PRIMERA TAREA SOBRE LA RELATIVIDAD

LIBERACIÓN DE ENERGÍA

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.

Conociendo la operación del sistema se pueden hacer los cálculos necesarios por una persona calificada en el tema.

PRIMERA PARTE

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.

Se obtiene la implosión de la magnitud necesaria con un adecuado diseño del sistema iniciador. La vía más práctica para conocer las particularidades de la implosión es sabiendo el mecanismo de una explosión.

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.

La fisión causa la fusión atómica y esta a su vez produciré la reacción en cadena que liberará mayores cantidades de energía. La fuerza del tren implosivo resultará magnificada a niveles observados solo en los fenómenos cósmicos.

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.

CONCLUSIONES

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.