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A fines de 1938 en Alemania, los químicos Otto Hahn y Fritz Strassmann accidentalmente dividieron el núcleo atómico al bombardear uranio natural con neutrones.

Esa navidad en Suecia, Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch correctamente interpretaron los resultados del experimento alemán y además estimaron una pequeña pero significativa cantidad de materia sería convertida en energía en el proceso que llamaron fisión nuclear.

Usando la famosa fórmula de Einstein que relaciona materia y energía (E=mc2) pudieron estimar que la fisión de un núcleo de uranio liberaría cerca de 200 MeV, esto es millones de veces la energía promedio liberada en una reacción química.

Dado que los explosivos son una aplicación de la energía liberada por reaciones químicas, el descubrimiento de un proceso que produce millones de veces más energía llevó a una inmediata conexión entre el futuro de la física nuclear y sus posibles aplicaciones militares. Además ante el inminente conflicto en Europa a fines de la década de 1930 era claro que los científicos jugarían un rol clave en la gran guerra.

Hace unos años relaté como mi interés por la física nació debido a mi curiosidad por esas aterradoras y a su vez maravillas del ingenio humano llamadas armas nucleares. Una de las dudas que tuve por mucho tiempo fue en qué momento las ecuaciones en pizarras y equipos de laboratorio dieron paso a la consideración de los usos militares de la fisión nuclear. Con los años aprendí que la consideración fue inmediata, sin embargo la idea fue inicialmente descartada debido a su gran complejidad y poca aplicación práctica.

Luego de esa navidad junto a su tía dilucidando la física de la fisión nuclear, Otto Frisch regresó a Copenhagen donde trabajaba en el prestigioso instituto de Niels Bohr. Allí consideró además que la energía liberada no sólo era órdenes de magnitud mayor que cualquier reacción química conocida sino que también sería suficiente para producir además de los fragmentos nucleares la emisión de nuevos neutrones. Estos neutrones secundarios podrían a su vez dividir otros núcleos de uranio; así mientras los recién liberados neutrones encontraran más uranio en su camino la liberación de energía nuclear podría continuar de manera indefinida e incluso crecer exponencialmente, lo que se llama una reacción en cadena. En esos días Bohr se preparaba para una larga estadía junto a Einstein en Princeton por lo que Frisch le describió su trabajo con Meitner rápidamente antes del viaje.

Bohr estaba fascinado, con este resultado se abría la puerta a una revolucionaria forma de generar energía. Bohr le prometió a Frisch llevar la noticia al resto del mundo pero sólo después de que artículo apareciera publicado para que él y su tía recibieran el merecido reconocimiento. Bohr cruzó el Atlántico encerrado en su cabina del barco reproduciendo los cálculos de Frisch y Meitner, confirmando sus resultados junto a su asistente Leon Rosenfeld.

Al llegar a Estados Unidos Bohr (quien olvidó mencionarle a Rosenfeld la promesa de silencio hecha a Frisch) pasaría unos días con Enrico Fermi en New York mientras que Rosenfeld iría directamente a Princeton con John Wheeler quien le esperaba en el puerto. En este viaje Rosenfeld le contó a Wheeler sobre el trabajo de Frisch y Meitner. Wheeler que era el organizador de los seminarios en Princeton quedó tan asombrado que le pidió a Rosenfeld dar un seminario extraordinario en la universidad.

Al término de la presentación teóricos corrieron a sus pizarras y experimentales comenzaron a reproducir el experimento de Hahn; en cuestión de horas la noticia ya circulaba por todo el país. Todo laboratorio con acceso a muestras de uranio comenzó a bombardearlo con neutrones repetiendo el experimento de Hahn-Strassmann y confirmando los cálculos y estimaciones de Meitner-Frisch. Los usos pacíficos y militares de este descubrimiento eran obvios.

littleboyNiels Bohr era un pacifista y la idea de una bomba fue su primer temor, sin embargo se tranquilizó cuando demostró que en la práctica un arma era imposible. El análisis inical era el siguiente: ¿podría usarse la energía liberada por la fisión nuclear para construir un arma? En teoría sí, sin embargo la cantidad de uranio necesario sería enorme por lo que una bomba sería tan grande y pesada que sería imposible transportarla, convirtiéndola en un artefacto no apto para uso militar.

Sin embargo Bohr fue más allá y se encargó personalmente de demostrar que construir una bomba nuclear sería imposible. Bohr era uno de los físicos más respetados por la comunidad científica y con este estudio esperaba eliminar cualquier duda sobre el asunto, lo que encaminaría el desarrollo de la física nuclear sólo con aplicaciones pacíficas. Bohr descubrió que el proceso observado por Hanh y Strassmann correspondía a la fisión de núcleos de uranio-235, el que compone menos del 1% del uranio natural, el otro 99% está compuesto por uranio-238 cuyas propiedades lo hacen inútil para construir una bomba. La única manera de resolver este problema, en palabras de Bohr, sería desarrollar un método para extraer las minúsculas cantidades de uranio-235 del abundante uranio-238, sin embargo estos isótopos son químicamente idénticos por lo que sería imposible separarlos.

Incluso si se inventara un método de separación, el proceso tomaría años y requeriría la capacidad industrial, técnica y científica de un país entero. Bohr claramente subestimó el interés que un arma tan poderosa causaría y su predicción fue justamente lo que se logró en el proyecto Manhattan, que requirió los esfuerzos y aportes económicos de tres países (Estados Unidos, Reino Unido y Canadá).Una pregunta que nace con esta historia es ¿cómo un grupo de científicos logró movilizar países enteros? ¿cómo es posible que los correspondientes departamentos de guerra hayan decidido poner atención a lo que un grupo de científicos proponía? En otras palabras: ¿qué es lo que convenció a los militares en tiempos de guerra de que arriesgar gran parte de la capacidad industrial y recursos económicos en un arma experimental era una buena inversión militar? Una de las grandes motivaciones de los aliados para poseer esta bomba experimental era que Alemania podría estar trabajando en su propia versión.

Varios de los más importantes expertos en física y química nuclear eligieron quedarse en Alemania, incluyendo el mismísimo Otto Hahn y el gran Werner Heisenberg, discípulo de Bohr y uno de los padres de la mecánica cuántica. Para aumentar las sospechas, otro químico que permaneció en Alemania durante la guerra fue Klaus Clusius, quien había recién inventado un método para separar elementos químicamente idénticos.

El temor de los aliados aumentó cuando los nazis invadieron Bélgica y detuvieron la exportación de uranio (las minas de uranio más grandes estaban en el Congo Belga) y luego con la toma de la planta de agua pesada en Noruega (agua pesada es material necesario en un reactor nuclear). Otra de las más grandes reservas de uranio estaba en Checoslovaquia también en manos de los nazis. Otros hechos dejaban en claro de la existencia de un programa nuclear en Alemania durante la guerra por lo que el desarrollo de una bomba nuclear era ahora una carrera: no había dudas de que quien lograra construir la bomba ganaría la guerra. Sin embargo siempre me cuestioné cómo es que los militares estarían dispuestos a aceptar la inversión en una única arma, sin siquiera saber si funcionaría. Una forma de entenderlo es comparándola con el arma estándar en esa época: la bomba AN-M64A1, que liberaba su energía con la explosión de 119 kg de TNT.

Ahora vuelvo al título de este artículo: ¿cuánta energía libera una explosión nuclear? para lo responderé una pregunta equivalente ¿cuánta energía libera la fisión de 1 kg. de uranio-235?La energía liberada en la fisión de un núcleo de uranio-235 es 170 MeV, ahora es necesario determinar cuántos núcleos hay en 1 kg de uranio-235, lo que se obtiene calculando el número de moles en 1 kg y luego multiplicando por el número de Avogadro:N_{\text{n\'ucleos}} = \frac{1 \text{ kg}}{\text{peso at\'omico}} \, N_A = \frac{1 \text{ kg}}{235 \text{ gr/mol}} \, 6.02\times10^{23} \text{ n\'ucleos/mol} = 2.56 \times10^{24} \text{ n\'ucleos}Por lo tanto la energía liberada cuando todos los núcleos en 1 kg de uranio-235 se fisionan es:E_{\text{fisi\'on 1 kg U-235}} = 170 \text{ MeV} \times (2.56 \times 10^{24}) = 4.35 \times 10^{26} \text{ MeV}Esta unidad de energía (MeV) es muy útil en física pero es poco práctica para dimensionar su poder destructivo. En armamento se utiliza la unidad kiloton (kt), que corresponde a la energía liberada por la explosión de 907 000 kg de TNT y se relaciona con MeV de la siguiente manera:1 \text{ MeV} = 3.8 \times 10^{-26} \text{ kt}por lo que podemos escribirE_{\text{fisi\'on 1 kg U-235}} = (4.35 \times 10^{26}) \times (3.8 \times 10^{-26} \text{ kt}) \approx 17 \text{ kt}Este valor de 17 kilotones es muy cercano a la energía liberada por la bomba usada en Hiroshima, la primera (y única) bomba de uranio usada en la historia. Para una comparación, la energía liberada por una bomba AN-M64A1 es:E_\text{AN-M64A1} = 119 \text{ kg TNT} \times \frac{\text{1 kt}}{9.07 \times 10^5 \text{ kg TNT}} = 1.3\times10^{-4} \text{ kt}Ahora es posible realizar una comparación directa:\frac{E_{\text{fisi\'on 1 kg U-235}}}{E_\text{AN-M64A1}} = \frac{17 \text{ kt}}{1.3\times10^{-4} \text{ kt}} = 130\,769es decir, la energía liberada en la explosión de Hiroshima corresponde a más de 130 000 bombas de aquella época. El más avanzado bombardero en 1945 (B-29) podía transportar un máximo de 40 bombas AN-M64A1; en el bombardeo de Hiroshima una única bomba poseía el poder desctructivo de más de 3000 bombarderos liberando todo su arsenal y explotando a la vez.Bomba de uranio-235 “Little Boy” siendo instalada previo al bombardeo de HisroshimaEste simple cálculo muestra por qué esta terrible arma se convirtió en la meta durante la Segunda Guerra Mundial y a la vez explica el temor que causaba en los aliados que los nazis lograran desarrollarla.

Después de la guerra fue posible conocer que el programa nuclear nazi fue a pequeña escala, nunca recibió el apoyo financiero que necesitaba (Hitler apostó por los cohetes de Werner von Braun) y el trabajo de Heisenberg y su equipo sólo se limitó a construir un reactor nuclear que, aunque estuvo cerca, nunca llegó a funcionar debido a la falta de uranio.

Durante la guerra fría nuevas y más poderosas armas fueron diseñadas y puestas a prueba. La energía liberada no se medía en kilotones sino que en megatones (1 megaton = 1000 kilotones). La mayor explosión fue un experimento en una isla del océano ártico donde la bomba soviética Tsar liberó 500 megatones en 1961, equivalente a casi 30 000 bombas de Hiroshima.Luego de Nagasaki la mayoría de las bombas usaban plutonio en vez uranio por ser “más fácil” de fabricar y por producir explosiones más eficientes. Luego de Little Boy (la bomba lanzada en Hiroshima), la siguiente bomba de uranio-235 fue rediseñada para ser lanzada por un cañón y puesta a prueba en 1953 en el famoso test Grable de la operación Upshot-Knothole, también apodado cañón atómico, que liberó una energía estimada en 15 kilotones, producido por la fisión de casi un kilogramo de uranio-235.

Con fines educacionales el historiador nuclear Alex Wellerstein desarrolló una aplicación que permite dimensionar los efectos de explosiones nucleares en cualquier lugar del mundo usando Google Maps. Su NukeMap permite escoger el blanco y las características de la explosión, como la energía liberada en kilotones además de una lista de bombas famosas.

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