¿Qué es ‘The Demon Core’ y por qué se llama así?

‘The Demon Core’ era una masa subcrítica de 6,2 kg de núcleo de plutonio construida durante la década de 1940 para ser utilizada en armas nucleares. El núcleo resultó en la muerte de dos científicos, lo que le valió el apodo extraño y siniestro.

En la década de 1940, durante la Segunda Guerra Mundial, los Estados Unidos de América desarrollaron tres núcleos de plutonio radiactivo para usar en sus bombas nucleares. Entre ellos, el primero se utilizó en la prueba nuclear Trinity, la primera explosión nuclear del mundo. El segundo núcleo fue el corazón de la bomba nuclear ‘Fat Man’ lanzada sobre la ciudad de Nagasaki, Japón.

Se suponía que el tercero se usaría en otra bomba, que se lanzaría sobre la ciudad de Tokio. Sin embargo, Japón se rindió tras las detonaciones en Hiroshima y Nagasaki, y la guerra llegó a su fin.

Por lo tanto, la tercera bomba no tuvo un uso inmediato, y su núcleo, llamado ‘Rufus’ fue enviado al Laboratorio de Los Alamos en Nuevo México para la investigación. Aquí, recibió el apodo ‘El núcleo del demonio ‘. Entonces, ¿cómo se convirtió ‘Rufus’ en ‘The Demon Core’? ¡Vamos a averiguar!

Implosion Arma nuclear

Núcleo de plutonio utilizado en la bomba atómica (Crédito de la foto: Ausis / Wikimedia commons)

¿Qué es el Demon Core?

Bola de metal

El Demon Core, a primera vista, parece una bola de metal ordinaria (Crédito de la foto: veinte20)

El núcleo del demonio es un 6.2 kg Esfera de Plutonio-Galio con un diámetro de 8.9 cm (más pequeño que una pelota de baloncesto). los Plutonio-239 El isótopo utilizado en el núcleo es un elemento artificial producido en reactores nucleares. Es muy inestable, radiactivo y se desintegra al emitir partículas alfa, lo que daña nuestros tejidos.

Por lo tanto, el núcleo tiene un revestimiento de níquel, que bloquea las partículas alfa de corto alcance y también evita que el núcleo se oxide. Además, debido a la radiactividad, el núcleo está caliente al tacto.

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Las partículas alfa son de corto alcance. Sin embargo, la inhalación y el contacto con el torrente sanguíneo pueden ser fatales (Crédito de la foto: concepto con Shutterstock)

El núcleo funciona según el principio de fisión nuclear. Pu-239 es un elemento fisible. Es decir, al absorber un neutrón, el núcleo de Pu-239 se divide en dos núcleos más pequeños liberando una gran cantidad de energía, junto con la liberación de 2 a 3 neutrones adicionales. Estos neutrones luego son absorbidos por otros núcleos de Pu y la fisión continúa. Esto da como resultado una reacción en cadena nuclear.

Diagrama de energía nuclear de la reacción de fisión nuclear (OSweetNature) s

Pu-239 sufre fisión nuclear. (Crédito de la foto: OSweetNature / Shutterstock)

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El núcleo está construido de tal manera que no entra en una reacción en cadena de inmediato por sí solo, sino solo cuando lo necesitamos.

¿Qué es el estado “supercrítico”?

Los materiales fisionables existen en tres estados; subcrítico, crítico y supercrítico.

Si los átomos de Pu están dispuestos de tal manera que, en promedio, cada evento de fisión no necesariamente desencadena otro evento de fisión, el sistema es Subcrítico. En este estado no se produce una reacción en cadena y la fisión simplemente se extingue.

En promedio, si cada reacción de fisión desencadena exactamente ‘una’ nueva reacción de fisión, el sistema se vuelve Crítico e inicia una reacción en cadena constante. Los reactores nucleares funcionan según este principio.

Finalmente, en promedio, si cada reacción de fisión desencadena más de una reacción de fisión, el sistema obtiene Supercrítico. Esto da como resultado una reacción en cadena que crece exponencialmente.

Sin embargo, la tasa de fisión no llega hasta el infinito. La tasa de fisión sigue aumentando hasta que el sistema finalmente alcanza su límite. Después de un tiempo, debido a la cantidad excesiva de energía, el sistema se deshace y la reacción cesa. Los núcleos de las bombas nucleares se basan en este principio.

Estados de criticidad

Estados de criticidad

Por lo tanto, en el núcleo, el plutonio debe mantenerse por debajo de una cierta masa, llamada Masa critica. Es la cantidad mínima de material fisionable necesaria para sustentar una reacción en cadena. Una vez que el plutonio alcanza su masa crítica, se inicia una reacción en cadena de fisión. Sin embargo, hay una trampa. Como sugiere el nombre, la masa crítica no depende únicamente de la “masa”.

Para una determinada masa de plutonio, la masa crítica se puede alcanzar manipulando otros factores, como la concentración, densidad o pureza del material. En otras palabras, la criticidad se puede lograr aumentando la interacción plutonio-neutrón. Analicemos esto con un poco más de detalle.

¿Cómo lograr la criticidad?

Hay diferentes formas de alcanzar la criticidad de una masa determinada de plutonio.

1. Aumento de la concentración de plutonio

Cuanto más se acercan los átomos de plutonio, mayores son sus posibilidades de colisionar con un neutrón. Por tanto, una mayor concentración conduce a la criticidad.

Muchos factores nos ayudan a lograr una disposición compacta de átomos de Pu. Éstos incluyen:

  • Forma: Una forma esférica es ideal para que los átomos estén más cerca. Por ejemplo, el galio ayuda a mantener el plutonio en forma esférica.
  • Densidad: Si la densidad es alta, habrá una gran cantidad de átomos empaquetados en un pequeño volumen.
  • Pureza: Cuanto más puro es el material, mayor es la concentración de átomos de Pu.

2. Reducir la pérdida de neutrones

En una reacción de fisión, no todos los neutrones liberados son capturados por otros núcleos. Algunos de los neutrones que se mueven rápidamente se filtran o escapan sin sufrir más reacciones. El uso de reflectores de neutrones resuelve este problema. Reflejan los neutrones de vuelta al sistema y ayudan a alcanzar la criticidad sin cambiar la masa de plutonio.

Experimentos de criticidad

En el laboratorio de Los Alamos, los científicos comenzaron experimentos de criticidad para ver hasta dónde podía llegar el núcleo antes de alcanzar la criticidad. Utilizaron reflectores de neutrones para evaluar la eficiencia del núcleo. El Demon Core estaba un 5% por debajo de la criticidad, lo que significa que incluso un pequeño disparador podría iniciar la reacción en cadena nuclear.

plutonio: estado subcrítico

La supercriticidad inicia una reacción en cadena exponencial

Los experimentos de criticidad son extremadamente peligrosos. Una vez que el núcleo se vuelve crítico, se inicia la reacción de fisión y se emite una cantidad letal de energía y radiación de neutrones, más que suficiente para matar a cualquiera en su vecindad.

Teniendo en cuenta los peligros involucrados, el famoso físico Richard Feynman describió el experimento como “Hacer cosquillas en la cola de un dragón dormido”. Más tarde, sus palabras se hicieron realidad. En dos años, dos científicos prominentes sucumbieron al fuego del dragón.

La primera víctima: Harry Daghlian

En 1945, el físico estadounidense Harry K. Daghlian comenzó a realizar experimentos de criticidad. El puso Ladrillos de carburo de tungsteno alrededor del núcleo para reflejar los neutrones en él. Probó diferentes números de ladrillos y diferentes orientaciones para ver qué acercaría el núcleo a la criticidad.

Configuración experimental de Daghlian

Configuración experimental de Daghlian. Ladrillos de carburo de tungsteno utilizados como reflectores de neutrones (Crédito de la foto: Laboratorio Nacional de Los Alamos / Wikimedia commons)

Sin embargo, la curiosidad se apoderó de él. Intentó probar el núcleo hasta su límite máximo. El 21 de agosto de 1945, cuando estaba a punto de colocar un último ladrillo, el mostrador indicó que colocar un ladrillo más haría que el núcleo se volviera “supercrítico”. En ese momento, trató de quitar el ladrillo con cuidado, pero accidentalmente ¡LO DEJÓ CAER!

¡El dragón estaba despierto!

Hubo un brillante destello de luz azul y una oleada de calor como el ladrillo cayó sobre el núcleo. Daghlian recibió alrededor de 500 rads de radiación, que es mucho más alto que el límite máximo de 200rem. Inmediatamente recuperó el ladrillo, pero esos segundos de exposición ya habían cavado su tumba. Pronto, entró en coma y murió 25 días después de la exposición a la radiación. Esta fue la primera muerte debida a un experimento de criticidad.

Monumento a Harry K. Daghlian en Caulkins Park

Memorial de Daghlian (Crédito de la foto: Pi.1415926535 / Wikimedia commons)

La segunda víctima: Louis Slotin

El 21 de mayo de 1946, el núcleo Demon reclamó a su segunda víctima, Louis Slotin—Un físico que fue compañero de trabajo de Daghlian en el Proyecto Manhattan. Casualmente, falleció otro día 21 en el mismo hospital que su colega.

Después de la muerte de Daghlian, Slotin continuó con experimentos de criticidad, pero en lugar de ladrillos, usó dos Medias esferas de berilio como reflectores de neutrones.

EXPERIMENTO DE CRITICALIDAD DE SLOTINS

Configuración de Slotin. Mitades de berilio como reflectores de neutrones

Colocaría el núcleo dentro del hemisferio inferior y lentamente bajaría la esfera superior sobre él. Bajar la esfera aumentaría la reflexión de neutrones y conduciría a la criticidad. Sin embargo, si la esfera exterior encerrara totalmente el núcleo, la reflexión de neutrones completa haría que el núcleo se volviera “supercrítico”. Por lo tanto, el experimento requirió colocar dos cuñas entre los hemisferios para evitar que se cerrara por completo.

Slotin fue brillante, pero imprudente, y en lugar de las cuñas, simplemente usó la punta de un destornillador de cabeza plana para evitar que los hemisferios encierren el núcleo. Inclinaba el destornillador para ajustar la esfera y notar el cambio en la criticidad. El 21 de mayo, estaba realizando un experimento similar con otros 7 colegas cuando ¡EL DESTORNILLADOR DESLIZÓ! El caparazón encerró el núcleo y se volvió “supercrítico”.

Hubo una ola de calor similar y una luz azul. Slotin inmediatamente notó la esfera, pero ya estaba expuesto a una cantidad mortal de radiación (1000 rads). Nueve días después, falleció debido a una enfermedad por radiación. Según los médicos, su cuerpo había experimentado algo similar a una “quemadura solar tridimensional”.

El accidente de Slotin fue el resultado de una mera negligencia.

El accidente de Slotin fue el resultado de una mera negligencia.

Conclusión

Los experimentos de criticidad resultaron indirectamente en la muerte de otras personas, incluidos científicos y guardias de seguridad presentes durante el incidente. La muerte de dos científicos destacados provocó un debate sobre las precauciones y medidas de seguridad que deben seguirse durante los experimentos científicos. Como resultado, el gobierno detuvo los experimentos de criticidad, dados los riesgos involucrados. Además, el núcleo de plutonio recibió su apodo “Demon Core”.

Es alucinante pensar que una pequeña esfera de metal puede ser tan peligrosa. Demuestra lo extraño y sorprendente que es realmente el universo. La película de 1989 “Fat Man and Little Boy” retrata una representación visual del núcleo y el accidente de la criticidad. Después de los incidentes, las autoridades derritieron el núcleo del demonio y lo refundieron para construir nuevos núcleos. Por lo tanto, el núcleo llegó a su fin y se convirtió en parte de una nueva era de armamento y experimentación.