Tras el estreno de la excelente y densa Oppenheimer de Christopher Nolan el Proyecto Manhattan vuelve a estar de moda. Se han escrito innumerables libros y se han publicado cientos de documentales sobre el proyecto, pero la inmensa mayoría siguen el mismo patrón y dejan de lado algunas cuestiones muy importantes. Cualquier obra canónica sobre el Proyecto Manhattan sigue el mismo modelo: primero se narra el complejo y polémico descubrimiento de la fisión del uranio, tocando de refilón la injusticia que supuso no otorgar el Nobel a Lise Meitner, para a continuación hablar de física nuclear —con especial atención a los isótopos del uranio— y de los reactores de fisión. Luego ya pasamos al Proyecto Manhattan propiamente dicho y, si se tercia, podemos adornar el relato introduciendo la fascinante pugna con el malogrado proyecto de arma atómica nazi (des)controlado por Heisenberg. La obra debe terminar con Trinity y el horror de Hiroshima y Nagasaki («me he convertido en la muerte, el destructor de mundos»). Todo esto está muy bien, pero el Proyecto Manhattan fue, sobre todo, un espectacular esfuerzo de ingeniería —o, como dirían los chicos de Oppenheimer, un ejercicio de simple física práctica—, por lo que se suelen dejar a un lado los detalles técnicos de la construcción de las primeras bombas atómicas. Es decir, la propia esencia del proyecto.

Sí, cualquier persona mínimamente interesada en el tema sabe que Little Boy, la bomba que arrasó Hiroshima, era de uranio enriquecido y que empleaba el diseño de ‘tipo pistola’ o ‘tipo cañón’ (gun type), mientras que Fat Man vaporizó Nagasaki cortesía del plutonio y del diseño de implosión. Vale, pero entonces, ¿por qué no se construyó una bomba de tipo cañón a base de plutonio? Y, sobre todo, ¿por qué no se fabricó una bomba de implosión de uranio-235, si es un elemento más fácil de sintetizar que el plutonio-239? Estas preguntas no se suelen plantear en la mayor parte de libros sobre el tema, sobre todo la segunda. Intentemos responderlas de forma sucinta. A principios de los años 40 se identificaron dos isótopos para construir una bomba de fisión viable, el uranio-235 y el plutonio-239, junto con dos diseños para alcanzar la masa crítica de forma súbita: el tipo cañon y el tipo implosión. Por tanto, tenemos cuatro posibles combinaciones de diseño de bomba atómica, pero solo dos se hicieron realidad en el Proyecto Mahattan. ¿Por qué?

No se suele insistir en este punto, pero debemos tener en cuenta que el Proyecto Manhattan priorizó el plutonio sobre el uranio desde el principio, gracias a que la masa crítica de este elemento es muy inferior y, por tanto, se puede hacer una bomba más compacta y ligera, una prioridad teniendo en cuenta que debía ser transportada por los bombarderos de la época. La masa crítica del uranio-235 sin comprimir es de unos 50 kg, mientras que la del plutonio-239 es de apenas unos 10 kg (si te preguntas qué pasa con el neptunio, el elemento situado entre el uranio y el plutonio, la respuesta es que cuesta sintetizarlo tanto o más que el plutonio y encima su masa crítica —para el neptunio-237— ronda los 60 kg). También hay otros isótopos fisibles interesantes, pero no compliquemos demasiado la historia (*). Estas masas críticas se pueden reducir aumentando la densidad mediante implosión y el empleo de materiales reflectores de neutrones y otras elecciones de diseño que aumentan la eficiencia de las lentes explosivas. La masa crítica del uranio en un artefacto por implosión y con reflectores de neutrones es de apenas 15 kg, una enorme diferencia si lo comparamos con los 60 kg de uranio enriquecido (HEU) de Little Boy (como comparación, un ‘primario’ de una bomba nuclear actual, de implosión, apenas lleva unos 4 kg de plutonio).

El problema es que cuando se tomó la decisión de ir a por el plutonio se desconocían la mayoría de sus características metalúrgicas y químicas, básicamente porque nadie había sintetizado ninguna cantidad significativa de este material. No obstante, el Proyecto Mahattan no escatimó en recursos y exploró todas las vías de fabricación de una bomba atómica al mismo tiempo. Del mismo modo que se siguió adelante con todos los métodos de enriquecimiento de uranio conocidos (electromagnético, térmico y gaseoso), también se decidió proceder con una bomba de uranio como plan B. El dinero no era un problema, pero el tiempo sí. Sin embargo, la prioridad, hay que recalcarlo, era el plutonio por su menor masa crítica. En cuanto a la forma de construir el artefacto, también, cómo no, se optó por los dos métodos, tipo cañón y tipo implosión, los dos para la bomba de plutonio y para la de uranio. O sea, se exploraron las cuatro posibilidades que comentamos antes. El diseño tipo cañón era más sencillo para la tecnología de la época, mientras que el segundo, mucho más eficiente, permitía ahorrar ingentes cantidades de material fisible, pero estaba rodeado de numerosas incertidumbres técnicas que hacían peligrar la posibilidad de que la bomba estuviese lista antes de que terminase la guerra (para entonces ya nadie pensaba seriamente que Alemania pudiera construir una bomba de fisión). Para entender la diferencia en la eficiencia, recordemos que Liitle Boy fisionó apenas el 1,5% de la masa del uranio que llevaba, mientras que Fat Man llegó al 17% de plutonio fisionado.

Por consiguiente, la prioridad en un principio era construir una bomba de tipo cañón a base de plutonio, conocida como Thin Man. No obstante, las pruebas demostraron que este diseño no era práctico por culpa del fenómeno de la predetonación (fizzle): al acercarse las masas de plutonio en el extremo del tubo en el interior de la bomba, las rápidas reacciones nucleares entre ambas, aumentadas por la presencia de impurezas de plutonio-240, destruirían la bomba antes de que se iniciasen las reacciones de fisión. El resultado sería una fuerte explosión, pero muy lejos de la potencia de una detonación atómica. La solución pasaba por aumentar la velocidad de la ‘bala’ de plutonio dentro del cañón, pero eso implicaba aumentar también la longitud de la bomba de tal modo que ya no podría ser transportada ni por un B-29 ni por ningún otro prototipo de bombardero que estuviese siendo construido a mediados de los 40. Además, la extrema longitud de la bomba provocaba que sus características aerodinámicas fuesen terribles, dificultando la precisión del ataque y el funcionamiento de la propia bomba. Y así se desechó una de las cuatro opciones. Los cálculos demostraban que la variante de tipo cañón a base de uranio sí sería viable gracias a que los efectos de la predetonación eran inferiores —aunque ni mucho menos despreciables— en este elemento, por lo que se requería una velocidad más baja y, por tanto, un tamaño menor de la bomba. Es decir, Little Boy sí podría caber dentro de un B-29.

La confianza en el diseño de Little Boy era tal que se probó directamente sobre los habitantes de Hiroshima, quienes el 6 de agosto de 1945 dieron fe de su buen funcionamiento. De todas formas, aunque muchos científicos del proyecto pensaban que el riesgo de predetonación en este tipo de bomba era muy real, no había suficiente uranio-235 en los almacenes para hacer una prueba antes de lanzarla sobre Japón. Tras el fracaso de Thin Man, el diseño de implosión a base de plutonio o Fat Man pasó a ser la prioridad, sobre todo porque esta técnica era significativamente más eficiente y requería mucho menos material fisible (además, el Pu-239 era mucho más caro y escaso que el U-235). Las incertidumbres alrededor de este diseño fueron las que obligaron a llevar a cabo la prueba Trinity con la bomba Gadget en suelo estadounidense, una prueba que no fue vista con buenos ojos por el Pentágono precisamente por el desperdicio de plutonio que supuso. Pero, ¿por qué no se fabricó una bomba de implosión a base de uranio si Little Boy empleaba este elemento? ¿No era viable? Por supuesto que lo era, y además más eficiente que Little Boy, pero no con el diseño de bomba de implosión de principios de 1945. Usando un núcleo —pit— de material fisible esférico totalmente sólido y con un empleo nada óptimo de materiales reflectores pusher/tamper en la bomba, la masa de uranio enriquecido requerida para este diseño obligaba a construir un enorme artefacto que, una vez más, quedaba al límite de las prestaciones de los bombarderos de la época y, de todas formas, se había priorizado la bomba de implosión de plutonio frente a la de implosión de uranio. Por tanto, el Proyecto Manhattan solo construyó dos de los cuatro diseños de bomba de fisión posibles, principalmente por culpa de las limitaciones de los aviones de transporte disponibles.

Después de que Japón se prestase para probar sobre su territorio y sus ciudadanos los efectos de dos artefactos de fisión, el diseño de implosión quedó validado y el de tipo cañón pasó a la historia por su ineficiencia (solo se usaría en algunas bombas especiales, sobre todo para artillería, y en el malogrado programa atómico de Sudáfrica). El estándar pasó a ser la bomba de fisión de plutonio por implosión, un diseño que incluía la primera bomba atómica soviética, la RDS-1 de 1947. Pero no por mucho tiempo. Pronto se mejoró el diseño de Fat Man empleando lentes explosivas más avanzadas y compactas, materiales reflectores y tamper/pusher más eficientes como el berilio, núcleos ‘levitantes’ (o sea, no totalmente sólidos, para optimizar el efecto de la onda expansiva de las lentes sobre el material fisible) y, sobre todo, diseños que alternaban una capa esférica de uranio-235 con otra de plutonio-239. En efecto, la norma de las bombas de fisión pasó a ser el uso de núcleos compuestos de plutonio y uranio (por ejemplo, la RDS-4 soviética, algunas Mark 4 y 5 estadounidenses o varias Blue Danube británicas), que aprovechaban la diferente velocidad de la reacción en cadena en estos dos elementos para maximizar la potencia de la explosión. Pero también se construyeron bombas de fisión de implosión con núcleos de uranio enriquecido puro como material fisible. De hecho, las bombas de fisión más potentes jamás construidas fueron de uranio puro (HEU), como la Mark 18 estadounidense, que protagonizó la prueba Ivy King de 1952, con una energía de 500 kilotones. Como comparación, la bomba de fisión a base plutonio puro más potente fue la empleada en la prueba francesa Gerboise Bleue de 1960, con una energía de 70 kilotones.

La aparición de la bomba de hidrógeno o de fusión en los años 50 cambió por completo este panorama. Se suele simplificar el diseño de los artefactos de fusión comentando que están formados por un primario de fisión o bomba atómica y un secundario de fusión. En realidad no es así y el primario incluye reacciones de fusión y el secundario de fisión. Efectivamente, los primarios de las bombas nucleares actuales utilizan un núcleo de plutonio de unos 5 kg con un hueco central en el que se inyecta deuterio y tritio gaseoso antes de la detonación (también es posible usar primarios compuestos de uranio y plutonio: por ejemplo, el núcleo Tsetse estadounidense de los 50 usaba 2,25 kg de plutonio, 1,4 kg de uranio y 6 gramos de tritio). Las reacciones de fusión del deuterio y el tritio amplifican la potencia de las reacciones de fisión del plutonio. Esto explica que la mayoría de ‘bombas atómicas’ en servicio actualmente —o sea, bombas sin secundario—, en realidad sean del tipo fisión-fusión o fisión aumentada (boosted fission). Por eso ya no tiene sentido hacer primarios solo de uranio (salvo que tu país no pueda sintetizar Pu-239 y se tenga que conformar con U-235, algo que le pasó a Iraq en los años 80 y 90). Asimismo, el secundario, que emplea como fuente principal de reacciones de fusión el deuteruro de litio (⁶LiD), una sustancia sólida, incluye capas de uranio-235 para aumentar la potencia de la explosión mediante su fisión. La parte exterior de la bomba suele estar fabricada en uranio-238 para aumentar todavía más la potencia (el U-238 es fisible a las energías liberadas por las reacciones de fusión del secundario). Por eso hablamos de dispositivos fisión-fusión-fisión.

En cualquier caso, esto es otra historia. En este punto ya estamos muy lejos en el tiempo del Proyecto Manhattan, cuando por primera vez en la historia la humanidad se logró liberar de forma destructiva el poder del núcleo atómico. Actualmente existen más de doce mil armas nucleares en el mundo, seguramente más de las que Oppenheimer llegó a imaginar en sus peores pesadillas. De nosotros depende que el horror nuclear nunca vuelva a repetirse.

(*): un isótopo que se puede usar en armas nucleares es el uranio-233, que tiene una masa crítica en un artefacto de implosión con reflector de berilio similar a la del plutonio-239, o sea, de unos 5 kg. No obstante, hay que sintetizarlo en un reactor de forma parecida al plutonio, así que aparentemente su empleo en armas nucleares no ofrece ventajas significativas. En 1955 se detonó la bomba de fisión MET con un núcleo de U-233 puro en las pruebas Operation Teapot, pero los resultados no fueron los esperados. Igualmente, la bomba soviética RDS-37 de 1955 —la primera bomba de fusión de dos etapas de la URSS— y un artefacto indio detonado en las pruebas Pokhran II de 1988 utilizaban uranio-233. No se puede descartar que este isótopo se haya usado en otras pruebas o prototipos.