emise de la bomba, ating pamantul si se intorc inapoi la altimetrul din bomba. Acest principiu simplu se aplica la un alt sistem de altimetre, numai ca semnalul este continuu si apropiat de o frecventa de 4200 Mhz. Acest semnal creste incet cu 200Mhz in timp de un interval.

Cand bomba cade, altimetrul va transmite un semnal incepand de la frecventa de 4200 Mhz. Pana cand semnalul se intoarce, transmitatorul de la altimetru va mai emite o unda cu o frecventa mai mare. Diferenta depinde de timpul luat de semnal ca sa se intoarca. Cand cele doua unde de frecvente diferite interfera se naste o alta unda cu o alta frecventa (diferenta dintre cele doua). Valuarea acestei frecvente este masurata de microchip-ul care se afla in interior. Aceasta valuare este direct proportionala cu distanta parcursa de semnalul original asa ca poate fi folosit pentru a determina inaltimea curenta.

In practica un semnal de la un trasmitator FW-CW, matura drumul de 120 de ori pe secunda, deci raza de actiune ar putea fi de 3.000m pe pamant si 6.000m pe mare, reflexia undelor cu apa se face mai bine.

Precizia altimetrului este de -+ 1.5 m pentru inaltimi mari. Inaltimea ideala pentru a declansa bomba este de 570 m .

Inima bombei (nu depinde de ce tip de e bomba , cu uranium sau cu plutoniu) este invelita in alte materiale explozibile. Ele sunt folosite mai mult ca un catalizator pentru a aduce o explozie mai mare. Calibrarea acestiu explozibil este esentiala. Daca este prea putin explozibil atunci cand el explodeaza imprastie miezul de uraniu sau de plutoniu facand astfel un nor radioactiv sau poate produce o adevarata ploaie de radioactivitate. Explozibilul poate primi un semnal electric de la altimetru cu radar sau detonatorul cu presiune depinzand de ce sistem se foloseste.

Acest explozibil este conceput pentru a aduce o anumita presiune asupra miezului de uraniu. Valoarea acestei presiuni pentru a crea explozia cea mare, este secreta.
Explozibilii plastici sunt mai buni deoarece se pot folosi la ambele tipuri de bombe atomice si pot lua diferite forme. Un explozibil plastic este nitratul uric. Pentru a-l prepara va trebuie urmatoarele:

Se filtreaza solutia concentrata de acid uric printr-un filtru pentru a indeparta impuritatile. Incet se toarna solutia de acid nitric in cealalta solutie si lasa amestecul pentru o ora. Se filtreaza iar solutia, dar de aceasta data cristalele de nitrat uric se vor strange in filtru. Se spala cristalele cu un jet de apa cat timp ele se afla in filtru. Se lasa la uscat cristalele timp de 16 ore. Acesta este explozibilul pentru detonare.

Va fi necesara o cantitate mai mare de explozibil pentru a crea o presiune mai mare asupra partilor cu uranium sau plutoniu.

Dispozitivul de deflexie a neutronilor este format numai din Uraniu-238. El are abilitatea de a reflecta neutronii inapoi la sura de unde au venit.

Dispozitivul serveste la asigurarea ca nu se intampla un accident in care neutronii parasesc massa miezului atomic.

Uraniu-235 este foarte greu de extras. De fapt , pentru fiecare 25,000 tone de minereu de uranium extras din pamant, doar 50 de tone de metal de uraniu poate fi extras din el si 99.3% din metal este U-238 care este prea stabil ca sa poata participa la detonarea atomica. Pentru a desprinde cei doi izotopi U-235 si U-238 nu se poate folosi o metoda chimica deoarece cei doi izotopi poseda aceleasi caracteristici chimice. Singura metoda este extragerea mecanica.

U-235 este are densitatea mai mica decat U-238, dar doar atat. Un sistem de difusiune gazoasa este folosit pentru a incepe procesul de separare dintre cei doi izotopi. In acest sistem, Uraniu in combinatie cu fluoruri rezulta un gaz numit Hexafluorida de Uraniu Acest amestec este apoi propulsat cu ajutorul unor pompe de mica presiune printr-o serie de tuburi care la capat au bariere cu deschizatura foarte mica. Datorita faptului ca atomii de U-235 sunt mai usori, ei sunt propulsati mai repede prin bariere decat atomii de U-238. Ca rezultat concentratia de U-235 devine mai mare cu cat gazul a trecut prin mai multe bariere. Astfel, dupa ce a trecut prin sute de astfel de bariere Uraniu Hexafluorida contine o mare concentratie de U-235 (teoretic se poate atinge o puritate de 95%)

Dupa ce procesul de difusie gazos este incheiat, Uraniul trebuie apoi rafinat prin procesul de separatie magnetica. Acest proces implica incarcarea electrica a gazului tetraclorurii de Uraniu si directionarea lui printr-un magnet de intensitate mica. Deoarece particulele de U-235 din gaz sunt mai usoare sunt mai putin afectate de atractia magnetului. Dupa incheierea acestui proces urmeaza un al 3-lea proces care consta in punerea intr-un aparat centrifugal a gazului rezultat. Forta centrifuga separeaza cei doi izotopi de Uraniu si de gazul ramas de la procesul 2 de separatie.

Dupa incheierea acestei proceduri tot ce mai ramane este de pus U-235 in focosul nuclear care va facilita detonarea atomica.

Masa supercritica folosita pentru focosul nuclear este de 50 de kg de Uraniu pur.

Forta bombei atomice depinde de procesul de rafinare a U-235, depinde si de design-ul focosului nuclear si de altitudinea la care se detoneaza. forta unei bombe atomice poate fi intre 1 kiloton (= 1,000 tone de TNT) pana la 20 de megatone (= 20 de milioane de tone de TNT).

Atat timp cat uranium este cel mai ideal pentru fusiune, el nu este singurul. Se mai poate folosi si Plutoniu. Daca se lasa pentru o perioada foarte mare U-238 in interiorul unui reactor atomic, el primeste diferite particule, in special neutroni, si se transforma gradat in Plutoniu.

Si Plutoniu este fusionabil, dar nu asa de usor ca Uraniu. Atat timp cat Uraniu poate fi detonat de un simplu dispozitiv de detonare, Plutoniu trebuie detonat numai cu ajutorul unui dispozitiv mai complex si cu ajutorul unei camere de presiune si cu ajutorul unor explozibili conventionali, in acest timp introducand in camera si o combinatie gazoasa de Beryliu si Poloniu pentru a se putea detona.

Masa supercritica folosita pentru bomba atomica este de 16kg inconjurata de 10 Kg de U-238.

Pentru a demonstra diferenta dintre detonatorul de tip pistol cu Uraniu si detonatorul cu implozie al Plutoniului mai jos se afla o mica descriere:

Compus din 2 parti: masa mai mare este sferica si concava; masa mai mica seamana foarte mult cu partea mare dar ii lipseste sfera. La detonarea explozibilului conventional, masa mai mica este injectata violent in masa mai mare. Se atinge masa supercritical si se formeaza reactia in lant intr-un timp de un million din secunda.

Este construit de 32 de piese individuale sub forma unor pilule asezate uniform pe suprafata sferei in care se mai afla si o solutie de Berylliu si Poloniu. Toate acestea trebuie sa aiba mase indentice si forme identice. La detonarea explozibilului conventional cele 32 de bucati se combina cu solutia creand o reactie intr-un timp de 10 milioane dintr-o secunda.

Campul de protectie are ca scop protejarea mecanismelor bombei de radioactivitatea miezului atomic. Fluxul de neutroni din focosul nuclear este destul de puternic pentru a crea un scurt circuit si poate detona incarcaturile explozive.

Sigurantele sunt implemetate pentru a preveni o detonare accidentala a incarcaturilor explozive si a miezului atomic. Acestea sunt implementate in partea din fata a bombei cu putin timp inainte de lansare.

I. Istoricul bombei atomice