¿Puede una reacción de fusión nuclear abierta e insegura quemar la atmósfera?

Por lo que he leído en "American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer" Teller fue el primero en expresar esta preocupación ante la prueba Trinity. También citando de: http://www.sciencemusings.com/2005/10/what-didnt-happen.html

El físico Edward Teller consideró otra posibilidad. La enorme temperatura de una explosión de fisión (decenas de millones de grados) podría fusionar núcleos de elementos ligeros, como el hidrógeno, un proceso que también libera energía (más tarde, esta idea sería la base para las bombas de hidrógeno). Si la temperatura de una detonación fuera lo suficientemente alta, los átomos de nitrógeno en la atmósfera se fusionarían, liberando energía. La ignición del nitrógeno atmosférico podría causar la fusión del hidrógeno en los océanos. El experimento Trinity podría convertir sin darse cuenta a todo el planeta en una bomba de fusión de reacción en cadena.

Robert Oppenheimer, jefe de los científicos atómicos estadounidenses, tomó en serio la sugerencia de Teller. Lo discutió con Arthur Compton, otro destacado físico. "Esta sería la catástrofe definitiva", escribió Compton. "¡Es mejor aceptar la esclavitud de los nazis que correr el riesgo de correr el último telón sobre la humanidad!"

Oppenheimer pidió a Hans Bethe y otros físicos que comprobaran sus cálculos de la temperatura de ignición del nitrógeno y los efectos de enfriamiento esperados en la bola de fuego de una bomba nuclear. Los nuevos cálculos indicaron que una conflagración atmosférica era imposible." Aparentemente, Bethe demostró de manera convincente que la atmósfera no sería incendiada por una bomba nuclear.

Simplemente me gustaría agregar a la respuesta de physicsphile .

La fuente principal para esta pregunta es

Konopinski, E. J.; C.Marvin; Edward Telle, "Encendido de la atmósfera con bombas nucleares", informe técnico del Laboratorio Nacional de Los Álamos #LA-602

Muestra que la respuesta a la pregunta del OP es "altamente improbable". No prueba la imposibilidad. Es una lectura interesante desde el punto de vista de que estos fueron los cálculos y razonamientos con los que se decidió todo el futuro de la vida en la Tierra.

Como físico, diría que el documento es muy sólido. Totalmente aceptable para tomar decisiones sobre el gasto de dinero de cualquier tipo, incluso lo suficientemente sólido como para aprobar un experimento que podría arriesgar incluso cientos de vidas (aunque es difícil pensar en un ejemplo realista). Pero da un poco de miedo pensar que todo el futuro de la vida en la Tierra se decidió con ella....

Así que echemos un vistazo a los datos experimentales. Todavía no hemos encendido la atmósfera. Creo que este hecho experimental es importante para su pregunta: según tengo entendido, los detalles finos de la dinámica de la explosión se encuentran en gran medida por prueba y error, y todos esos datos experimentales están clasificados de todos modos. Pero los siguientes comentarios probablemente sean relevantes. La bomba más grande hasta la fecha fue la Tsar Bomba soviética, que dejó escapar$2.4\times10^{17}J$, o$2.6{\rm kg}$(¡así es, kilogramos!) de energía (equivalente a 57MT TNT). La bola de fuego de este monstruo tenía ocho kilómetros de diámetro. Con este tamaño de bomba, probablemente haya alcanzado una escala en la que bombas más grandes significarán un volumen de espacio proporcionalmente mayor a aproximadamente las mismas temperaturas (del orden de$10^8{\rm K}$). Además, Edward Teller calculó que con rendimientos no mucho más altos, el efecto del aumento del rendimiento (en lo que respecta a la atmósfera) es insignificante: una gran parte de la atmósfera alrededor de la explosión se acelera a la velocidad de escape de la Tierra y se pierde en el espacio. por lo tanto, agregar rendimiento simplemente significa que el gas que se escapa se escapará más rápido: no regresará una vez que alcance$11{\rm km\, s^{-1}}$, entonces lo que le suceda es irrelevante.

Resumen : las principales reacciones en el aire involucran nitrógeno, y en el mar, involucran deuterio. Basado en el conocimiento que Bethe tenía en la década de 1940 y haciendo suposiciones muy optimistas, la fusión fuera de control en el aire parecía ser imposible, pero con un pequeño factor de seguridad inferior a 2 si usara una bomba de fusión con un radio de 3 metros de deuterio líquido. Esa sería una superbomba mucho más poderosa que cualquier bomba que podamos fabricar. La fusión fuera de control en el océano nunca fue plausible.

Sin embargo, en 1975, en un comentario del Dr. Gilbert sobre un artículo sobre el tema, quedó claro que la atmósfera no es lo suficientemente densa para una reacción de fusión sostenida, incluso si la reacción de nitrógeno tuviera el mismo rendimiento energético que la fusión de deuterio y tritio (el más reacción de fusión conocida como reactiva) debido a las pérdidas de energía - y en cuanto al mar, las pérdidas de energía para una reacción de fusión lo harían imposible incluso en un mar de D2O puro en lugar de H2O. Las pérdidas de energía son demasiado grandes para una fusión sostenida a las presiones que podemos alcanzar en un océano terrestre.

Esto no debería ser demasiado sorprendente. Después de todo, en el sistema solar primitivo, especialmente en los primeros mil millones de años, la Tierra fue golpeada con frecuencia por grandes impactos de cien kilómetros de diámetro o más. Ninguna de nuestras bombas nucleares se acerca a producir esos niveles de calentamiento de la atmósfera o el océano, y obviamente no causaron reacciones de fusión sostenidas en la atmósfera o el océano. Después de todo, hay mucha agua en el océano y no toda se ha convertido en helio, y la atmósfera no se ha convertido en magnesio; seguramente veríamos la firma de tal evento, incluso si luego se repone de alguna manera. . Incluso el impactador de Chicxulub tenía alrededor de 100 millones de megatones, en la energía que liberaba, o dos millones de veces más potente que la Bomba Zar. VerCientífico de UT Austin informa resultados del estudio del cráter de Yucatán vinculado a extinciones masivas de dinosaurios

Es posible que las enanas marrones tengan una fusión de deuterio esporádica, pero eso es a presiones mucho más altas en los núcleos de estos objetos. Ver EL LÍMITE DE MASA DE QUEMA DE DEUTERIO PARA PLANETAS GIGANTES Y ENANA MARRÓN

DETALLES

Aquí hay un buen relato de los antecedentes históricos y las citas, y resume las reacciones que consideraron:

• (La imposibilidad de) encender fuego atmosférico

Dongwoo Chung, 16 de febrero de 2015, presentado como trabajo de curso para la Universidad de Stanford.

Hay dos relatos que compiten sobre cuán en serio se lo tomaron en ese entonces, ambos probablemente demasiado dramatizados en la narración.

Bob Serber:

Edward [Teller] planteó la notoria cuestión de encender la atmósfera. Bethe se fue como siempre, metió los números y demostró que eso no podía pasar. Era una pregunta que había que responder, pero nunca fue nada, fue una pregunta solo por unas horas. Oppy cometió el gran error de mencionarlo por teléfono en una conversación con Arthur Compton. Compton no tuvo suficiente sentido común para callarse. De alguna manera se metió en un documento que fue a Washington. Entonces, de vez en cuando, después de eso, alguien lo notaba, y luego, de vuelta a la escalera, vino la pregunta, y la cosa nunca se enterró.

Entrevista de Bucks con Compton

Durante los siguientes tres meses, los científicos discutieron en una conferencia secreta los peligros de la fusión, pero sin llegar a un acuerdo. Nuevamente Compton tomó la delantera en la decisión final. Si, después del cálculo, dijo, se demostraba que las posibilidades eran más de aproximadamente tres en un millón de que la tierra fuera vaporizada por la explosión atómica, no continuaría con el proyecto. Los cálculos demostraron que las cifras eran ligeramente inferiores, y el proyecto continuó.

Como dice:

Ambos relatos ciertamente tienen un estilo dramático atractivo en sus respectivas formas, pero cuando pintan imágenes tan diferentes de las discusiones involucradas, debemos considerar que sus detalles exactos se perdieron para la posteridad.

DETALLES DEL CÁLCULO DE BETHE

Dongwoo Chung parece haber cometido algunos errores numéricos menores en sus resúmenes del artículo, quizás porque el texto es difícil de leer en algunos lugares. Así que iré al papel mismo para los cálculos.

Encendido de la atmósfera con bombas nucleares .

En resumen, las principales reacciones en el aire son

N14 + N14 → Mg24 + α + 17,7 MeV

Bethe calcula un factor de seguridad de alrededor de 1,6 a unos 10 MeV

Sin embargo, calcula un camino libre medio en el aire de 57 metros, por lo que se necesita calentar una región de al menos 57 metros de radio para una fusión sostenida.

Para calentar tanta atmósfera a 10 MeV, calcula que se necesitan 1.500 toneladas de material fisionable para quemar (no dice si se trata de u235 o plutonio). Pero, por lo general, solo el 1% se usa para calentar el aire, por lo que se necesitarían 150,000 toneladas para detonar a la vez para alcanzar la temperatura de 10 MeV.

Para una reacción de fusión, calcula que alcanzar los 10 MeV en un radio de 57 metros requeriría la detonación de 3 metros de deuterio líquido a la vez.

[Dongwoo Chung, por alguna razón, dice que tiene un radio de 7 metros; el texto es un poco confuso en algunos lugares, tal vez solo lo leyó mal]

Hay una reacción adicional

N14 + N14 → O12 + C16 + 10,6 MeV

Esto requiere "solo" una esfera de deuterio de 1 a 1,5 metros de radio, pero el factor de seguridad aumenta a 2,67

En el océano las reacciones son:

O16 + H1 → F17 + γ D2 + D2 → H3 + H1 D2 + D2 → He3 + n D2 + H1 → He3 + γ

Pero los factores de seguridad aquí son mucho más altos

RESULTADOS ACTUALIZADOS DADOS POR DR GILBERT EN 1975

Estos son comentarios del Dr. Gilbert, Director Adjunto de Aplicaciones Militares de la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía de EE. UU. en Washington,

Comentarios de LLL sobre la última catástrofe

• para la atmósfera, la atmósfera tiene una densidad demasiado baja para una reacción sostenida

Cálculos sencillos muestran que la atmósfera tiene una densidad lo suficientemente baja como para que, incluso con secciones transversales supuestas enormemente altas, la combustión prosiga mucho más lentamente que los procesos que tienden a sujetar la materia en un equilibrio de baja temperatura con su radiación. La energía disponible por unidad de volumen en el aire incluso del quemado completo del nitrógeno atmosférico solo es suficiente para producir una temperatura de equilibrio de menos de 1,5 kev, con más del 99% de la energía en radiación.

También explica antes

Los efectos de secciones transversales anómalamente grandes para la quema de nitrógeno nunca se han observado en estrellas, que tienen los constituyentes necesarios, altas temperaturas y miles de millones de años de tiempo de reacción. La reacción, N14 + N14 -> + Mg24 fue considerada como peligrosa por Konopinski, et. Sin embargo, la fuerte repulsión electrostática de los iones de nitrógeno cargados requiere una energía relativa de aproximadamente 8,6 MeV para que se acerquen lo suficiente como para fusionarse. ... No conocemos ninguna forma de producir temperaturas ni siquiera un 10% de las requeridas.

Las secciones transversales de las reacciones N14 (a,p) y O17 (a,n) en la cadena que el Dr. McNally considera "la cadena multiplicadora más peligrosa en el aire" también se han medido y no muestran resonancia superior a 250 mb, más que un orden de magnitud demasiado bajo para sostener cualquier reacción en cadena de fusión, incluso si se pudieran alcanzar temperaturas suficientes. ... Incluso si el nitrógeno fuera muchas veces más reactivo que el DT, el combustible nuclear conocido más reactivo, la tasa de generación de energía termonuclear a cualquier temperatura plausible aún no sería suficiente para superar las pérdidas de energía debidas a la radiación bremsstrahlung y al efecto Compton inverso.

• Para el mar, la propagación falla incluso en un mar de D2O puro bajo alta presión.

el mar se modeló de la manera más simple pero conservadora asumiendo que era un dos por ciento de D2O a alta presión, más de 100 veces la concentración real de deuterio. Las altas temperaturas iniciales cerca de una fuente de energía sin masa de 500 Mt disminuyeron en un factor ~100 en 2 x 10^-8 segundos. model sea produjo un 0,006 por ciento adicional de la fuente de energía antes de que se detuviera la producción de rendimiento. La concentración real de deuterio en el agua de mar habría disminuido incluso este minuto quemado por un factor de aproximadamente 20.000. De hecho, la propagación falló (por un amplio margen) en un mar modelo de D2O puro bajo alta presión.

Alrededor de los años 60, se firmó un tratado para prohibir el desarrollo de dispositivos de fusión nuclear con rendimiento superior a unas 50 MT (no recuerdo el número exacto), con el fin de evitar la fusión del hidrógeno atmosférico, y así la multiplicación descontrolada del rendimiento explosivo del dispositivo. Eso fue antes de que se firmara el Tratado de Prohibición de Pruebas de Umbral en 1974 y entrara en vigor en 1990.