34 Fisión nuclear
A inicios del siglo XX, comenzó a desvelarse el mundo interno del átomo. Igual que una muñeca rusa, contiene varias capas externas de electrones que envuelven un hueso duro o núcleo. A principios de la década de 1930, el propio núcleo fue roto, revelándose como una mezcla de protones cargados positivamente y neutrones sin carga, ambos mucho más pesados que el efímero electrón y unidos por la fuerza nuclear fuerte. Conseguir despegar el adhesivo energético del núcleo se convirtió en el santo grial para los científicos.
Ruptura El primer intento exitoso para dividir el núcleo tuvo lugar en 1932. Cockroft y Walton en Cambridge, Inglaterra, dispararon protones a gran velocidad sobre metales. Los metales cambiaron de composición y liberaron energía de acuerdo con la ecuación E=mc2 de Einstein. Pero estos experimentos precisaban un aporte de energía mayor que la que se creaba y por tanto los físicos no creían que fuera posible aprovechar esta energía para usos comerciales.
«… gradualmente llegamos a la conclusión de que quizá no habría que pensar en el núcleo como si estuviera partido por la mitad con un cincel, sino que quizá había algo de cierto en la idea de Bohr de que el núcleo era como una gota líquida.»
Otto Frisch, 1967
En 1938 los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann dispararon neutrones sobre el elemento pesado uranio, tratando de crear nuevos elementos aún más pesados. En su lugar, descubrieron que emitían elementos mucho más ligeros, algunos con la mitad de la masa del uranio. Era como si el núcleo se rompiera por la mitad al ser bombardeado por algo que tenía menos de la mitad de su masa; como una sandía que se divide en dos mitades al ser golpeada por una cereza. Hahn comunicó esto a Lise Meitner, la colega austríaca exiliada que acababa de huir de la Alemania fascista a Suecia. Meitner se sintió igualmente asombrada y discutió este resultado con su sobrino físico, Otto Frisch. Meitner y Frisch se percataron de que la energía se liberaba cuando el núcleo se dividía porque las dos mitades asumían menos energía en conjunto. A su regreso de Dinamarca, Frisch no pudo contener su excitación y comentó su idea con Niels Bohr. Embarcado en un viaje hacia América, Bohr se puso a trabajar de inmediato para elaborar una explicación, transmitiendo las noticias a Enrico Fermi, de la Universidad de Columbia.
Meitner y Frisch publicaron su artículo adelantándose a Bohr, introduciendo la palabra «fisión», copiando la división de una célula biológica. De vuelta en Nueva York, Fermi y el exiliado húngaro Léo Szilárd se dieron cuenta de que esta reacción del uranio producía neutrones sobrantes capaces de generar muchas fisiones y, por tanto, podría prolongarse hasta producir una reacción nuclear en cadena (una reacción autoalimentada). Fermi obtuvo la primera reacción en cadena en 1942 en la Universidad de Chicago, bajo el estadio de fútbol.
La energía nuclear
Las reacciones subcríticas en cadena pueden mantenerse estables y utilizarse en las centrales nucleares. Las palancas de control de boro regulan el flujo de neutrones por el combustible de uranio absorbiendo los neutrones sobrantes. Además, se requiere un refrigerante para reducir el calor procedente de las reacciones de fisión. El más común es el agua, pero también se utilizan agua presurizada, gas helio y sodio líquido. En la actualidad, Francia es la primera potencia nuclear del mundo, y produce más del 70% de su energía total comparado con el 20% aproximadamente en Estados Unidos o el Reino Unido.
Reacción en cadena El colega físico Arthur Compton recordaba el día: «En el balcón, una docena de científicos vigilaban los instrumentos y manejaban los controles. En la habitación había una enorme pila cúbica de bloques de grafito y uranio en el que esperábamos desarrollar la reacción en cadena. En unas aberturas practicadas en esta pila estaban las barras de control y seguridad. Tras unas cuantas pruebas preliminares, Fermi dio la orden de retirar otros 30 cm la barra de control. Sabíamos que ésa iba a ser la prueba definitiva. Los contadores Geiger que registraban los neutrones del reactor comenzaron a chasquear cada vez más rápido hasta que el ruido llegó a ser ensordecedor. La reacción aumentó hasta el punto de que podía haber peligro de radiación en la plataforma donde nos encontrábamos. “Tirad de las palancas de seguridad”, ordenó Fermi. El estruendo de los contadores descendió a una débil serie de chasquidos. Por primera vez, se había liberado energía atómica. Se había controlado y se había detenido. Alguien tendió a Fermi una botella de vino italiano y se efectuó un pequeño brindis».
El proyecto Manhattan Szilárd estaba tan preocupado porque los científicos alemanes copiaran su logro que contactó con Albert Einstein y ambos presentaron una carta conjunta para advertir al presidente Roosevelt en 1939. Sin embargo, hasta 1941 no sucedió gran cosa, pero ese año los físicos británicos compartieron un cálculo en el que mostraban lo fácil que era construir un arma nuclear. Esto coincidió con el ataque japonés a Pearl Harbour y muy pronto Roosevelt inició el proyecto nuclear norteamericano, conocido como proyecto Manhattan. Estaba dirigido por el físico de Berkeley Robert Oppenheimer desde una remota y secreta base en Los Álamos, Nuevo México.
«Creí que ese día quedaría como una jornada negra en la historia de la humanidad… también era consciente del hecho de que había que hacer algo si los alemanes conseguían la bomba antes que nosotros… Tenían a la gente adecuada, para lograrlo … No teníamos elección, o al menos así lo creíamos.»
Léo Szilárd, 1898-1964
En el verano de 1942, el equipo de Oppenheimer diseñó los mecanismos de la bomba. Para iniciar la reacción en cadena que desembocara en una explosión era necesaria una masa crítica de uranio, que había que dividir antes de la detonación. Se favorecieron dos técnicas, un mecanismo del «revólver», en el que se disparaba un trozo de uranio dentro de otro con explosivos convencionales para completar la masa crítica, y un mecanismo de «implosión», donde los explosivos convencionales hacían que una esfera hueca de uranio implosionara en un núcleo de plutonio.
El uranio se puede encontrar en dos tipos o isótopos, con un número diferente de neutrones en el núcleo. El isótopo más común, el uranio-238, es diez veces más común que el otro, el uranio-235. Este último es el más efectivo para una bomba de fisión, así que se enriquece el uranio crudo a uranio-235. Cuando el uranio-238 recibe un neutrón se convierte en uranio-239. El plutonio-239 es inestable y su ruptura produce mayor número de neutrones por gramo, de manera que al mezclarlos con plutonio se puede iniciar fácilmente una reacción en cadena. El método del revólver se utilizó con uranio enriquecido para construir el primer tipo de bomba, llamada «Little Boy». También se construyó el tipo de bomba de implosión esférica, que contenía plutonio, y se le dio el nombre de «Fat Man».
El 6 de agosto «Little Boy» fue lanzada contra Hiroshima. Tres días después, «Fat Man» destruyó Nagasaki. Cada bomba liberó el equivalente de unas 20.000 toneladas de dinamita, matando en el acto entre 70.000 y 100.000 personas, y el doble a más largo plazo.
Cronología:
1932 d. C.: James Chadwick descubre el neutrón.
1938 d. C.: Se observa la fisión atómica.
1942 d. C.: Se produce la primera reacción en cadena.
1945 d. C.: Se lanzan las bombas atómicas en Japón.
1951 d. C.: Se genera electricidad por medio de energía nuclear.
La idea en síntesis: la división del átomo