32.7: Armas nucleares

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Discuta diferentes tipos de bombas termonucleares e de fissão.
• Explique os efeitos nocivos da explosão nuclear.

 

O mundo estava em crise quando a fissão foi descoberta em 1938. A descoberta da fissão, feita por dois físicos alemães, Otto Hahn e Fritz Strassman, foi rapidamente verificada por dois refugiados judeus da Alemanha nazista, Lise Meitner e seu sobrinho Otto Frisch. Fermi, entre outros, logo descobriu que não apenas os nêutrons induziam a fissão; mais nêutrons foram produzidos durante a fissão. A possibilidade de uma reação em cadeia autossustentável foi imediatamente reconhecida pelos principais cientistas de todo o mundo. A enorme energia conhecida por estar nos núcleos, mas considerada inacessível, agora parecia estar disponível em grande escala.

Poucos meses após o anúncio da descoberta da fissão, Adolf Hitler proibiu a exportação de urânio da recém-ocupada Tchecoslováquia. Parecia que o valor militar do urânio havia sido reconhecido na Alemanha nazista e que um esforço sério para construir uma bomba nuclear havia começado.

Cientistas alarmados, muitos deles que fugiram da Alemanha nazista, decidiram agir. Nenhum era mais famoso ou reverenciado do que Einstein. Considerou-se que sua ajuda era necessária para que o governo americano fizesse um esforço sério em armas nucleares como uma questão de sobrevivência. Leo Szilard, um físico húngaro fugitivo, levou um rascunho de uma carta para Einstein, que, apesar de pacifista, assinou a versão final. A carta era para o presidente Franklin Roosevelt, alertando sobre o potencial alemão de construir bombas extremamente poderosas de um novo tipo. Foi enviado em agosto de 1939, pouco antes da invasão alemã da Polônia, que marcou o início da Segunda Guerra Mundial.

Foi somente em 6 de dezembro de 1941, um dia antes do ataque japonês a Pearl Harbor, que os Estados Unidos assumiram um compromisso massivo de construir uma bomba nuclear. O ultrassecreto Projeto Manhattan era um programa intensivo com o objetivo de derrotar os alemães. Foi realizado em locais remotos, como Los Alamos, Novo México, sempre que possível, e acabou custando bilhões de dólares e empregando os esforços de mais de 100.000 pessoas. J. Robert Oppenheimer (1904—1967), cujo talento e ambições o tornaram ideal, foi escolhido para liderar o projeto. O primeiro grande passo foi dado por Enrico Fermi e seu grupo em dezembro de 1942, quando eles alcançaram o primeiro reator nuclear autossustentável. Essa primeira “pilha atômica”, construída em uma quadra de squash na Universidade de Chicago, usava blocos de carbono para termalizar nêutrons. Não só provou que a reação em cadeia era possível, como deu início à era dos reatores nucleares. Glenn Seaborg, químico e físico americano, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1951 pela descoberta de vários elementos transurânicos, incluindo plutônio. Os reatores moderados por carbono são relativamente baratos e de design simples e ainda são usados para produzir plutônio, como em Chernobyl, onde dois desses reatores permanecem em operação.

O plutônio foi reconhecido como mais fácil de fissão com nêutrons e, portanto, um material de fissão superior muito cedo no Projeto Manhattan. A disponibilidade de plutônio era incerta e, portanto, uma bomba de urânio foi desenvolvida simultaneamente. A figura mostra uma bomba tipo arma, que pega duas massas subcríticas de urânio e as sopra juntas. Para obter um rendimento apreciável, a massa crítica deve ser mantida unida pelas cargas explosivas dentro do cano do canhão por alguns microssegundos. Como o acúmulo da reação em cadeia do urânio é relativamente lento, o dispositivo para manter a massa crítica unida pode ser relativamente simples. Devido ao fato de que a taxa de fissão espontânea é baixa, uma fonte de nêutrons é acionada ao mesmo tempo em que a massa crítica é montada.

Figura\(\PageIndex{1}\): Uma bomba de fissão tipo canhão\(^{235}U\) utiliza duas massas subcríticas unidas por cargas explosivas dentro de um cano de canhão. O rendimento energético depende da quantidade de urânio e do tempo em que ele pode ser mantido unido antes de se desmontar.

As propriedades especiais do plutônio exigiam uma montagem de massa crítica mais sofisticada, mostrada esquematicamente na Figura. Uma massa esférica de plutônio é cercada por cargas de forma (altos explosivos que liberam a maior parte de sua explosão em uma direção) que implodem o plutônio, esmagando-o em um volume menor para formar uma massa crítica. A técnica de implosão é mais rápida e eficaz, pois comprime tridimensionalmente em vez de unidimensionalmente, como na bomba tipo canhão. Novamente, uma fonte de nêutrons deve ser acionada no momento correto para iniciar a reação em cadeia.

Figura\(\PageIndex{2}\): Uma implosão criada por altos explosivos comprime uma esfera de\(^{239}Pu\) em uma massa crítica. A capacidade de fissão superior do plutônio o tornou o material universal da bomba.

Devido à sua complexidade, a bomba de plutônio precisou ser testada antes que houvesse qualquer tentativa de usá-la. Em 16 de julho de 1945, o teste chamado Trinity foi conduzido no isolado deserto de Alamogordo, a cerca de 200 milhas ao sul de Los Alamos (veja a Figura). Uma nova era havia começado. O rendimento desse dispositivo foi de cerca de 10 quilotons (kT), o equivalente a 5000 das maiores bombas convencionais.

Figura\(\PageIndex{3}\): Teste Trinity (1945), a primeira bomba nuclear (crédito: Departamento de Energia dos Estados Unidos)

Embora a Alemanha tenha se rendido em 7 de maio de 1945, o Japão se recusou firmemente a se render por muitos meses, forçando grandes baixas. Os planos de invasão dos Aliados estimaram um milhão de vítimas próprias e perdas incalculáveis de vidas japonesas. A bomba foi vista como uma forma de acabar com a guerra. A primeira foi uma bomba de urânio lançada em Hiroshima em 6 de agosto. Seu rendimento de cerca de 15 kT destruiu a cidade e matou cerca de 80.000 pessoas, com mais 100.000 sendo gravemente feridas (veja a Figura). A segunda foi uma bomba de plutônio lançada em Nagasaki apenas três dias depois, em 9 de agosto. Seu rendimento de 20 kT matou pelo menos 50.000 pessoas, algo menos do que Hiroshima por causa do terreno montanhoso e do fato de estar a poucos quilômetros do alvo. Os japoneses foram informados de que uma bomba por semana seria lançada até que eles se rendessem incondicionalmente, o que aconteceu em 14 de agosto. Na verdade, os Estados Unidos tinham apenas plutônio suficiente para mais uma bomba ainda desmontada.

Figura\(\PageIndex{4}\): Destruição em Hiroshima (crédito: Governo Federal dos Estados Unidos)

Sabendo que a fusão produz várias vezes mais energia por quilograma de combustível do que a fissão, alguns cientistas promoveram a ideia de uma bomba de fusão desde muito cedo. Chamando essa bomba de Super, eles perceberam que ela poderia ter outra vantagem sobre a fissão: nêutrons de alta energia ajudariam na fusão, enquanto são ineficazes na\(^{239}Pu\) fissão. Assim, a bomba de fusão poderia ser virtualmente ilimitada na liberação de energia. A primeira bomba desse tipo foi detonada pelos Estados Unidos em 31 de outubro de 1952, no Atol Eniwetok, com um rendimento de 10 megatons (MT), cerca de 670 vezes o da bomba de fissão que destruiu Hiroshima. Os soviéticos seguiram com seu próprio dispositivo de fusão em agosto de 1953, e uma corrida armamentista, além do objetivo deste texto de discutir, continuou até o final da Guerra Fria.

A figura mostra um diagrama simples de como uma bomba termonuclear é construída. Uma bomba de fissão é explodida ao lado do combustível de fusão na forma sólida de deutereto de lítio. Antes que a onda de choque a destrua,\(γ\) os raios aquecem e comprimem o combustível, e os nêutrons criam trítio por meio da reação\(n+^6Li→^3H+^4He\). Combustíveis adicionais de fusão e fissão estão encerrados em uma densa camada de\(^{238}U\). A concha reflete alguns dos nêutrons de volta ao combustível para melhorar sua fusão, mas em altas temperaturas internas são criados nêutrons rápidos que também causam\(^{238}U\) a fissão abundante e barata, parte do que permite que as bombas termonucleares sejam tão grandes.

Figura\(\PageIndex{5}\): Este esquema de uma bomba de fusão (bomba H) dá uma ideia de como o gatilho de\(^{239}Pu\) fissão é usado para acender o combustível de fusão. Nêutrons e\(γ\) raios transmitem energia para o combustível de fusão, criam trítio a partir do deutério e aquecem e comprimem o combustível de fusão. A camada externa do\(^{238}U\) serve para refletir alguns nêutrons de volta ao combustível, causando mais fusão, e aumenta a produção de energia ao se fissionar quando as energias de nêutrons se tornam altas o suficiente.

O rendimento energético e os tipos de energia produzidos pelas bombas nucleares podem ser variados. Os rendimentos de energia nos arsenais atuais variam de cerca de 0,1 kT a 20 MT, embora os soviéticos já tenham detonado um dispositivo de 67 MT. As bombas nucleares diferem dos explosivos convencionais em mais do que tamanho. A figura mostra a fração aproximada da produção de energia em várias formas para explosivos convencionais e para dois tipos de bombas nucleares. As bombas nucleares colocam uma fração muito maior de sua produção em energia térmica do que as bombas convencionais, que tendem a concentrar a energia na explosão. Outra diferença é a energia de radiação imediata e residual das armas nucleares. Isso pode ser ajustado para colocar mais energia na radiação (a chamada bomba de nêutrons) para que a bomba possa ser usada para irradiar tropas em avanço sem matar tropas amigas com explosão e calor.

Figura\(\PageIndex{6}\): Frações aproximadas da produção de energia por armas convencionais e dois tipos de armas nucleares. Além de produzir mais energia do que as armas convencionais, as bombas nucleares colocam uma fração muito maior na energia térmica. Isso pode ser ajustado para aumentar a emissão de radiação e ser mais eficaz contra as tropas. Uma bomba de radiação aprimorada também é chamada de bomba de nêutrons.

Em seu auge em 1986, os arsenais combinados dos Estados Unidos e da União Soviética totalizaram cerca de 60.000 ogivas nucleares. Além disso, os britânicos, franceses e chineses têm várias centenas de bombas de vários tamanhos, e alguns outros países têm um número pequeno. As armas nucleares geralmente são divididas em duas categorias. Armas nucleares estratégicas são aquelas destinadas a alvos militares, como bases e complexos de mísseis, e cidades moderadas a grandes. Havia cerca de 20.000 armas estratégicas em 1988. As armas táticas são destinadas ao uso em batalhas menores. Desde o colapso da União Soviética e o fim da Guerra Fria em 1989, a maioria das 32.000 armas táticas (incluindo mísseis de cruzeiro, projéteis de artilharia, minas terrestres, torpedos, cargas de profundidade e mochilas) foram desmobilizadas e partes dos sistemas estratégicos de armas estão sendo desmontadas com ogivas e mísseis sendo desmontados. De acordo com o Tratado de Moscou de 2002, a Rússia e os Estados Unidos foram obrigados a reduzir seu arsenal nuclear estratégico para cerca de 2000 ogivas cada.

Alguns países pequenos construíram ou são capazes de construir bombas nucleares, assim como alguns grupos terroristas. Duas coisas são necessárias: um nível mínimo de conhecimento técnico e material fissionável suficiente. O primeiro é fácil. O material fissionável é controlado, mas também está disponível. Existem acordos e organizações internacionais que tentam controlar a proliferação nuclear, mas é cada vez mais difícil, dada a disponibilidade de material fissionável e a pequena quantidade necessária para uma bomba bruta. A produção de combustível fissionável em si é tecnologicamente difícil. No entanto, a presença de grandes quantidades desse material em todo o mundo, embora nas mãos de poucos, torna o controle e a responsabilidade cruciais.

Resumo

• Existem dois tipos de armas nucleares: as bombas de fissão usam apenas a fissão, enquanto as bombas termonucleares usam a fissão para iniciar a fusão.
• Ambos os tipos de armas produzem um grande número de reações nucleares em um tempo muito curto.
• Os rendimentos de energia são medidos em quilotons ou megatons de explosivos convencionais equivalentes e variam de 0,1 kT a mais de 20 MT.
• As bombas nucleares são caracterizadas por muito mais produção térmica e radiação nuclear do que os explosivos convencionais.