Física Nuclear

Como se faz uma bomba atômica

Existem diversas substâncias químicas que podem sofrer transformações muito rápidas: ao serem aquecidas, ao sofrerem um choque, ou misturadas com outras, estas substâncias "explodem"; o que esta explosão significa é que a substância sofre uma reação química incontrolável que só acaba quando os ingredientes disponíveis são totalmente consumidos.

A pólvora, a dinamite, a trinitroglicerina são exemplos de tais substâncias; numa espoleta, a explosão é iniciada pela pancada do gatilho sobre ela; já num foguete de São João, é o calor que inicia a explosão.

A grande maioria das reações químicas (ou a combustão) se processa lentamente e, apesar de consumir as substâncias existentes, não são explosivas; o exemplo mais simples é a queima de um palito de fósforo: uma vez iniciada a queima - para o que é necessário um estopim ou fósforo - a madeira toda queima,mas não de forma explosiva. A energia libertada na explosão pode ser muito grande; por exemplo, um quilo de trinitroglicerina, ao explodir, pode destruir completamente uma casa de dois andares. Uma tonelada de trinitrotolueno (TNT) que é um outro tipo de explosivo, pode destruir um quarteirão.

Estes explosivos têm sido usados extensivamente nas guerras desde o início do século XX.

Não satisfeitos com isto, os cientistas desenvolveram um outro tipo de explosivo: a bomba atômica. O nome é devido ao fato de que, numa bomba atômica, não ocorre uma reação química, mas uma reação nuclear.

Como as forças nucleares são cerca de 1 milhão de vezes mais fortes que as forças químicas, as energias libertadas podem ser muito maiores, isto é, com a explosão de 1 kg de material nuclear pode-se obter uma explosão equivalente a 1.000.000 kg de TNT.

O material nuclear com o qual se podem fazer bombas atômicas é o urânio; este é o elemento mais pesado que se encontra na natureza; todos os elementos mais pesados que ele são chamados transurânicos e são instáveis,não existindo na natureza, só podendo ser produzidos artificialmente.

Mesmo o urânio não é muito estável; de vez em quando, espontaneamente, emite partículas alfa - isto é, o urânio é radioativo - o que indica que ele pode ser levado a explodir.

Da mesma forma que um rearranjo dos átomos pode libertar energia, como na queima de um combustível (madeira, gás ou petróleo, que são compostos químicos), um rearranjo no núcleo dos átomos pode também libertar energia,mas em quantidades maiores do que nas reações químicas.

Por exemplo, se um núcleo de urânio se desintegrar em dois fragmentos (o bário e o criptônio, por exemplo), uma grande quantidade de energia pode ser liberada. Se, entretanto, todos os núcleos de 1 kg de urânio se desintegrassem, a energia liberada seria mais de um milhão de vezes maior do que a energia liberada na queima de 1 kg de petróleo ou carvão.

O problema é fazer o urânio queimar, ou seja, fazer com que todos os átomos presentes numa massa de 1 kg se desintegrem.

Isto é fácil de fazer com um pedaço de madeira: uma vez que comece a queimar sob a ação de um fósforo, por exemplo, a reação química se propaga e só cessa quando todo o combustível acaba.

Com o urânio isto é muito mais difícil de fazer. E possível fazer um átomo se desintegrar "incendiando-o", como um fósforo faz com a madeira. Um bom agente para isto são feixes de partículas, que os cientistas aprenderam a fabricar a partir de 1930. Feixes de nêutrons são excelentes desintegradores de átomos de urânio, através da reação nuclear representada na figura 1.

 

Fig. 1 - A desintegraçãodo urânio, bombardeado por nêutrons, em dois fragmentos, com a produçãode vários outros nêutrons.

Fig. 1 - A desintegração do urânio, bombardeado por nêutrons, em dois fragmentos, com a produçãode vários outros nêutrons.

\( n+ ^{235}U_{92} \to ^{91}Kr_{36} + ^{142}Ba_{56}+ 3n + \textrm{energia}\)

Contudo a probabilidade de que um nêutron acerte um núcleo de urânio é muito pequena porque eles são muito pequenos.

É de se notar, contudo, queda desintegração do urânio na reação acima, resultam três nêutrons. Surgiu daí uma idéia revolucionária, que é a seguinte: se o 1° nêutron produz 3 outros e se cada um deles produz outros 3, teremos uma reação em cadeia em que o número de desintegrações nucleares segue a sequência:

1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, etc.

progressão esta que cresce rapidamente.Na prática, toda a massa de urânio poderia "se incendiar", como indica a figura 2.

Fig. 2 - Reação Nuclear "em cadeia": em que toda a massa de urânio se "incendeia"

Fig. 2 - Reação Nuclear "em cadeia": em que toda a massa de urânio se "incendeia"

 

Leo Szilard teve, na década de 1930, a idéia de tentar realizar na prática uma reaçãoem cadeia, e isto de fato foi conseguido por Enrico Fermi pela primeira vez,em 1942.

O resultado imediato da confirmação da idéia de que era possível fazer uma reação nuclear em cadeia com o urânio levou à construção das primeiras bombas atômicas do tipo que foi lançado sobre Hiroshima e Nagasaki. Nestas bombas, bastou "queimar" 4 ou 5 kg de urânio (dos 20 kg que a bomba possuía) para obter um efeito explosivo equivalente à explosão de 20.000 toneladas de trinitroglicerina.

Pela sua própria natureza de bomba, toda a reação em cadeia ocorre rapidamente um tempo menor do que um milésimo de segundo, da mesma forma que num explosivo comum. Um tanque de gasolina também pode explodir, mas em geral ela é usada de forma controlada, "queimando-se" a gasolina aos poucos dentro do motor.

O mesmo pode ocorrer com o urânio, numa reação em cadeia;ou ele "explode", isto é, "queima" rapidamente, ou então "queima" lentamente. A quantidade total de energia produzida é a mesma,mas ela se manifesta de formas diferentes. No primeiro caso é a fantástica explosão nuclear, com produção de quantidades assombrosas de luz, calor e outras radiações capazesde matar centenas de milhares de pessoas.No segundo caso,a "queima" do urânio produz basicamente calor, que aquece as barras nas quais se encontra o urânio.

Não é o urânio que se encontra na natureza que pode explodir da maneira descrita acima; o urânio como se encontra na natureza é formado por uma mistura de dois tipos de átomos: o urânio 235 na proporção de 0,7% e o urânio 238 na proporção de 99,3%. O primeiro deles é bastante raro. Em 1 kg de urânio só existem 7 g de urânio 235. É como se tivéssemos um saco de feijão com grãos de 2 tamanhos; os menores representariam o urânio 235 e os maiores, o urânio 238. Em cada 1.000 grãos de feijão, 7 representariam urânio 235 e 993 representariam urânio 238.

É o urânio 235 que pode explodir facilmente, mas é difícil obtê-lo de forma pura. Para isto é necessário "enriquecer" o urânio natural, ou seja aumentar a proporção de átomos de urânio 235 na mistura. Este enriquecimento precisa elevar a proporção de átomos de urânio 235 a 80% ("enriquecimento a 80%"). Reatores nucleares,para a produção de eletricidade em geral, usam urânio enriquecido a apenas 3%. Isto pode ser conseguido através de processos muito caros e complicados. Só alguns poucos países dominam a tecnologia necessária para isso. É possível,porém, obter um outro explosivo nuclear que é o plutônio. Ele é formado por uma transformação do urânio 238 - que é inerte do ponto de vista explosivo - em plutônio 239. Esta transformação ocorre num reator nuclear: colocando uma camisa de urânio natural em torno de um reator nuclear, ele aos poucos vai absorvendo nêutrons e se transformando em plutônio. Desta forma é possível obter vários quilos de plutônio por ano, usando um reator de pequeno porte. Por esta razão, bombas atômicas construídas com plutônio são denominadas "bombas atômicas dos pobres".

Obtido o urânio enriquecido a 80%, ou o plutônio, é possível construir uma bomba atômica de acordo com o esquema apresentado na figura 3.

Fig.3 - Esquema de bomba atômica

Fig.3 - Esquema de bomba atômica

 

O urânio ou plutônio são montados na forma de uma esfera oca no interior da qual se coloca uma fonte de nêutrons ("iniciador"). A esfera de urânio é envolvida por outra esfera oca de berílio que é um bom "refletor" de nêutron se que devolve para o centro nêutrons originados no "iniciador" que conseguiram escapar. Por sua vez,este refletor é coberto por umas cargas de explosivo comum (TNT), dispostas simetricamente que podem ser acionadas por detonadores alimentados por uma corrente elétrica. O TNT é disposto de forma que a sua detonação dirija a força explosiva para o centro, esmagando a esfera de urânio ou plutônio; ao ocorrer isto, ele sofre a reação em cadeia descrita acima, numa "explosão nuclear".

Com 5 ou 6 kg de urânio enriquecido a 80%, ou quantidade equivalente de plutônio, é possível fazer uma bomba de poder explosivo equivalente a 10.000 toneladas de TNT, capaz de destruir uma cidade inteira. Isto é o que ocorreu em Hiroshima e Nagasaki.

 

Texto escrito pelo Dr. José Goldenberg e adaptado por Alberto Ricardo Präss