Introdução

Certamente você já leu livros de história informando sobre as bombas nucleares usadas na Segunda Guerra Mundial. E também deve ter assistido a filmes de ficção científica onde bombas nucleares foram lançadas ou detonadas (" Limite de Segurança", "Dr. Fantástico", "O Dia Seguinte", "O Testamento", "Sombras no Futuro"e "O Pacificador", apenas para citar alguns).

Nos noticiários, enquanto muitos países têm negociado o desarmamento de seus arsenais de armas nucleares, outros têm procurado desenvolver programas de armas nucleares.

Sabe-se que esses artifícios possuem um poder imenso de destruição, mas como eles funcionam? Neste artigo, falaremos sobre a física que faz da bomba nuclear algo tão poderoso, como ela é projetada e o que acontece após a sua explosão.

As bombas nucleares utilizam-se das forças, fortes e fracas, que mantêm o núcleo do átomo unido, em especial os átomos com núcleos instáveis. Há dois modos básicos de a energia nuclear ser liberada a partir de um átomo:

- fissão nuclear: o núcleo de um átomo pode se fissionar em dois fragmentos menores contendo nêutrons. Este método geralmente envolve isótopos de urânio (urânio-235, urânio-233) ou plutônio-239;

- fusão nuclear: a partir de dois átomos menores, normalmente hidrogênio ou isótopos de hidrogênio (deutério, trítio), é possível formar um átomo maior (hélio ou isótopos de hélio); de maneira análoga, o sol produz energia.

Em ambos os processos, fissão ou fusão, uma grande quantidade de energia calorífica e radiação será emitida.

Para construir uma bomba atômica é preciso:

- uma fonte combustível físsil ou fusível;

- um dispositivo de ativação;

- um modo que faça que a maior parte do combustível entre em fissão ou fusão antes da explosão da bomba (ou o disparo da bomba irá fracassar).

As primeiras bombas nucleares usavam dispositivo de fissão, e as mais recentes bombas de fusão exigem ativação por meio de bomba de fissão. Serão abordados os seguintes tipos de projetos de dispositivos:

- bombas de fissão (em geral);

- bomba de fissão de ativação a partir de pistola (Little Boy), que foi detonada sobre Hiroshima, no Japão, em 1945;

- bomba de fissão de ativação por meio de implosão (Fat Man), que foi detonada sobre Nagasaki, no Japão, em 1945;

- bombas de fusão (em geral);

- o projeto da bomba de fusão a hidrogênio de Teller-Ulam, que foi detonada como teste sobre a Ilha de Elugelap, em 1952.

A bomba de fissão utiliza um elemento como o urânio-235 para causar uma explosão nuclear. O urânio-235 possui uma propriedade extra que o habilita tanto para geração de energia nuclear como para a geração de uma bomba nuclear. O U-235 é um dos poucos materiais que suportam a fissão induzida. Caso um nêutron livre adentre um núcleo de U-235, ele será absorvido imediatamente, tornando o núcleo instável e levando-o a fissurar.

Com a aproximação de um nêutron junto ao núcleo do urânio-235 e, tão logo o núcleo capture o nêutron, ele será fissurado em dois átomos menores e expelirá dois ou três novos nêutrons (o número de nêutrons ejetados dependerá de como o átomo U-235 foi fissurado). Os dois novos átomos emitirão uma radiação gama conforme eles se ajustam a seus novos estados. Há três aspectos sobre o processo de fissão que o tornam interessante:

- a probabilidade de um átomo U-235 capturar um nêutron conforme este transita é muito grande. Em uma bomba operando devidamente, nêutrons ejetados da fissão poderão ocasionar outras fissões. Essa condição é conhecida como supercriticalidade;

- o processo de captura e fissão de um nêutron acontece muito rapidamente, na ordem de picossegundos (um trilionésimo de segundo);

- uma quantidade incrível de energia será liberada, na forma de calor e radiação gama, durante a explosão de um átomo. A energia liberada por uma única fissão acontece devido aos produtos de fissão e nêutrons, conjuntamente, pesarem menos do que o átomo original U-235.

A diferença no peso será convertida em energia a uma taxa regida pela equação e = mc2. No caso de 450 g (1 libra) de urânio altamente enriquecido, como se usa numa bomba nuclear, será igual a 1 milhão de galões de gasolina ou 3.785.412 litros.

Ao considerar que 450 g de urânio ocupam menos volume que uma bola de beisebol e que 1 milhão de galões de gasolina enchem um cubo de 15,24 metros de aresta (15,24 metros é a altura de um prédio de cinco andares), pode-se ter uma idéia da quantidade de energia disponível em apenas um pouco de U-235.

Para ativar estas propriedades de U-235, uma amostra de urânio deverá estar enriquecida. O urânio para uso em armas é composto de pelo menos 90% de U-235.

Massa crítica

Em uma bomba de fissão, o combustível deverá ser separado das massas subcríticas, que não suportam fissão, de forma a prevenir a detonação prematura. Massa crítica é o mínimo de material fissurável exigido para garantir sustentação a uma reação de fissão nuclear. Essa separação torna possível a ocorrência de diversos problemas no projeto da bomba de fissão, que deverão ser solucionados:

- as duas ou mais submassas críticas deverão ser agrupadas para dar origem a uma massa supercrítica, que fornecerá mais nêutrons do que o suficiente para proporcionar uma reação de fissão no momento da detonação;

- nêutrons livres deverão ser introduzidos à massa supercrítica para dar início à fissão;

- a maior parte do material fissurável deverá explodir previamente para impedir uma falha.

Para agrupar as massas subcríticas com a massa supercrítica, duas técnicas serão utilizadas:

- ativação por meio de pistola

- implosão

Gerador de nêutrons: Esse gerador é uma pequena esfera de polônio-berílio, separados por uma lâmina dentro do combustível fissurável. Neste gerador:

- A lâmina será rompida quando as massas subcríticas agruparem-se e o polônio emitir partículas alfa.

- Essas partículas alfa colidirão com o berílio-9 para produzir berílio-8 e liberar nêutrons.

- Os nêutrons darão início à fissão.

Finalmente, a reação de fissão será confinada dentro de um material denso, conhecido como refletor de reator nuclear, que é normalmente composto por urânio-238. O refletor de reator nuclear se aquece e se expande por meio da zona central da fissão. Essa expansão exerce uma pressão de volta ao refletor e desacelera a expansão da zona central. O refletor de reator nuclear também refletirá nêutrons de volta à zona central de fissão, aumentando a eficiência da reação.

Tipos de bombas

Bomba de fissão ativada por pistola

O modo mais simples de agrupar as massas subcríticas é produzindo uma pistola que dispare massa subcrítica dentro da outra. Uma esfera de U-235 é formada ao redor do gerador de nêutron e uma pequena bala de U-235 será removida.

A bala será posicionada na extremidade de um tubo longo com explosivos na parte traseira, enquanto a esfera será posicionada na outra extremidade. Um sensor de medição de pressão barométrica determinará a altitude apropriada para detonação e ativará a seguinte seqüência de eventos:

1- os explosivos serão detonados e darão propulsão à bala para fora do cano;

2- a bala atingirá a esfera e o gerador, dando início à reação de fissão;

3- a reação de fissão terá início;

4- a bomba explodirá.

A Little Boy foi uma bomba desse tipo e possuía uma pressão de 14.5-kilotons (o equivalente a 14.500 toneladas de TNT) com eficiência de aproximadamente de 1.5%. Isto é, 1.5% do material foi fissurado antes que a explosão arrebatasse o material.

Bomba de fissão ativada por implosão

No começo do Projeto Manhattan, programa secreto dos EUA para desenvolvimento da bomba atômica, cientistas que trabalhavam no projeto identificaram que comprimir as massas subcríticas conjuntamente em uma esfera através de implosão poderia ser uma forma viável de se produzir massa supercrítica.

Houve vários problemas com relação à essa idéia, em especial acerca do modo de controle e direcionamento da freqüência da onda de choque de maneira uniforme ao longo da esfera.

Entretanto, a equipe do Projeto Manhattan solucionou os problemas. O dispositivo de implosão consistia em uma esfera de urânio-235 (refletor de reator nuclear) e uma zona central de plutônio-239 envolvida por explosivos de alto alcance. Quando a bomba foi detonada, o resultado foi o seguinte:

- os explosivos foram detonados, criando uma onda de choque;

- a onda de choque comprimiu a zona central;

- a reação por fissão teve início;

- a bomba explodiu.

A Fat Man foi uma bomba desse tipo e possuía uma pressão de 23-kilotons com uma eficiência de aproximadamente 17%. Estas bombas explodiam em frações de segundo, geralmente 560 bilionésimos de segundo.

Bomba de ativação por implosão de projeto moderno

Em uma modificação recente do projeto de ativação por implosão, o resultado foi o seguinte:

- os explosivos detonam criando uma onda de choque;

- a onda de choque dá propulsão à agrupação das partículas em uma esfera;

- as partículas de plutônio atingem uma pequena esfera de berílio-plutônio na região central;

- a reação por fissão teve início;

- a bomba explodiu.

Bombas de fusão

As bombas de fusão funcionaram, porém não foram muito eficientes. As bombas de fusão também são conhecidas bombas termonucleares, possuindo pressões de kiloton superiores e eficiências maiores dos que as bombas de fissão. Para projetar uma bomba de fusão, alguns problemas deverão ser solucionados:

- deutério e trítio, combustíveis para fusão, são gases de difícil armazenamento;

- o trítio possui um volume inferior e menor meia-vida, portanto o combustível na bomba deverá ser continuamente reabastecido;

- tanto o deutério quanto o trítio deverão ser comprimidos a altas temperaturas para dar início à reação de fusão.

Em primeiro lugar, para se armazenar o deutério, o gás deverá ser quimicamente combinado ao lítio para produzir um composto de lítio-deutério em estado sólido.
 
Para solucionar o problema de insuficiência de trítio, os desenvolvedores da bomba reconheceram que os nêutrons resultantes de uma reação de fissão poderiam produzir trítio a partir do lítio (lítio-6 adicionado a pressões de nêutrons de trítio e hélio-4; lítio-7 adicionado a pressões de nêutrons de trítio, hélio-4 e um nêutron).

O que significa que tal trítio não necessitará ser armazenado na bomba. Finalmente, Stanislaw Ulam reconheceu que a maior parte da radiação emitida em uma reação de fissão foi de raios X, e que estes raios X poderiam fornecer as altas temperaturas e pressões necessárias para dar início à fusão. Dessa forma, ao se encapsular uma bomba de fissão em uma bomba de fusão, vários problemas poderão ser solucionados.

Projeto da bomba de fusão de Teller-Ulam

Para entender o projeto dessa bomba, imagine que dentro da carcaça de uma bomba haja uma bomba de fissão por meio de implosão e um cilindro contendo urânio-238 (refletor de reator nuclear). Dentro do refletor de reator nuclear está o deuterídeo de lítio (combustível) e um tirante oco de plutônio-239 no centro do cilindro. Mantendo separado o cilindro da bomba de implosão está uma blindagem de urânio-238 e uma espuma plástica que preenche os espaços remanescentes na carcaça da bomba. A detonação da bomba ocasionou a seguinte seqüência de eventos:

1- a bomba de fissão implodiu, produzindo raios X;

2- estes raios X aqueceram o interior da bomba e do refletor de reator nuclear; a blindagem preveniu uma detonação prematura do combustível;

3- o calor fez com que o refletor de reator nuclear se expandisse e fosse incinerado, exercendo pressão interna contra o deuterídeo de lítio;

4- o deuterídeo de lítio foi estilhaçado em pelo menos 30 partículas;

5- as ondas de choque de compressão deram início à fissão no tirante de plutônio;

6- o tirante de fissão liberou radiação, calor e nêutrons;

7- os nêutrons penetraram o deuterídeo de lítio, combinados ao lítio produzindo assim, o trítio;

8- a combinação de altas temperaturas e pressão foi suficiente para que as reações de trítio-deutério e deutério-deutério ocorressem, produzindo mais calor, radiação e nêutrons;

9- os nêutrons das reações de fusão induziram uma fissão às partículas de urânio-238 do refletor de reator nuclear e de blindagem;

10- as fissões das partículas do refletor de reator nuclear e de blindagem produziram ainda mais radiação e calor;

11- a bomba explodiu.

Todos estes eventos aconteceram em aproximadamente 600 bilionésimos de segundo para os eventos de fusão. O resultado foi uma imensa explosão 700 vezes superior à explosão da Little Boy: ela alcançou uma pressão de 10.000 kilotons.

Conseqüências e riscos à saúde

A detonação de uma bomba nuclear sobre um alvo como uma cidade populosa provoca danos imensos. O grau dos danos dependerá da distância de onde o centro da bomba é detonado, chamado de hipocentro ou marco zero. Quanto mais próximo alguém estiver do hipocentro, maior será o grau de danos sérios. Os danos são causados por diversos aspectos:

- uma onda de calor intenso de uma explosão;

- pressão da onda de choque criada pela detonação;

- radiação;

- precipitação radioativa (nuvens de finas partículas de poeira radioativa e resídua da bomba que voltam a cair no solo).

No local do hipocentro, tudo será imediatamente vaporizado devido à alta temperatura (até 500 milhões de graus Fahrenheit ou 300 milhões de graus Celsius).

Fora do hipocentro, a maioria das ocorrências são causadas devido a queimaduras ocasionadas pelo calor, ferimentos devido a estilhaços aéreos dos edifícios derrubados pela onda de choque e exposição à alta radiação.

Fora da área imediata da detonação, as ocorrências são causadas pelo calor, radiação e incêndios gerados pela onda de calor. Em longo prazo, a precipitação radioativa ocorre sobre uma área mais ampla devido a espirais de vento antecedentes. As partículas de precipitação radioativa penetram o manancial d'água e são inaladas e ingeridas por pessoas a uma distância considerável do local de detonação da bomba.

Cientistas estudaram os sobreviventes dos bombardeios de Hiroshima e Nagasaki para compreender os efeitos de curto e longo prazo das explosões nucleares sobre a saúde humana. A radiação e a precipitação radioativa afetam as células responsáveis pela divisão ativa (cabelo, intestino, medula óssea, órgãos de reprodução). Algumas dos problemas de saúde incluem:

- náusea, vômitos e diarréia;

- catarata;

- perda de cabelo;

- perda de células sangüíneas.

Estes problemas freqüentemente aumentam o risco de ocorrência de:

- leucemia;

- câncer;

- infertilidade;

- deficiências congênitas.

Cientistas e físicos ainda estão estudando os sobreviventes das bombas lançadas sobre o Japão e aguardam mais resultados.

Na década de 80, cientistas avaliaram os possíveis efeitos de uma guerra nuclear, isto é, bombas nucleares explodindo em diversos locais do planeta, e propuseram a teoria de que o "inverno nuclear" pudesse ocorrer.

Em um cenário de inverno nuclear, as explosões de muitas bombas levantariam muitas nuvens de poeira e material radioativo, que teriam uma rápida penetração na atmosfera terrestre. Estas nuvens poderiam bloquear a luz solar.

O nível baixo de luz solar poderia diminuir a temperatura do planeta e reduzir a fotossíntese realizada pelas plantas e bactérias. A redução da fotossíntese romperia a cadeia alimentar, causando a extinção em massa da vida (incluindo a vida humana).

Este cenário é semelhante à hipótese de um asteróide proposta para explicar a extinção dos dinossauros. Os proponentes do cenário de inverno nuclear apontaram para a existência de nuvens de poeira e resíduos que viajaram muito além do planeta, após as erupções vulcânicas do Monte Santa Helena, nos Estados Unidos, e do Monte Pinatubo, nas Filipinas.

As armas nucleares possuem um incrível poder de destruição em longo prazo, que ultrapassaria em muito o alvo original. É por essa razão que os governos mundiais buscam uma tentativa de controlar a difusão da tecnologia de armamento nuclear e seus materiais, bem como a redução do arsenal de armas nucleares empregadas durante a Guerra Fria.