LIBERACIÓN DE ENERGÍA DEL
CAMPO ATÓMICO
UNA ALTERNATIVA COLOMBIANA
IVÁN
DARÍO GONZÁLEZ URÁN
INTRODUCCIÓN
Normalmente se piensa que la dificultad
principal para fabricar un dispositivo nuclear está en el diseño del mismo. Con
el fin de desvirtuar la idea vamos a mostrar, de forma sencilla, la estructura
de las primeras armas atómicas y como es de fácil disponer de ellas. Así mismo
pretendemos, con esta presentación, contribuir a la creación de mentalidad
tecnológica colombiana aplicada al ámbito militar.
Estudios de esta naturaleza presentan
obstáculos técnicos, económicos y políticos. En primer término es habitual el
secreto mantenido por las naciones que han desarrollado capacidad atómica para
su seguridad nacional.
El sigilo en el área técnica podemos subsanarlo
con nuestra creatividad. Así logramos un paso importante en el conocimiento y
en el enriquecimiento tecnológico nacional. También quedará claro que las
principales restricciones están en el campo económico y político y no en la inventiva.
Como segunda medida. Los procesos industriales
para obtener los materiales requeridos son complejos. La logística
especializada y la peligrosidad en el manejo incrementan los costos
considerablemente. Además requiere de personal calificado en conocimientos de
restringida difusión.
Los costos para montar las instalaciones y los laboratorios
son el principal obstáculo para que un país como el nuestro pueda ejecutar un
proyecto de esta índole. Sin embargo los materiales están proliferando por el
creciente uso de la energía atómica para generar electricidad.
No solo la producción facilita su consecución.
La necesidad de deshacerse de los elementos resultantes y las restricciones económicas
están estimulando su comercialización entre los países productores y los no
productores. El alto valor de estas sustancias está propiciando un mercado
negro cuando los controles en las plantas nucleares no son muy estrictos y los
operarios sufren necesidades económicas.
En el campo político. Solo bajo un inminente
riesgo nacional puede darse la voluntad para apropiar los recursos necesarios para
una aplicación puramente bélica. En nuestro caso debemos tener presente la prioridad
actual del mejoramiento social del pueblo colombiano mientras no se presente
una imperiosa situación internacional.
La consecuencia de no investigar en este campo
el de que no hacemos nada por progresar en el campo de la investigación
analítica. Los costos propios de la investigación analítica son aceptables por
no demandar prácticamente ningún dinero. En el caso futuro de vernos obligados
a un máximo esfuerzo militar, por razones de seguridad nacional, vamos a tener
una situación difícil para adelantar un proyecto de estas características.
Continuando estáticos en el presente,
tendríamos que partir de cero cuando se necesite a pesar de haber tenido la
oportunidad de anticipar la parte inicial y básica del proceso. Como lo son los
estudios teóricos.
Para contribuir a subsanar la deficiencia
actual en la materia, el siguiente análisis muestra un prototipo de la primera
generación de liberadores de energía atómica no controlada. Es la partida para
cuando se tenga la necesidad de convertirlo en realidad. Esperamos que tal
hecho no tenga lugar. Pero en este tema nunca es tarde estar preparados.
GENERALIDADES
La
energía cósmica proviene de las transformaciones de la materia en el interior
de las estrellas como parte del proceso evolutivo del universo, en forma natural y espontánea. Cuando se reúnen las condiciones,
en un cuerpo celeste, para iniciar el fuego
atómico, el fenómeno se dispara dando lugar al nacimiento de una fuente de
energía que llena el espacio con su radiación. Es el cotidiano espectáculo
visto en las noches como lo son las románticas estrellas.
Después
de una chispa inicial, el proceso se retroalimenta manteniéndose activo como
fuente de luz, calor y radiación durante millones de años. Nuestro sol es un ejemplo. Y el combustible es la materia en una
constante transformación liberando energía.
El fenómeno puede ser generado en nuestro
medio. Los factores que debemos reunir y lo extremo de sus magnitudes, hacen
difícil la reproducción en el ambiente terrestre en la misma forma como sucede
en el espacio. Sin embargo, podemos producirlo en pequeña escala con otros
procedimientos y siguiendo pasos similares a los que se presentan en el
universo.
Con el fin de facilitar la comprensión del
diseño hemos evitado la parte cuantitativa para concentrar la atención en la
estructura y el funcionamiento del dispositivo.
REACCIONES
ATÓMICAS
Existen dos formas básicas de extraer la
energía contenida en la materia que componen la naturaleza.
El proceso de desintegración o integración atómico
es una aplicación de la teoría que considera la materia como una forma de
energía. El primero es denominado Fisión y el segundo Fusión. Es la
clasificación habitual de las técnicas de liberación de la energía a nivel de
partículas fundamentales.
Todos los cambios en la naturaleza, tanto
cósmicos como terrestres, buscan el estado de equilibrio y estabilidad donde no
suceda ninguna transformación. Por eso decimos que algunos elementos son más
inertes que otros. Pero esa tendencia
no es evidente en los átomos de estructuras complejas. En forma espontánea, los
últimos, están perdiendo partículas y emitiendo energía en una constante
evolución. Las sustancias compuestas por estos átomos son las conocidas como
Radioactivas y ocupan los últimos lugares en la Tabla Periódica de Elementos.
Los Elementos Radiactivos se encuentran
dispersos en la tierra en bajas concentraciones. Procesándolos podemos reunir
las cantidades y calidades necesarias para una aplicación práctica. Una forma
de hacerlo es con métodos controlados en instalaciones industriales y en los ya
comunes reactores atómicos de generación eléctrica.
El Uranio natural esté constantemente emitiendo
radiación sin causar mayores efectos en el medio ambiente debido a su baja
concentración. El fenómeno, de manera natural, es a largo tiempo. A tal punto
que la pérdida de sus características, para convertirse en un elemento más
estable, requiere de millones de años.
REACCIÓN
POR FISIÓN
La Fisión Natural es la degradación de la
materia a nivel atómico que se muestra como la radioactividad espontánea.
Para nuestro propósito, es la misma
transformación pero acelerada de manera artificial. La fisión acelerada hace
que la transformación suceda en firma instantánea creando un foco concentrado
que genera una explosión. Es hacer que transcurran millones de años de lenta mutación,
en fracciones de segundo. Una fisión de estas características, puede generarse
de diferentes maneras pero el método más elemental es la primera parte de este
análisis.
Para crear un dispositivo de fisión es
necesario tener en cuenta que los átomos de estructura simple son más estables
que los de estructura compleja. Por lo anterior, debemos emplear átomos de
núcleos pesados de significativa inestabilidad que facilitan el rompimiento y disminuyen
las complicaciones técnicas. Tal inestabilidad y rompimiento está muy ligado
con un fenómeno que se denomina la “Permeabilidad del Núcleo Atómico”.
Con materiales emisores, como por ejemplo el Plutonio,
conseguimos la radiación necesaria para atacar fisionar la mayor cantidad posible
de átomos. Estos, a su vez, cuando se rompen, generan más partículas que actúan
sobre otros átomos. Así, sucesivamente, produciendo una reacción en cadena exponencial
que se retroalimenta. Es una acumulación de energía en progresión geométrica.
MASA
CRÍTICA
Para que lo anterior sea posible se debe
disponer de una cantidad y concentración mínima de átomos emisores próximos a
la inestabilidad y permeabilidad.
Esto obliga a la obtención de una calidad y
cantidad específica del material para concentrar la radiación que genere la reacción
creciente.
Las dificultades técnicas para lograr la
calidad demandada determinan un límite de aceptación en la cantidad material
necesario. Es así como la baja concentración, no lograble en el proceso de
purificación, se suplen con la cantidad. Balanceando estos factores definimos
la cantidad de material como el mínimo necesario para causar el efecto
retroalimentador que libera una emisión instantánea de energía.
La relación mencionada determina el concepto
denominado "Masa Crítica". Si no se tiene la Masa Crítica, no es
factible producir la fisión por el simple método que se expone más adelante.
Existen "otras técnicas que simplifican el
diseño, pero no pertenecen a la primera generación de dispositivos de
desintegración atómica.
La masa crítica puede disminuirse con
materiales radioactivos refinados y con avanzados iniciadores, que emplean
osciladores de Energía Electromagnética Resonante. La miniaturización ha
permitido la capacidad atómica incluso en proyectiles de artillería
convencional.
De esta manera la masa crítica también se determina
por las características del mecanismo iniciador de la fisión atómica. Una baja
concentración de isótopos inestables requiere de un potente y voluminoso
iniciador. Y lo contrario, si la masa crítica es rica en átomos inestables
puede usarse un pequeño y sofisticado iniciador.
Llegando a la miniaturización.
SISTEMA
INICIADOR
El iniciador es similar al llamado
"Multiplicador" en un sistema de demolición convencional. O la
espoleta de una carga explosiva. Su función es la de desestabilizar el componente
principal de la carga detonante.
Existen diferentes diseños de una bomba atómica.
Pero solo trataremos la técnica más elemental que se ha empleado para lograr el
fenómeno de la fisión generalizada.
La radiación se emite en todas direcciones
desde un material radioactivo y la concentración de esa radiación disminuye en
relación geométrica con la distancia del emisor. Es como si se estuviese
produciendo una lenta explosión durante muchos años y que puede ser acelerada artificialmente.
La idea consiste en confinar y revertirla,
sobre si misma, empleando un sistema que detenga la fuga indiscriminada. De tal
forma que no solo pueda confinarla sino también concentrarla hasta alcanzar la
saturación necesaria para su autoexcitación. Es una barrera que atrape la
energía emitida causando una autoirradiación. Si se usa el material emisor
adecuado y un mecanismo de atrapamiento eficiente, la cantidad de energía
activa, reunida en el foco, alcanzará el nivel necesario para causar una
destrucción masiva de átomos en forma caótica y descontrolada.
El efecto final es una intensa agitación de las
partículas que produce más desintegración atómica, con su propia radiación
natural más la que resulta de la interacción entre la irradiada y la latente
que se encuentra en su interior.
INICIADOR CON ESCUDO DE ENERGÍA
La capacidad de penetración de la radiación dificulta
el confinamiento en contenedores, reflectores o corazas de confinamiento.
Tenemos que usar un escudo dinámico capaz de encerrar las emisiones en la
cantidad necesaria para causar la destrucción de otros átomos, creando así el
primer eslabón de la reacción en cadena.
La característica principal de esa pantalla tiene que ser su capacidad de
concentración. Para esto se emplea una onda de choque de alta energía (Plasma)
implosiva que retiene la radiación.
FORMA
DE UNA EXPLOSIÓN
Cuando producimos una explosión convencional se
causa una concentración de gases a elevada temperatura y presión. Esta concentración
instantánea se disipa empujando hacia el exterior en todas direcciones. La
propagación a alta velocidad en la atmósfera crea un frente de llama y una onda
de choque con capacidad de daño.
FORMA
DE UNA IMPLOSIÓN
Por el principio de acción y reacción, la fuerza
que impulsa hacia el exterior a una explosión implica una reacción contraria hacia
el interior, conocida como implosión. La implosión se dirige al centro,
causando una alta concentración energética.
La idea es adecuar el efecto implosivo para
generar una barrera de energía con capacidad de contener la radiación.
FACTORES PARA CREAR UNA FUERTE
IMPLOSIÓN
TIPO DE MATERIAL
La magnitud del efecto implosivo depende de la
fuerza de la explosión. Entre más fuerte sea la explosión mayor es la implosión.
Es necesario el empleo de explosivos de las mejores características y
propiedades como los "Explosivos Plásticos" que poseen buena
estabilidad y alta potencia. Como el manejo de las fuerzas internas de una
explosión es complicado y controlar para causar la implosión, la forma práctica
de hacerlo es crear una explosión manejando un “tren explosivo de cargas
dirigidas”.
CARGA
DIRIGIDA
La onda de choque explosiva podemos manipularla
para que se dirija hacia el interior creando una onda de choque lenticular dirigida
aplicándola en el lugar necesitado, que es el material radioactivo.
La onda de choque dirigida se comporta según la
forma de la carga. Las cargas lenticulares permiten calcular el punto focal
donde se máxima la potencia. Utilizando cargas dirigidas fabricadas con
explosivos de alto poder se produce el efecto sumatorio necesario para la
barrera de energía que necesitamos.
IMPLOSIÓN
CON CARGAS DIRIGIDAS
Organizando las cargas de tal manera que las
ondas de choque explosivas dirigidas se enfrenten unas con otras en un mismo
punto, obtenemos una fuerte implosión premeditada.
La confluencia de estas explosiones, en un
mismo punto, tiene más potencia que la simple implosión producida en el
interior de una carga explosiva cuando detona, porque es la implosión que resulta
de concentrar explosiones empleando cargas dirigidas. El sistema de disparo se
calculará para obtener la simultaneidad necesaria.
TREN
IMPLOSIVO
Otro efecto multiplicador a aplicar es el
"tren implosivo”. Este consiste en la sincronización de las
ondas de choque provenientes de una serie de cargas implosivas.
La secuencia implosiva es organizada para que las ondas de choque se adicionen
creando una onda final amplificada.
El tren implosivo es detonado calculando la
velocidad de propagación del frente para asegurarse que la onda de choque inicial
se sumará a la siguiente y así, progresivamente, con las demás.
Esta secuencia puede hacerse de cuantas etapas
como sea requeridas, hasta generar la barrera energética para contener la
radiación que queremos atrapar.
El cálculo de la velocidad requiere de precisión,
porque así como se logra la sumatoria de las ondas, puede llegarse al efecto atenuador,
con la consiguiente pérdida de lo acumulación de potencia. La simultaneidad de
las cargas iniciadoras también debe estar dispuesta con exactitud.
El resultado final es un tren implosivo de
cargas dirigidas de explosivo que condensa su poder en la medida que se
aproxima al punto focal.
CONSIDERACIONES ADICIONALES
ESTABILIDAD DE LAS ETAPAS
El material explosivo es normalmente estable
pero es activado por un frente de llama fuerte. Solo es necesario iniciar la
carga externa y esta actuará de excitadora de las cargas internas en secuencia
progresiva.
Las cargas pueden organizarse en un orden de
estabilidad creciente por resonancia en la dirección de propagación del frente
de llama. Iniciamos el tren por la parte externa donde la carga es de menor mayor
potencia para haga efecto de contención y esta excita, con su detonación, las
cargas internas. Esto nos evita una implosión descontrolada que no siga la
mecánica requerida.
EFECTO RESONANTE
El tren implosivo, organizado en la forma descrita,
causa efecto resonante en las ondas de choque aumentando su poder hasta causar
el colapso general. El efecto resonante tiene la característica de acumular
energía hasta el nivel requerido para actuar sobre una masa crítica.
En la medida que la onda implosiva se dirige al
interior, ganará la potencia necesaria para rechazar la radiación que emana de
un núcleo atómico localizado en el centro. Este emisor recibe todo el impacto
de una descarga de alta energía que retiene la radiación para causar la reacción
atómica en cadena.
Como
anotación al margen, debemos agregar que la resonancia de las fuerzas que
gobiernan las partículas, es aplicable a otro diseño de dispositivos más
sencillos y más compactos del que hemos estado describiendo. Por ejemplo, una
oscilación resonante de la energía de las partículas hace que estas salgan de
su estado de equilibrio. El fenómeno emplea la teoría, relacionada con los
niveles de energía de los átomos.
RESULTADO
FINAL
El efecto implosivo concentra su potencia en
relación geométrica a medida que se aproxima al punto de enfoque. De esta manera
arrastrará con la energía radiante quien seguirá el mismo mecanismo de concentración
sumándose al tren implosivo.
Cuando la energía se haya agrupado, los átomos
entrarán en intensa actividad y agitación. La estabilidad interna del átomo se
romperé debido a la temperatura, presión y agitación. Además estarán presentes
un gran número de partículas retenidas saturando el núcleo y espacio
interatómico.
La condición interior llega a ser de un gran
caos donde las estructuras atómicas se romperán liberando más partículas que
actuarán sobre otros átomos generando la reacción en cadena.
En los cuerpos celestes la concentración se da
de manera natural por el fenómeno de fuerzas gravitatorias crecientes. En la
medida que la materia se condensa aumenta el campo de la atracción. Los átomos
llegan a colisionar liberando formas de energía que desencadenan una explosión
dando lugar al nacimiento de las estrellas. El mecanismo es efectivo por
tratarse de gigantescas masas de materia con indescriptibles fuerzas.
En nuestro caso, la implosión reemplaza las fuerzas
de atracción sobre un material sensible, así sea en ínfima cantidad, dispuesto
para tal fin, pero todo el conjunto actúa en semejante al de las estrellas.
Tenemos la gran ventaja, sobre el proceso
natural, de haber seleccionado elementos que contribuyen con sus emisiones a la
autodestrucción atómica sin tener que recurrir a grandes fuerzas gravitatorias.
En la evolución de la materia estelar están presentes diversos elementos que
solo pueden mutarse bajo condiciones en extremo descomunales y no reproducibles
en nuestro medio para aplicaciones prácticas.
SEGUNDA
PARTE
GENERALIDADES DE LA FUSIÓN
En la actualidad existen mecanismos
sofisticados y complejos para lograr la fusión. Para
facilitar la comprensión de la forma de un diseño básico,
partiendo de las primeras generaciones de artefactos atómicos. Pretendemos
seguir la secuencia que permitió desarrollar este conocimiento y que proviene
del perfeccionamiento de los dispositivos primarios.
Si el rompimiento de un átomo
pesado para formar estructuras atómicas más simples y livianas libera energía,
también puede hacerse por medio de la fusión de átomos. Es necesario que estos
se agrupen para crear un elemento más complejo pero de masa atómica menor que
la suma de las masas iniciales. La diferencia entre estas masas es la materia
que se disipará en forma de energía.
Fusionando considerables
cantidades de átomos, en corto tiempo, causa una liberación de tanta enérgica que
no es factible hacerlo de forma controlada. Después de generada la fusión
masiva de átomos, no se puede regular ni almacenar con los medios actualmente
conocidos. El resultado es una explosión
que proviene de la energía liberada.
SISTEMA INICIADOR
La fusión, y la fisión son fenómenos inversos y
podemos aplicarlos de manera relativa. La forma de causar una fusión atómica
significativa e instantánea es con el empleo de un dispositivo de fisión que
genere las condiciones requeridas.
REACCIÓN POR FUSIÓN
Una reacción por fusión es una liberación
masiva de radiación y alta agitación atómica que cause temperaturas de millones
de grados y una intensa presión. Así tendremos un punto de energía similar a
los cuerpos cósmicos emisores de luz y calor. En otros términos estamos creando
una microestrella.
Elementos con las características apropiadas
como el Hidrógeno, sometidos a estas condiciones, se fusionan evolucionando a
otras formas de la materia. Esta transformación se logra por ligazón de átomos
para constituir estructuras de mayor complejidad. El fenómeno libera, en forma
de energía, los elementos que no le sean necesarios para conformar la nueva
estructura.
El Hidrógeno es el primer elemento de la tabla
periódica. Su estructura atómica es la más sencilla de todos puesto que solo
consta de un electrón y de un protón. La fusión de dos átomos de Hidrógeno
conforma un átomo de dos electrones y dos protones correspondiente al Helio. La
energía solar se produce por este medio y lo que se pretende es repetirlo pero
en miniatura.
Existen formas de Hidrógeno que contienen
Neutrones no indispensables para formar el átomo de Helio y se fugan cuando se
produce la fusión.
Usando isótopos pesados de Hidrógeno se liberan
estos Neutrones bombardeando otros átomos activando la reacción en cadena
creciente.
Por medio de procesos químicos y físicos se
obtienen isótopos como el Tritio y el Deuterio. Estas formas del Hidrógeno tienen
tres y dos Neutrones en su núcleo que en el proceso de Fusión crean una intensa
radiación.
La idea final consiste en descargar las fuerzas
de la fisión del Uranio o de un tren implosivo de gran potencia, para que
asocie átomos de Hidrógeno pesado causando una fusión en cadena. Así la materia
básica se transforma en otra estructura atómica menos pesada, el helio, de la
misma forma como sucede en las estrellas.
EFECTOS
Todo el proceso termina formando un globo de
Plasma que contiene energía distribuida en forma de presión, calor y radiación.
La presión se manifiesta en una potente onda de choque que se propaga en la
atmósfera circundante. El calor y la luz son muy intensos cubriendo una extensa
área. La radiación es de efecto prolongado por su permanecía en el medio
ambiente.
CAMPO
TÉCNICO
Teóricamente el diseño de un dispositivo
atómico no es tan complejo como normalmente se piensa. Incluso la tecnología
actual permite la miniaturización para su manejo.
El principal obstáculo no está en el diseño
sino en el campo económico y los procesos industriales requeridos. Con las
perspectivas y tendencias de progreso del país, pensamos que en el futuro no
lejano, dispondremos de esas capacidades. Mientras esto sucede, paralelamente
debemos mantener actividad investigadora así sea en el campo teórico. Las
improvisaciones de último momento no se justifican si estamos en condición de
hacer las previsiones del caso.
El solo hecho de manejar la información aporta
una ventaja comparativa importante, porque de ella se parte para emprender un
proyecto. Esperar que sea demasiado evidente la necesidad para arrancar de la
nada, es una actitud inaceptable. Tendríamos que recorrer todo el camino en
condiciones de apremio impuestas por una amenaza inminente.
TENDENCIA
ATÓMICA MUNDIAL
La fabricación de dispositivos atómicos ya está
al alcance de países no desarrollados como la India, la China, Pakistán, Corea
del Norte. Esta tecnología se está difundiendo rápidamente con la creciente instalación
de reactores para generar electricidad y por la cantidad de personas
conocedoras del tema, que buscan países donde aplicar sus conocimientos.
Los pactos de desarme entre las potencias están
dejando sin ocupación a la actual generación de investigadores, que trabajan
con armas no convencionales, dispuestos a asesorar a quien los contrate.
Tan solo en el este asiático existen
actualmente más de cien (100) reactores en funcionamiento con Plutonio en países
como Indonesia, Malasia o Vietnam.
Los materiales radiactivos son sacados clandestinamente de las plantas atómicas por el personal cuando tienen necesidades con la complicidad de una seguridad inefectiva y desmotivada. Sustancias empleadas en otros propósitos de naturaleza pacífica. Pero también los desvían en otras aplicaciones de seguridad nacional.
Cuando el racionamiento de energía a nivel nacional nos hizo pensar en la generación eléctrica con medios atómicos, no podemos dejar pasar por alto que, simultáneamente podemos obtener el material aplicable en la defensa nacional. Por otra parte, ahora es factible conseguirse en los países con alta disponibilidad y con dificultades para deshacerse de él por los efectos de contaminación.
CAMPO POLÍTICO
Es nuestro deber hacer el esfuerzo mínimo que
nos permita la fuerza disuasora como respaldo a la política de negociación
contra las pretensiones externas sobre nuestros intereses nacionales. Ya nos
podemos imaginar las condiciones que nos serán impuestas por naciones
potencialmente hostiles y que, sumisamente, tengamos que aceptar por no tener
la capacidad de respuesta. Ignorar dicha realidad es dejarnos sorprender en el
campo de la seguridad nacional en la misma forma como sucedió con el sector
eléctrico.
Las naciones con capacidad nuclear o próxima a
adquirirla, tienen un trato especial en el contexto mundial en todos los
órdenes. Se crea respeto por su modo de vida e ideologías sociales. Las
consideraciones económicas y comerciales son preferenciales. La tecnología para
el desarrollo y bienestar de todo el país se intercambia con mayor facilidad.
Se adquiere respetabilidad política y aceptación como nación en vía de
desarrollo técnico y científico.
Los países no desarrollados tienden, por
instinto, a adherirse a los fuertes, para acogerse a su seguridad y capacidad
de influencia internacional. Motivo por el cual tenemos que pensar en ser una
nación fuerte. Al mismo tiempo los más dotados y ricos se agrupan en círculos
para defender su progreso y altos niveles de calidad de vida. Ingresar estas
sociedades y bloques de poder se logra distintas formas. Pero en lo relativo a
lo militar, se da por la tecnología las armas con la influencia que esto
implica a nivel mundial.
