Físicos de armas nucleares: bienvenidos al Atomic Weapons Establishment

Físicos de armas nucleares: bienvenidos al Atomic Weapons Establishment
Con la presentación de una potente instalación láser, el laboratorio más hermético de Gran Bretaña abre sus puertas a los académicos.
Geoff Brumfiel

Nature 464, 156-157 (2010)

[ Cámara de reacción: los doce rayos láser de Orión explorarán las condiciones en las que se encuentra el interior de antiguas armas termonucleares. ]

Aldermaston es un pintoresco pueblecito inglés con sus casas de ladrillo rojo, sus cuidados jardines y un acogedor pub local. Pero justo al sur de este idílico lugar se encuentra un conjunto de edificios mucho más inhóspito. Detrás de una doble alambrada y puertas vigiladas, se encuentra el desgarbado campus del Atomic Weapons Establishment (AWE), el laboratorio de investigación que más secretos alberga de Gran Bretaña. Este complejo de 304 hectáreas, un antiguo campo de aviación de la Segunda Guerra Mundial, aloja a aproximadamente 4.000 científicos, ingenieros y técnicos responsables de mantener las cabezas nucleares británicas.

El Ministerio de Defensa, que supervisa al AWE, mantiene absoluto silencio sobre las actividades del laboratorio, y los científicos que trabajan allí normalmente tratan de pasar desapercibidos. Sin embargo, en los próximos meses concluirá el proyecto científico más caro y ambicioso del AWE, lo cual llevará al laboratorio a abrir sus puertas, aunque sea sólo una rendijita.

El nuevo centro Orión albergará 12 rayos láser de alta potencia capaces de calentar y comprimir material a millones de grados Celsius en menos de un nanosegundo. Alojado en un reluciente edificio del tamaño de un campo de fútbol, el sistema láser facilitará a los físicos de Aldermaston datos cruciales sobre el comportamiento de los componentes de sus antiguas armas nucleares. Según el plan actual, aproximadamente el 15% del tiempo de Orión se ofrecerá a aquellos académicos que deseen estudiar las condiciones existentes en estrellas o en el interior de planetas gigantes. Y en ese espíritu de puertas abiertas, los investigadores del centro invitaron a un reportero de Nature para que echara un vistazo.

En muchos aspectos, Orión es el hermano pequeño de la National Ignition Facility (NIF) de Estados UNidos, situada en Livermore, California, donde ya se están realizando experimentos académicos. Cuando funcione a toda marcha, la NIF utilizará 192 rayos láser para crear aproximadamente 4 millones de julios de energía, lo que supondría una potencia 100 veces superior a la de Orión. Pero lo que realmente distingue al láser del AWE es la exquisita precisión con la que permitirá a los investigadores controlar el calor y la compresión aplicados a los materiales introducidos en su cámara de reacción, además del hecho de que el AWE lo vaya a compartir.

Los motivos para la colaboración no son del todo desinteresados. El instituto de defensa quiere ofrecer a los científicos que se encuentran dentro del cordón de seguridad el tipo de estímulo intelectual que necesitan para mantenerse alerta; también sirve de incentivo para nutrir a la gran comunidad de físicos de la que procede su personal. “Queremos demostrar que mantenemos altos estándares en nuestra ciencia”, comentó Daryl Landeg, científico jefe del AWE. Los académicos que no son de Aldermaston están deseando cruzar la valla. Actualmente, Europa sólo cuenta con un puñado de instalaciones de láser similares, comentó François Amiranoff, director del Laboratory for the Use of Intense Lasers de la Escuela Politécnica cercana a París. “Un centro como Orión es muy, pero que muy interesante para la comunidad científica”, apuntó.

Normas de confidencialidad

Gran Bretaña comenzó su programa de armas atómicas en el emplazamiento donde actualmente se encuentra el AWE en 1950, tras su participación en el proyecto Manhattan. El campus, que también aloja instalaciones para fabricar y almacenar delicados materiales nucleares, está protegido por las estrictas leyes de confidencialidad del país, por lo que históricamente ha evitado tener visitantes. Durante la última década, las cosas empezaron a cambiar, comentó Steven Rose, físico del Imperial College de Londres, que dirigió la división de física de plasma del AWE de 2001 a 2004. “El antiguo argumento de que el secretismo era fundamental parece no tener la misma importancia hoy —comentó—. Se han dado cuenta de que puedes hacer cosas si colaboras con el mundo exterior.”

Y entra en escena Orión, el láser de 183 millones de libras (218 millones de euros), cuya construcción comenzó en 2005. La máquina cuenta con diez rayos láser convencionales (véase la figura), cada uno de los cuales puede producir 500 julios de energía en aproximadamente un nanosegundo (una milmillonésima parte de un segundo). También cuenta con dos rayos láser de pulso corto, que generan la misma cantidad de energía en tan sólo la mitad de un picosegundo (una trillonésima parte de un segundo).

En el interior del edificio principal de Orión, los trabajadores ataviados con trajes de teflón y redecillas en la cabeza parecen muy ocupados recorriendo el gigantesco andamiaje de color blanco. La estructura pronto sujetará los espejos, amplificadores y lentes que se necesitan para propulsar y enfocar los 12 rayos sobre su objetivo, que se encuentra en otra cámara diferente enterrado bajo una capa de hormigón macizo de 1,5 metros, una protección necesaria para contener la radiación que se genera cuando los rayos láser impactan en su destino. La extraordinaria limpieza en las salas de láser y en el área del objetivo (y que también se espera de los visitantes) es por algo más que por estética: un simple pelo en el recorrido del intenso rayo podría provocar irregularidades y romper uno de los carísimos espejos o enrejados.

La principal misión de Orión, como la de la NIF, es explorar el funcionamiento de las armas nucleares, principalmente a medida que van envejeciendo. En 1998, Gran Bretaña ratificó el Tratado de Prohibición Completa de Ensayos Nucleares, un acuerdo internacional que prohíbe realizar pruebas con armas nucleares. Por lo tanto, los científicos británicos y los del resto del mundo han estado ocupados desarrollando modelos informáticos que simulen las cabezas nucleares y que averigüen si las armas continuarían detonando tras décadas de almacenamiento y qué tipo de detonación generarían. Sin embargo, lo que falta son datos reales.

Los científicos norteamericanos esperan que la poderosa NIF aporte algunos de esos datos generando temperaturas y presiones tan altas que provoquen fusión nuclear en pequeñas cantidades de dos isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio. Este proceso de fusión se asemejaría a las condiciones del interior de la fase más potente de un arma termonuclear moderna.

Si la NIF es un martillo termonuclear, Orión es un escalpelo. Esta instalación de menor tamaño nunca conseguirá una fusión a plena escala, pero podrá controlar detalladamente las condiciones del interior de los materiales de ensayo, como el uranio. La presión y la temperatura generalmente van de la mano, explicó Peter Roberts, responsable del departamento de Física de plasma del AWE. “Si hinchas una rueda con una bomba de bicicleta, se calienta”, comentó Roberts. Pero Orión puede evitar esto. Puede comprimir un material con sus pulsos largos en nanosegundos y después calentarlo repentinamente con sus pulsos extremadamente cortos en la mitad de un picosegundo. El resultado es un “calentamiento isocrónico”, una situación poco corriente en la que el material se calienta tan rápidamente que no le da tiempo a expandirse. Esta capacidad permite a Orión investigar materiales con una amplia variedad de combinaciones de temperatura y presión.

En concreto, los investigadores utilizarán Orión para explorar dos parámetros clave de los materiales utilizados en las armas nucleares: su opacidad y su ecuación de estado. El primero describe el modo en el que la radiación atraviesa un material. En este caso, las dos etapas de las que se compone un arma. La primera etapa, la principal, consta de algunos kilos de plutonio que se comprimen mediante explosivos convencionales hasta que inician una reacción nuclear aplastante. La radiación procedente de esa reacción se centra entonces en la etapa “secundaria”, aquella en la que los isótopos de hidrógeno crean una explosión mucho mayor mediante fusión nuclear. Los investigadores quieren saber cuál es la opacidad y cómo va cambiando con el paso del tiempo para poder modelar el paso de la radiación de la fase primaria a la secundaria y comprobar si las cabezas nucleares funcionarían todavía. El otro parámetro, la ecuación de estado, describe el modo en el que se comporta un material sometido a presiones y temperaturas enormes. Al generar datos sobre éstos y otros parámetros cruciales, Orión ofrecerá a los científicos del campo de las armas nucleares la información que necesitan para asegurarse de que sus modelos son correctos. “Son cosas que no se pueden buscar”, comentó Rose.

Los investigadores de la NIF a menudo destacan las aplicaciones que el láser gigante puede tener en la producción de energía y las ciencias puras por encima de su función militar: podría, por ejemplo, generar nuevos reactores que produzcan electricidad utilizando diminutas implosiones por fusión. Los científicos de Orión son mucho menos prudentes. “Fundamentalmente estamos trabajando en la física de las armas”, comentó Roberts. No obstante, tanto él como otros científicos del laboratorio están deseosos de dar a los científicos civiles la oportunidad de utilizar el láser, y los académicos están a su vez deseosos de probar su capacidad. “Tendrá características importantes que no tiene ningún otro láser del Reino Unido, ni de Europa”, comentó Mike Dunne, director de la Central Laser Facility en el Rutherford Appleton Laboratory que se encuentra cerca de Didcot, Reino Unido. Según Dunne, Orión liberará un poco la carga del láser Vulcan del centro, el equivalente civil y tremendamente solicitado de Orión.

Condiciones extremas

Los físicos que estudian objetos astronómicos se encuentran en una situación muy parecida a la de los físicos de armas nucleares: incapaces de recrear las condiciones extremas del interior de una estrella, por ejemplo, y con una gran dependencia de modelos informáticos complejos para demostrar su funcionamiento. Orión no alcanzará temperaturas y presiones estelares, pero sí podrá crear flujos de gas caliente ionizado con tipos de campos magnéticos y temperaturas que simulan partes de estrellas y de otros objetos astronómicos. Al ampliar a escala los datos de Orión, los astrofísicos podrán mejorar sus modelos, apuntó Dunne.

El láser también podrá ofrecer información para trabajos más abstrusos y fundamentales de la física atómica. Actualmente, la teoría se defiende al describir la materia normal y la materia extremadamente caliente desprovista de electrones. Sin embargo, no puede describir situaciones en las que los átomos se han sometido a altos niveles de radiación sin perder todos sus electrones. Al calentar un material de ensayo y después explorarlo con sus rayos de pulso corto, Orión puede arrojar datos que pueden ampliar las teorías existentes en esta región intermedia, comentó Amiranoff. Esta materia caliente y densa puede existir en el núcleo de gigantes de gas como Júpiter e incluso en el núcleo de la Tierra.

Las colaboraciones de científicos no comenzarán en Orión hasta la segunda mitad de 2012, y las propuestas para utilizar la instalación se presentarán a través del sistema que se está utilizado para Vulcan y otros láseres del Reino Unido, en lugar de ser decisión de los científicos especializados en armas. Esta revisión por iguales de las propuestas “es absolutamente fundamental para poder obtener la confianza de la comunidad —afirmó Dunne—. Si un comité interno evaluase los méritos relativos, siempre existiría la sospecha de que estarían haciendo la elección de temas porque les servirían para su programa en vez de sólo porque se trate de buena ciencia”.

De vuelta al campus del AWE, los científicos especializados en armas nucleares se preparan ilusionados para sus nuevos invitados. Tom Bett, que ayuda a gestionar la construcción, mostró una sala de análisis de datos construida expresamente para visitantes civiles y repleta de modernos ordenadores ultrafinos. (El trabajo relacionado con las armas se realizará en una sala diferente, explicó, y los datos se almacenarán en servidores protegidos en cámaras acorazadas.)

En la planta baja, unos ventanales del suelo al techo iluminan la zona de la recepción: lo primero que verán los investigadores visitantes cuando les reciban en las nuevas instalaciones del láser. “Esas ventanas —añadió orgulloso Bett— son todas a prueba de balas.”