Trinitita: la gema radiactiva de la primera explosión nuclear

C. Menor-Salván, 15 de julio 2023.

A pesar de lo que sugiere su nombre, la trinitita no es un mineral. Ni es natural. Es un material que se formó durante un hecho histórico decisivo: La primera explosión nuclear de la Historia, el 16 de Julio de 1945, en Alamogordo (Nuevo México, EEUU). Este artículo es una ampliación del publicado en The Conversation. Añadimos aquí más datos, anécdotas y explicación de algunos conceptos básicos sobre radioisótopos.

Una nueva y temible arma

Se acercaba el final de la Segunda Guerra Mundial. El Proyecto Manhattan llevaba desarrollándose en secreto desde 1941, cuando el presidente Roosevelt, motivado por la posibilidad de que Alemania consiguiera desarrollar un nuevo tipo de arma de destrucción masiva, autorizó la puesta en marcha de uno de los proyectos técnicos y científicos mas ambiciosos de toda la Historia. El proyecto supuso un enorme esfuerzo contrarreloj que implicó a físicos, químicos, ingenieros, matemáticos y miles de trabajadores. Los hitos científicos del proyecto fueron muy importantes y dieron un impulso al desarrollo industrial y tecnológico de los EEUU. También plantó la semilla de la Guerra Fría, debido a su dramático fruto, surgido en julio de 1945 de las instalaciones de Los Álamos, en Nuevo México: The Gadget

Las instalaciones y el desarrollo del proyecto eran secretos, pero la Ciencia siempre es abierta, lo cual dio lugar a curiosas anécdotas. En 1943, una de las revistas de Ciencia Ficción más conocidas, Astounding Science Fiction, publicó el relato ‘Deadline’ de Cleve Cartmill, en el que se contaba el desarrollo de una bomba atómica de increíble poder destructivo. Los detalles eran sospechosamente similares a lo que se estaba desarrollando para The Gadget, por lo que el FBI investigó al autor y al editor, John W. Campbell. No encontraron evidencias de una fuga de información y Campbell explicó que, a partir de la información científica disponible, cualquier persona con algo de conocimiento y sentido común puede extrapolarlo a una historia de ciencia ficción realista. Campbell convenció al FBI de que censurar el relato sería más sospechoso que dejarlo tal cual. De hecho, tras la publicación, se recibieron algunas cartas diciendo que la historia era ridícula e imposible. Se cuenta que Campbell dijo a los agentes, «por cierto, ¿están construyendo la bomba en el desierto en Nuevo México, verdad?» Parece ser que varios científicos eran lectores de la revista y cambiaron al mismo tiempo su dirección a un apartado postal en Santa Fe. A pesar del secreto, mucha gente ya sabía que algo importante se estaba construyendo, dados los movimientos inusuales de científicos y los pedidos de productos y materiales. Es imposible mantener en secreto las conspiraciones, en especial si la ciencia está por medio.

The Gadget fue el primer prototipo funcional de una bomba nuclear. El dia 15 de Julio de 1945, estaba montado y listo para explotar durante el test Trinity, destinado a comprobar experimentalmente las predicciones teóricas. The Gadget era un dispositivo de implosión: un explosivo convencional comprime el núcleo de plutonio-239 de la bomba, que alcanza su masa crítica y provoca una reacción de fisión en cadena que libera una cantidad de energía jamás vista.

Plutonio-239

El plutonio-239 es un isótopo fácilmente fisible (ver más adelante) fabricado por irradiación de uranio con neutrones. Tiene la ventaja de presentar mayor probabilidad de fisión, requerir menor cantidad El plutonio no se encuentra en la Naturaleza mas que en forma de trazas, en algunos yacimientos de uranio donde se formaron ‘reactores nucleares naturales‘.

Por ello, uno de los retos del proyecto era obtener suficiente plutonio puro a partir de uranio. Una confusión común del público respecto al combustible nuclear es si puede usarse como arma. Los elementos fisibles, como el plutonio-239, para poder usarse como explosivo deben ser muy puros. Muchísimo más que en su uso como combustible nuclear. En los reactores nucleares, la energía producida por la fisión se libera de modo no explosivo, generando mucho calor que se usa para producir electricidad. El plutonio, para utilizarse en una bomba atómica, debe primero fabricarse y luego purificarse cuidadosamente, para que alcance una gran pureza tanto química como isotópica. En resumen, no podemos ‘robar’ combustible nuclear convencional y fabricar una bomba atómica. Haría falta una planta de procesado.

En el proyecto, utilizaron el Reactor B de la planta secreta de producción de plutonio de Hanford (Washington). Ahora museo, entonces fue el primer reactor comercial para enriquecimiento de combustible nuclear, operado por la empresa DuPont; la empresa renunció a los beneficios comerciales, limitándose a cubrir la inversión, y se desmarcó de este área para no ser asociada con el desarrollo de la bomba, pues consideraron que daría mala imagen.

El reactor B era un reactor nuclear con una potencia de 250 MW, pero no destinado a producir electricidad, sino a generar plutonio-239 a partir del uranio-238, por captura neutrónica impulsada por la fisión del uranio-235. La reacción de síntesis de plutonio-239 tiene lugar en varias fases:

1- el uranio-238 captura un neutrón liberado por la fisión del uranio-235. Se transforma en uranio-239.

2- El uranio-239 tiene un periodo de semidesintegración (ver más adelante) de tan sólo 23 minutos. Se transforma por emisión beta (emite electrones, transformándose un neutrón en un protón) en neptunio-239. Este, a su vez, con un periodo de semidesintegración de 2.35 días, emite radiación beta y se transmuta a plutonio-239, que se acumula gracias que tiene un periodo de semidesintegración de más de 24000 años.

El combustible nuclear utilizado contiene hasta un 1.5% de plutonio, siendo mas o menos el 50% plutonio-239; se procesa tras la reacción, en un complejo proceso químico y metalúrgico (llamado método PUREX), para extraer y purificar el plutonio. Actualmente muchos reactores nucleares siguen este principio y, además de producir electricidad, autogeneran más combustible nuclear que permite aprovechar el uranio-238 natural no fisible y que puede usarse en otros reactores. El sueño de los alquimistas de la transmutación de los elementos era posible, aunque no como ellos imaginaban.

Un hecho poco conocido por el público es que esta reacción de producción de plutonio-239 fue planeada por el proyecto Tube Alloys, un proyecto de fabricación de un arma nuclear puesto en marcha por el gobierno británico anteriormente al proyecto Manhattan. Debido a su alto coste, el gobierno británico llegó a un acuerdo con el norteamericano, y finalmente se desarrolló en EEUU tras transferir sus avances y predicciones. Si el proyecto Manhattan llegó a su fin fue gracias al esfuerzo de innumerables científicos europeos.

El concepto de la bomba, desarrollado por el físico Seth Neddermeyer es sencillo (aunque hay detalles complejos, que no voy a discutir): se toma una esfera hueca de plutonio con una masa sub-crítica, es decir, en la que la fisión nuclear no entra en cadena al no tener suficiente masa y densidad. Esta masa es de unos 2.5 a 4.5 kilogramos, del tamaño de una pelota de ping-pong al tamaño de una naranja. La esfera metálica se recubre de un material reflector y amplificador de los neutrones y se inicia usando dos cosas: un iniciador de polonio y berilio que genera neutrones para ‘arrancar’ la reacción y un explosivo convencional dispuesto de tal modo que, al estallar, comprima la esfera de plutonio. Así, aumenta la densidad, entra en la zona crítica y la reacción nuclear de fisión tiene lugar en cadena, auto-amplificándose y liberando una enorme cantidad de energía en menos de un 1 milisegundo. Con este sistema de implosión pueden manejar el plutonio de forma ‘segura’ y detonarlo cuando se considere.

Ahora somos todos unos hijos de puta

A las 5:29 de la mañana del 16 de Julio de 1945, se detonó el Gadget en el inhóspito desierto de la Jornada del Muerto (sugerente nombre que le pusieron los primeros españoles que llegaron allí).

Fue la primera explosión nuclear de la Historia, con un rendimiento aproximado de 19 kilotones. Fue más potente de lo calculado, destruyendo algunos instrumentos científicos ubicados a supuesta distancia segura. Esta potencia explosiva se había calculado con un test previo, el 100 ton test, en el que se detonaron 100 toneladas de TNT. El test Trinity, usando el test previo como referencia, se estimó que era equivalente a unas 19000 toneladas de TNT. A partir de entonces, se toma esta referencia para estimar el rendimiento o potencia explosiva de un arma nuclear.

Tras la explosión, Kenneth Bainbridge, director científico del test Trinity, exclamó: “Ahora somos unos auténticos hijos de puta”
Robert Oppenheimer remarcó que esa fue la frase más apropiada que se dijo tras la explosión. En efecto, las dos siguientes bombas, llamadas Little Boy y Fat Man(siendo esta la versión militar de The Gadget) mataron a unas 214000 personas, de las cuales aproximadamente la mitad murieron por las explosiones y el resto debido a la contaminación radiactiva.

El fallout, polvo radiactivo depositado tras la explosión, cubrió un radio de unos 30 km.. A pesar de todo lo que hemos visto, tanto el Gadget como las dos siguientes bombas tenían un poder destructivo muy inferior a las armas nucleares actuales. Esta es la base del terror nuclear que marcó la Guerra Fría.

La trinitita, testigo silencioso de la explosión

El plutonio-239 sostiene una reacción, llamada fisión, en la que un neutrón parte un núcleo atómico en fragmentos, liberando, en este caso, una media de 2.88 neutrones, que rompen otros núcleos de plutonio y así sucesivamente. No todos los isótopos de elementos radiactivos son fisibles, es decir, no todos pueden usarse para llevar a cabo esta reacción nuclear. Los dos elementos más apropiados para ello y que se usan en reactores nucleares y en armas nucleares son el uranio-235 y el plutonio-239. El uranio-238, el isótopo de uranio natural más abundante, no puede sostener una reacción de fisión.

Esta reacción puede amplificarse en cadena cuando se supera la masa crítica con plutonio muy puro. En este caso tiene lugar la liberación explosiva de la energía producida por la ruptura de los núcleos. La fisión de los núcleos genera otros elementos químicos. Estos elementos no son iguales que sus versiones (es decir, isótopos) comunes, sino que son muy radiactivos. La fisión del Pu-239 genera más de 100 elementos químicos, en sus versiones (isótopos) radiactivas.

Isótopo

Los elementos químicos naturales tienen una masa atómica promedio. Pero en la mayoría de los casos, están formados por una mezcla de isótopos. Los isótopos poseen el mismo número de protones y electrones (mismo número atómico, Z), pero distinta masa atómica (A), debido a que tienen diferente número de neutrones. Son el mismo elemento, con las mismas propiedades químicas, pero diferentes propiedades nucleares. Hay isótopos estables e isótopos radiactivos o radioisótopos. El caso más sencillo es el del hidrógeno, que tiene tres isótopos: el hidrógeno (A=1), el deuterio (A=2), ambos estables, y el radioisótopo tritio (A=3). 

El plutonio tiene seis isótopos principales, desde A=238 hasta A=244. El más estable es el plutonio-244, que tiene un periodo de semidesintegración de 88 millones de años. Seguramente en la Tierra primitiva existió gran cantidad de plutonio como elemento natural, pero tras 4600 millones de años desde su formación, no quedan más que trazas difícilmente detectables en algunos minerales de uranio.  

Los neutrones provocan, además, la transformación de los materiales con los que se encuentran en elementos radiactivos. Este proceso se denomina activación neutrónica: los elementos capturan neutrones que cambian el peso atómico del elemento, convirtiéndolo en un isótopo radiactivo.

El resultado es, además de la brutal explosión, una contaminación radiactiva que puede alcanzar cientos de kilómetros de distancia, debido a que algunos elementos son volátiles o gases, como el yodo-131 o diversos isótopos de xenón y kriptón. En el test Trinity, se pudo detectar contaminación radiactiva producida por el fallout de la explosión a 150 km de distancia. Pero la contaminación tuvo más alcance. Un empleado de Kodak se dió cuenta de que había contaminación radiactiva gracias a la aparición de ‘puntos’ oscuros en material fotográfico en Indiana, a unos 2000 km del sitio del test. Se realizaaron entonces análisis y se pudo detectar la presencia de cerio-141, otro producto de la fisión del plutonio-239, intensamente radiactivo y con un periodo de semidesintegración de 33 días.

Afortunadamente, la mayor parte de la contaminación radiactiva cayó en zonas no habitadas, y a los pocos días había ya decaído mucho, con la desintegración de los elementos más activos. Sin embargo, aún no está demasiado claro cuánta gente del público quedó expuesta a dosis significativas de radiactividad ni qué ocurrió con el plutonio remanente, esparcido por la zona de la explosión.

La temperatura de la detonación del Gadget superó a la de la superficie del Sol. El calor fundió la arena del desierto levantada por la explosión, que formó gotas de vidrio incandescente que llovieron en un radio de cientos de metros. Cuando todo había terminado, los investigadores vieron que el suelo estaba cubierto por vidrios de colores, normalmente verde, en ocasiones formando bonitas formas transparentes. y que llamaron trinitita. No era anecdótico: se calcula que se formaron unas 1700 toneladas de trinitita, que cubrieron un área de unos 600 metros de diámetro.

Recogieron muestras que se guardaron como recuerdo del hecho histórico. Incluso algunas se usaron para fabricar joyas exclusivas. Pronto se dieron cuenta de que era mala idea. La trinitita contenía elementos producidos por la explosión y era intensamente radiactiva, hasta el punto de provocar quemaduras en la piel. Para evitar accidentes y robos, pues se convirtió en un material preciado por curiosos y coleccionistas, se enterró la mayor parte de la trinitita.

Hoy dia, la trinitita ha perdido la mayor parte de su radiactividad y puede manejarse sin riesgo. Pero aún contiene testigos de la explosión nuclear. En la siguiente figura podéis ver el análisis mediante espectrometría gamma de una muestra de trinitita, realizado en nuestro laboratorio. El espectro resultante que se muestra es de baja resolución, debido a que hemos utilizado un detector de centelleo. La instrumentación para espectrometría gamma de alta resolución utiliza un detector semiconductor. Pero, para nuestro propósito, es suficiente con un análisis a baja resolución.

Espectrometría Gamma

Esta técnica de análisis se basa en la emisión de radiación gamma por los elementos radiactivos. La mayoría de los isótopos radiactivos emiten rayos gamma, fotones de alta energía, como resultado de la relajación de los núcleos atómicos excitados tras las transformaciones nucleares. Cada isótopo radiactivo emite rayos gamma de energía característica. Esta propiedad se puede utilizar para su identificación. Por ejemplo, el cesio-137 emite rayos gamma a una energía característica de 662 KeV (kiloelectronvoltios). Esta emisión gamma se produce al decaer el Cs-137 y transmutarse en Ba-137, emitiendo rayos beta. El núcleo de Ba-137 resultante se encuentra en un estado excitado, metaestable. El exceso de energía se emite como fotones gamma, relajándose a Ba-137 estable. 
El espectro gamma se puede registrar utilizando detectores de centelleo, cristales que emiten luz cuando la radiación impacta sobre ellos. Entonces se obtiene un espectro de baja resolución, como el mostrado más arriba. Si se utilizan detectores semiconductores, se obtiene el espectro de alta resolución. Este tipo de detector es mas costoso y requiere enfriamiento, normalmente usando nitrógeno líquido. Por ello, en muchas aplicaciones se siguen usando detectores de centelleo, muchísimo más asequibles.   
La espectrometría gamma se puede utilizar para identificar contaminación radiactiva o para analizar materiales mediante activación por neutrones.

El análisis revela los isótopos radiactivos mayoritarios presentes aún en la muestra, tras 78 años desde la explosión:

• Cesio-137: es uno de los principales productos de fisión del plutonio. Con un periodo de semidesintegración de 30 años, es el mayor elemento radiactivo de la trinitita. El cesio-137 es uno de los principales causantes de la contaminación radiactiva en una explosión nuclear.
• Americio-241: indica que la bomba estaba formada por plutonio-239. Se forma mediante un proceso de captura neutrónica. Un átomo de plutonio-239 captura dos neutrones, bien secuencialmente o de una vez, transformándose en plutonio-241. El Pu-241 tiene un periodo de semidesintegración de 14 años, transformándose en americio-241 mediante emisión de radiación beta. El Am-241 formado tiene un periodo de semidesintegración de 410 años, por lo que será detectable durante siglos. Este elemento es muy conocido, pues forma parte de los antiguos detectores de humo iónicos.
• Bario-133: es difícil de detectar, pues su actividad se reduce a la mitad en algo más de 10 años. Se piensa que su origen está en el explosivo que se usó para detonar la bomba, llamado Baratol, formado por nitrato de bario. El bario-133 se forma por captura de neutrones (activación) del bario-132 natural. Aunque el rendimiento es bajo, pues este isótopo
• Europio-152: un elemento radiactivo característico de la trinitita, utilizado en la confirmación de ésta frente a falsificaciones. Se piensa que se formó por activación neutrónica del europio natural presente en la arena del desierto.
• Cobalto-60: Casi indetectable, debido a que tiene un periodo de semidesintegración de sólo 5 años. Su presencia en la muestra se debe a la activación neutrónica del cobalto de las aleaciones de acero de la torre de prueba y todo el equipamiento.

Periodo de semidesintegración

Este concepto es fundamental en radioquímica. Es el tiempo necesario para que la actividad de una muestra de un isótopo radiactivo se reduzca a la mitad. Por ejemplo, en el caso del americio-241, su periodo de semidesintegración es de 410 años. Esto significa que, en una muestra de americio-241, tienen que pasar 410 años para que la mitad del número total de átomos del isótopo se desintegren y, por tanto, su actividad se reduzca a la mitad. En el caso del bario-133, su periodo de semidesintegración es de 10 años. Esto quiere decir que, en la trinitita, la actividad inicial de bario-133 se ha reducido a la mitad casi 8 veces. Por ello, la actividad de este elemento es ínfima. 
 
No se debe confundir este concepto con el de vida media. Esta es el tiempo promedio necesario para que un átomo dado se desintegre. Es un concepto relacionado, pero no equivalente, ya que el periodo de semidesintegración hace referencia a la población total de átomos, y la vida media es, digamos, la 'esperanza de vida' de un átomo individual. En español se confunden los términos a veces debido a que en inglés, half-life es equivalente a periodo de semidesintegración y, por tanto, half-life no debe traducirse como vida media. 

El periodo de semidesintegración es una constante física y no depende de ningún factor externo. Gracias a ello se utiliza en medidas de datación en geociencias, por ejemplo. El decaimiento de elementos radiactivos nos permite determinar la edad de muestras en arqueología, paleontología y geología. Un ejemplo es la prueba del carbono-14, que permiten determinar la edad de un material orgánico en la investigación histórica y arqueológica. 

El periodo de semidesintegración nos permite hacernos una idea de la ‘intensidad’ o ‘peligrosidad’ de un isótopo radiactivo. De modo similar a la combustión de una vela: cuanto más rápida, más intensa la luz y mayor es la temperatura, pero menos dura. Cuanto menor es el periodo de semidesintegración, más intensa es la radiación emitida, porque hay un mayor número de átomos desintegrándose al mismo tiempo. Actualmente, en la trinitita permanecen los elementos de mayor periodo de semidesintegración, por ello la radiactividad de ese material ya carece de peligro. En 1945, los isótopos muy radiactivos, de muy bajo periodo de semidesintegración, hacían que la trinitita fuera un material peligroso.

Fragmentos de trinitita

Los elementos radiactivos desaparecerán con el tiempo, pero las características peculiares de este material, la presencia de estructuras extrañas como los cuasicristales, y las huellas isotópicas que delatan su origen, seguirán ahí tras la desaparición de la civilización. Un testigo de nuestro paso por el planeta y del genio, soberbia y maldad humanas.

Referencias

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