Existem diversas substâncias químicas que podem sofrer transformações muito rápidas. Ao serem aquecidas, ao sofrerem um choque ou ao serem misturadas com outras substâncias, elas podem “explodir”. Essa explosão significa que ocorre uma reação química incontrolável, que só termina quando todos os reagentes disponíveis são consumidos.

A pólvora, a dinamite e a trinitroglicerina são exemplos desse tipo de substância. Em uma espoleta, a explosão é iniciada pelo impacto do gatilho; já em um foguete de São João, é o calor que desencadeia a reação.

A grande maioria das reações químicas — ou combustões — ocorre lentamente e, embora consumam os materiais envolvidos, não são explosivas. Um exemplo simples é a queima de um palito de fósforo: uma vez iniciada, a madeira queima por completo, mas não de forma explosiva. A energia liberada em explosões químicas pode ser muito grande; por exemplo, 1 kg de trinitroglicerina pode destruir completamente uma casa de dois andares. Uma tonelada de TNT, outro explosivo químico, pode destruir um quarteirão.

Esses explosivos foram amplamente utilizados em conflitos armados desde o início do século XX.

Com o avanço da ciência, desenvolveu-se um tipo de explosivo muito mais poderoso: a bomba atômica. O nome se deve ao fato de que, nesse caso, não ocorre uma reação química, mas sim uma reação nuclear.

Como as forças nucleares são cerca de um milhão de vezes mais intensas que as forças químicas, as energias liberadas podem ser muito maiores. Em termos comparativos, a liberação de energia associada a 1 kg de material nuclear pode equivaler à de aproximadamente 1.000.000 kg de TNT.

O material nuclear historicamente associado às primeiras armas nucleares é o urânio. Ele é o elemento natural mais pesado encontrado na crosta terrestre. Elementos mais pesados que o urânio são chamados de transurânicos e são instáveis, não ocorrendo naturalmente — só podem ser produzidos artificialmente.

Mesmo o urânio natural não é totalmente estável: ocasionalmente, ele emite partículas alfa — ou seja, é radioativo — o que indica que seus núcleos podem sofrer transformações internas.

Assim como rearranjos entre átomos podem liberar energia — como na queima de madeira, gás ou petróleo — rearranjos no interior dos núcleos atômicos também podem liberar energia, porém em quantidades muito maiores do que nas reações químicas.

Por exemplo, quando um núcleo de urânio se divide em dois fragmentos (como bário e criptônio), uma grande quantidade de energia é liberada. Se todos os núcleos de 1 kg de urânio sofressem esse processo, a energia liberada seria mais de um milhão de vezes maior do que a obtida na queima de 1 kg de petróleo ou carvão.

O desafio científico foi compreender como induzir esse processo de forma controlada ou não controlada. Em materiais comuns, como madeira, basta iniciar a combustão para que ela se propague. No caso do urânio, o processo é muito mais complexo.

É possível induzir a desintegração de um núcleo de urânio ao bombardeá-lo com partículas adequadas. Feixes de nêutrons, desenvolvidos por pesquisadores a partir da década de 1930, mostraram-se particularmente eficazes para provocar esse tipo de reação, como ilustrado na figura 1.

Fig. 1 – A desintegração do urânio, bombardeado por nêutrons, produzindo dois fragmentos e novos nêutrons.

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

\(+ 3n + \textrm{energia} \)

A probabilidade de um nêutron atingir um núcleo de urânio é pequena, pois ambos são extremamente pequenos. No entanto, a reação acima produz três novos nêutrons. Isso levou a uma ideia revolucionária: se um nêutron inicial produz três outros, e cada um deles produz mais três, forma-se uma reação em cadeia, na qual o número de desintegrações cresce rapidamente:

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

Na prática, toda a massa de urânio poderia “se incendiar”, como ilustrado na figura 2.

Fig. 2 – Reação nuclear em cadeia: toda a massa de urânio se “incendeia”.

Leo Szilard, na década de 1930, concebeu a possibilidade de realizar uma reação em cadeia na prática. Essa possibilidade foi demonstrada experimentalmente por Enrico Fermi em 1942.

A confirmação de que uma reação nuclear em cadeia era possível levou ao desenvolvimento das primeiras armas nucleares, como as utilizadas em Hiroshima e Nagasaki. Nessas bombas, apenas 4 ou 5 kg de urânio — de um total de cerca de 20 kg — sofreram reação, produzindo uma explosão equivalente a aproximadamente 20.000 toneladas de TNT.

Por sua natureza, a reação em cadeia ocorre em um intervalo extremamente curto, inferior a um milésimo de segundo. O mesmo material, porém, pode liberar energia de forma lenta e controlada, como ocorre em reatores nucleares, onde o calor gerado é utilizado para produzir eletricidade.

O urânio natural não pode explodir dessa forma. Ele é composto por cerca de 0,7% de urânio‑235 e 99,3% de urânio‑238. O urânio‑235 é raro: em 1 kg de urânio natural, há apenas cerca de 7 g desse isótopo. É como um saco de feijão com grãos de dois tamanhos: apenas 7 em cada 1.000 seriam urânio‑235.

O urânio‑235 é o isótopo que pode sofrer fissão com facilidade, mas é difícil obtê-lo em alta concentração. Para isso, é necessário enriquecer o urânio natural, aumentando a proporção de urânio‑235. Para fins militares, esse enriquecimento precisa atingir cerca de 80%. Reatores nucleares civis utilizam urânio enriquecido a aproximadamente 3%. O processo de enriquecimento é caro, complexo e dominado por poucos países.

Outra possibilidade é o plutônio, produzido artificialmente a partir do urânio‑238 em reatores nucleares. Ao absorver nêutrons, o urânio‑238 se transforma em plutônio‑239. Assim, é possível produzir alguns quilos de plutônio por ano em reatores de pequeno porte. Por isso, armas nucleares baseadas em plutônio são às vezes chamadas de “bombas dos pobres”, embora continuem sendo extremamente perigosas e complexas.

Uma vez obtido material físsil em alta concentração, torna-se possível construir dispositivos nucleares, como ilustrado na figura 3.

Fig. 3 – Esquema ilustrativo de um dispositivo nuclear.

O material físsil é disposto na forma de uma esfera oca, contendo em seu interior uma fonte de nêutrons (“iniciador”). Essa esfera é envolvida por uma camada de berílio, que atua como refletor de nêutrons. Em seguida, tudo é recoberto por cargas de explosivos convencionais, dispostas de forma simétrica. Quando detonadas, essas cargas comprimem o material físsil, tornando possível a reação em cadeia.

Com cerca de 5 ou 6 kg de urânio altamente enriquecido, ou quantidade equivalente de plutônio, é possível produzir uma explosão equivalente a aproximadamente 10.000 toneladas de TNT — suficiente para destruir uma cidade inteira, como ocorreu em Hiroshima e Nagasaki.

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