- 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 pistolaO 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.
Bomba de fissão ativada por implosão
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.
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