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COMO SE FAZ

UMA BOMBA ATÔMICA

Existem diversas substânciasqu(micas que po-dem sofrer transformações muito rápidas:ao seremaquecidas, ao sofrerem um choque,ou misturadascom outras, estas substâncias "explodem"; o queesta explosão significaé que a substânciasofre umareação qu(mica incontrolávelque só acabaquandoos ingredientes dispon(veissão totalmente consu-midos.

A pólvora, a dinamite, a trinitroglicerina sãoexemplos de tais substâncias; numa espoleta, aexplosão é iniciada pela pancada do gatilho sobreela; já num foguete de São João, é o calor queiniciaa explosão.

A grande maioria das reações qu(micas (ou acombustão) se processa lentamente e, apesar deconsumir as substâncias existentes, não são explo-sivas; o exemplo mais simples é a queima de umpalito de fósforo: uma vez iniciadaa queima- pa-ra o que é necessário um estopim ou fósforo - amadeira toda queima,mas não de forma explosiva.

A energia libertada na explosãopode ser muitogrande; por exemplo, um quilo de trinitroglicerina,ao explodir, pode destruir completamente uma casade dois andares. Uma tonelada de trinitrotolueno(TNT) que é um outro tipo de explosivo,pode des-truir um quarteirão.

Estes explosivos têm sido usados extensiva-mente nas guerrasdeste século.

Não satisfeitos com isto, os cientistas desen-volveram um outro tipo de explosivo: a bombaatômica. O nome é devido ao fato de que, numabomba atômica, não ocorre uma reação qu(mica,mas uma reação nuclear.

JosG GOLDENBERGInstituto de F(sica da USP

Como as forças nuclearessão cerca de 1 milhãode vezes mais fortes que as forças qu(micas, asenergias libertadas podem ser muito maiores,isto é, com a explosão de 1 quilo de material nu-clear pode-se obter uma explosão equivalente aum milhãode quilos de TNT.

O material nuclear com o qual se podem fazerbombas atômicas é o urânio; este é o elementomais pesado que se encontra na natureza; todos oselementos mais pesados que ele são chamadostransurânicose são instáveis,não existindo na natu-reza, só podendo ser produzidos artificialmente.

Mesmo o urânio não é muito estável; de vezem quando, espontâneamente, emite part(culasalfa - isto é, o urânio é radioativo - o que indicaque ele pode ser levadoa explodir.

Da mesma forma que um rearranjo dos átomospode libertar energia, como na queima de um com-busHvel (madeira, gás ou petróleo, que são com-postos qu(micos), um rearranjono núcleo dos áto-mos pode também libertar energia, masem quanti-dades maioresdo que nas reaçõesqu(micas.

Por exemplo, se um núcleo de urânio se desin-tegrar em dois fragmentos (o estrôncio e o xenô-nio, por exemplo), uma grandequantidade de ener-gia pode ser liberada. Se, entretanto, todos osnúcleosde 1 kgde urânio se desintegrassem,a ener-gia liberadaseria maisde um milhãode vezesmaiordo que a energia liberada na queima de 1 kg depetróleo ou carvão.

O problema é fazer o urânio queimar, ou seja,fazer com que todos os átomos presentes numamassade 1 kgse desintegrem.

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Isto é fácil de fazer com um pedaçode madei-ra: uma vez que comece a queimar sob a açãodeum fósforo, por exemplo, a reação química sepropaga e só cessaquando todo o combustívelacaba.

Com o urânio isto é muito mais ditrcil defazer. E poss(vel fazer um átomo se desintegrar"incendiando-o", como um fósforo faz com amadeira. Um bom agente para isto são feixes departículas, que os cientistas aprenderama fabricara partir de 1930. Feixesde nêutrons são excelen-tes desintegradoresde átomos de urânio, atravésda reaçãonuclear representadana figura 1.

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~Fig. 7-A desintegraçãodo urânio, bombardeadopor nêutrons, em dois fragmentos, com a produ-çãode váriosoutros nêutrons.NeutfÔns + urânio --+ estfÔncio + xenônio + 3nêutrons + energia

Contudo a probabilidade de que um nêutronacerte num núcleo de urânio é muito pequenapor-que elessãomuito pequenos.

E de se notar, contudo, que,da desintegraçãodo urânio na reaçãoacima,resultamtrês nêutrons.Surgiu dar uma idéia revolucionária, que é a se-guinte: seo 1!J nêutron produz 3 outros e secadaum delesproduz outros 3, teremosuma reaçãoemcadeiaem que o número de desintegraçõesnuclea-resseguea sequência:

1, 3, 9, 27, 81, 243, 729, 2187, etc.progressãoestaque crescerapidamente.Na prática,toda a massade urânio poderia "se incendiar",como indicaa figura 2.

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Fig. 2 - Reação Nuclear "em cadeia': em quetoda a massade urâniose "incendeia"

Leo Szilard teve, na décadade 1930, a idéiade tentar realizar na prática uma reaçãoem cadeia,e isto de fato foi conseguido por Enrico Fermipela primeira vez,em 1942.

a resultado imediato da confirmação da idéiade que era poss(velfazer uma reação nuclear emcadeiacom o urânio levouà construçãodasprimei-rasbombasatômicas do tipo que foi lançadosobreHiroxima e Nagasaki.Nestasbombas,bastou "quei-mar" 4 ou 5 kg de urânio (dos20 kgque a bombapossuía)para obter um efeito explosivo equivalen-te à explosão de 20.000 toneladas de trinitrogli-cerina.

Pela sua própria natureza de bomba, toda areaçãoem cadeia ocorre rapidamentenum tempomenor do que um milésimo de segundo,da mesmaforma que num explosivo comum. Um tanque degasolina também pode ~xplodir, mas em geral elaé usada de forma controlada, "queimando-se" agasolinaaospoucosdentro do motor.

a mesmo pode ocorrer com o urânio, numareaçãoem cadeia;ou ele "explode", isto é, "quei-ma" rapidamente,ou então "queima" lentamente.A quantidade total de energia produzida é amesma,masela se manifestade formas diferentes.No primeiro caso é a fantástica explosão nuclear,com produção de quantidades assombrosasdeluz, calor e outras radiaçõescapazesde matar cen-tenas de milhares de pessoas.No segundocaso,a"queima" do urânio produz basicamente calor,que aqueceas barras nas quais seencontra o urâ-nio.

Não é o urânio que se encontra na naturezaque pode explodir da maneira descrita acima;o urânio como se encontra na natureza é for-mado por uma mistura de dois tipos de átomos:o urânio 235 na proporção de 0,7% e o urânio238 na proporção de 99,3%. O primeiro delesé bastante raro. Num quilo de urânio s6 existem7 gramasde urânio 235. E como se tivéssemosum saco de feijão com grãos de 2 tamanhos; osmenores representariam o urânio 235 e os maio-res, o urânio 238. Em cada 1.000 grãosde feijão,7 representariamurânio 235 e 993 representariamurânio 238.

E o urânio 235 que pode explodir facilmente,mas é difícil obtê-Io de forma pura. Para isto énecessário"enriquecer" o urânio natural, ou sejaaumentar a proporção de átomos de urânio 235na mistura. Este enriquecimento precisaelevar aproporção de átomos de urânio 235 a 80% ("enri-quecimento a 80%"). Reatores nucleares,para aprodução de eletricidade em geral, usam urânioenriquecido a apenas3%. Isto podeserconseguidoatravésde processosmuito carose complicados.S6

1, 2, 3,4: Espoleta e carga explosiva

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Fonte de nêutronsou "iniciador"

as grandespotências possuema tecnologia neces-sária para isso. E poss(vel,porém, obter um outroexplosivo nuclear que é o plutônio. Ele é formadopor uma transformação do urânio 238 - que éinerte do ponto de vista explosivo - em plutônio239. Esta transformação ocorre num reator nu-clear: colocando uma camisa de urânio naturalem torno de um reator nuclear, ele aos poucosvai absorvendo nêutrons e se transformando emplutônio. Desta forma é poss(vel obter váriosquilos de plutônio por ano, usando um reator depequeno porte. Por esta razão, bombas atômicasconstru(dascom plutônio são denominadas"bom-basatômicasdos pobres".

Obtido o urânio enriquecido a 80%, ou o plu-tônio, é poss(velconstruir uma bomba atômica deacordo com o esquema apresentadona figura 3.

O urânio ou plutônio são montados na formade uma esfera oca no interior da qual se colocauma fonte de nêutrons ("iniciador"). A esferadeurânio é envolvida por outra esferaoca de berflioque é um bom "refletor" de nêutronse que devol-ve para o centro nêutrons originados no "inicia-

Refletlor denêutrons (berilio)

Esfera oca de

urânio ou plutônio

Fig. 3 - Esquemade bomba ardmica

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Isto é fácil de fazer com um pedaçode madei-ra: uma vez que comece a queimar sob a açãodeum fósforo, por exemplo, a reação qurmica sepropaga e só cessaquando todo o combustrvelacaba.

Com o urânio isto é muito mais ditrcil defazer. E poss(vel fazer um átomo se desintegrar"incendiando-o", como um fósforo faz com amadeira. Um bom agente para isto são feixes departrculas, que os cientistas aprenderama fabricara partir de 1930. Feixesde nêutrons sãoexcelen-tes desintegradoresde átomos de urânio, atravésda reaçãonuclearrepresentadanafigura 1.

Fig.1-A desintegraçio do urânio, bombardeadopor nêutrons, em dois fragmentos, com a produ-çio de váriosoutros nêutrons.Neutrdns + urânio---+estrdncio + xenônio + 3nêutrons +energia

Contudo a probabilidade de que um nêutronacerte num núcleo de urânio é muito pequenapor-queelessãomuito pequenos.

E de se notar, contudo, que, da desintegraçãodo urânio na reaçãoacima,resultam três nêutrons.Surgiu dar uma idéia revolucionária, que é a se-guinte: seo 1P nêutron produz 3 outros e secadaum delesproduz outros 3, teremosuma reaçãoemcadeiaem que o número de desintegraçõesnuclea-resseguea sequência:

1,3,9,27, 81, 243, 729, 2187, etc.progressãoestaque crescerapidamente.Na prática,toda a massade urânio poderia "se incendiar",como indicaa figura 2.

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Fig. 2 - Reaçio Nuclear "em cadeia'~ em quetoda a massade urâniose "incendeia"

Leo Szilard teve, na década de 1930, a idéiade tentar realizar na prática uma reaçãoem cadeia,e isto de fato foi conseguido por Enrico Fermipela primeiravez, em 1942.

a resultado imediato da confirmação da idéiade que era possrvel fazer uma reação nuclear emcadeia com o urânio levouà construção das primei-ras bombas atômicas do tipo que foi lançadosobreHiroximae Nagasaki.Nestasbombas, bastou "quei-mar" 4 ali 5 kg de urânio (dos 20 kgque a bombapossu(a) para obter um efeito explosivoequivalen-te à explosão de 20.000 toneladas de trinitrogli-cerina.

Pela sua própria natureza de bomba, toda areação em cadeia ocorre rapidamente num tempomenor do que um milésimode segundo,da mesmaforma que num explosivocomum. Um tanque degasolina também pode explodir, mas em geral elaé usada de forma controlada, "queimando-se" agasolinaaos poucos dentro do motor.

a mesmo pode ocorrer com o urânio, numareação em cadeia; ou ele "explode", isto é, "quei-ma" rapidamente, ou então "queima" lentamente.A quantidade total de energia produzida é amesma, mas ela se manifesta de formas diferentes.No primeiro caso é a fantástica explosão nuclear,com produção de quantidades assombrosas deluz, calor e outras radiaçõescapazes de matar cen-tenas de milhares de pessoas. No segundo caso, a"queima" do urânio produz basicamente calor,que aquece as barras nas quais seencontrao urâ-nio.

Não é o urânio que se encontra na naturezaque pode explodir da maneira descrita acima;o urânio como se encontra na natureza é for-mado por uma mistura de dois tipos de átomos:o urânio 235 na proporção de 0,7% e o urânio238 na proporção de 99,3%. O primeiro delesé bastante raro. Num quilo de urânio só existem7 gramas de urânio 235. E como se tivéssemosum saco de feijão com grãos de 2 tamanhos; osmenores representariam o urânio 235 e os maio-res, o urânio 238. Em cada 1.000 grãosde feijão,7 representariamurânio 235 e 993 representariamurânio 238.

E o urânio 235 que pode explodir facilmente,mas é dif(cil obtê-Io de forma pura. Para isto énecessário"enriquecer" o urânio natural, ou sejaaumentar a proporção de átomos de urânio 235na mistura. Este enriquecimento precisaelevar aproporção de átomos de urânio 235 a 80% ("enri-quecimento a 80%"). Reatores nucleares,para aprodução de eletricidade em geral, usam urânioenriquecido a apenas3%. Isto podeserconseguidoatravésde processosmuito carose complicados.Só

1. 2, 3, 4: Espoleta e carga explosiva

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Fonte de nêutronsou "iniciador"

as grandespotências possuema tecnologia neces-sáriaparaisso.Eposs(vel,porém, obter um outroexplosivo nuclear que é o plutônio. Ele é formadopor uma transformação do urânio 238 - que éinerte do ponto de vista explosivo - em plutônio239. Esta transformação ocorre num reator nu-clear: colocando uma camisa de urânio naturalem torno de um reator nuclear, ele aos poucosvai absorvendo nêutrons e se transformando emplutônio. Desta forma é poss(vel obter váriosquilos de plutônio por ano, usando um reator depequeno porte. Por esta razão, bombas atômicasconstru(dascom plutônio são denominadas"bom-basatômicasdos pobres".

Obtido o urânio enriquecido a 80%, ou o plu-tônio, é poss(velconstruir uma bomba atômica deacordo com o esquema apresentadona figura 3.

O urânio ou plutônio são montados na formade uma esfera oca no interior da qual se colocauma fonte de nêutrons ("iniciador"). A esferadeurânio é envolvida por outra esferaoca de bedlioque é um bom "refletor" de nêutronse que devol-ve para o centro nêutrons originados no "inicia-

Refletlor denêutrons (berilio)

Esfera oca de

urânio ou plutônio

Fig.3 - Esquema de bomba atômica

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dor" que conseguiram escapar. Por sua vez,este re-fletor é coberto por umas cargas de explosivo co-mum (TNT), dispostas simetricamente que podemser acionadas por detonadores alimentados poruma corrente elétrica. O TNT é disposto de formaque a sua detonação dirija a força explosiva para ocentro, esmagando a esfera de urânio ou plutônio;ao ocorrer isto, ele sofre a reação em cadeia descri-ta acima, numa "explosão nuclear".

Com 5 ou 6 quilos de urânio enriquecido a80%, ou quantidade equivalente de plutônio, épossível fazer uma bomba de poder explosivoequivalente a 10.000 toneladas de TNT, capazde destruir uma cidade inteira. Isto é o que ocor-reu em Hiroshimae Nagasaki.

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