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O que é uma Bomba de Hidrogênio?


- Atualizado no dia 3 de fevereiro de 2022 -

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           Quando o campo da Física Nuclear foi iniciado por Rutherford no começo do século XX, ficou evidente já de início que as trocas energéticas nos processos nucleares eram cerca de 10 milhões de vezes mais altas do que aquelas vistas nas reações químicas. A energia de ligação dos prótons e nêutrons no núcleo atômico é da ordem de 106 elétrons-volts (MeV), enquanto uma típica ligação envolvida em reações químicas é de cerca de apenas 1 eV. Usando os experimentos de Rutheford com os produtos de equivalência entre massa e energia trazidos com as teorias de Albert Einstein - como demonstrado pela mais do que famosa equação E = mc2 (onde E é energia, c é a velocidade da luz e m é a massa de um corpo qualquer) - ficou evidente de que as liberações energéticas em reações nucleares eram cerca de 10 milhões de vezes maiores do que em reações químicas.

           Infelizmente, o primeiro uso desse  novo conhecimento foi para a construção de métodos para gerar o maior número possível de mortes humanas no menor intervalo de tempo possível. As armas nucleares foram desenvolvidas no final da Segunda Guerra Mundial, sendo primeiro produzidas e detonadas com sucesso pelos EUA. As duas bombas lançadas pelo exército norte-americano no Japão, Fatman e Little Boy, causaram a morte de dezenas de milhares de pessoas em Nagasaki e Hiroshima, respectivamente. Essas bombas eram baseadas em fissão nuclear, a qual consiste na liberação de uma enorme quantidade de energia devido à quebra do núcleo atômico de urânio ou plutônio. As bombas de hidrogênio, mais recentes, combinam a fissão nuclear com a fusão nuclear, resultando em um bolo energético de explosão muito maior do que as tradicionais.

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   BOMBA H

          As primeiras bombas atômicas fabricadas foram as 'Bombas-A', as quais funcionavam a partir da fissão de núcleos pesados, como o plutônio e o urânio. O urânio-235 (um dos isótopos radioativos desse elemento) é um dos átomos mais utilizados para esse fim, por ser bastante instável e facilmente fissionável. Quando ele é atingido por um nêutron, seu núcleo absorve essa partícula subatômica, fica ainda mais instável e acaba se partindo, dando origem a átomos mais leves (estrôncio e xenônio) (!), liberando ainda mais nêutrons e uma grande quantidade de energia. Os nêutrons liberados atingem outros núcleos de urânio-235, dando continuidade às reações e formando um imenso processo energético em cadeia. Dentro da bomba atômica, a massa de urânio deve estar altamente enriquecida com o urânio-235 (1) e a mesma precisa atingir a chamada massa supercrítica para permitir a explosão (2).

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(!)  A estabilidade de um núcleo pesado (constituído de muitos nêutrons e prótons; ex.: urânio) é governada por um delicado balanço entre repulsão de Coulomb dos prótons que tentam deformar o núcleo, a tensão superficial nuclear conduzindo o núcleo em favor de configurações esféricas, e efeitos de blindagem quântica, os quais adicionam estabilidade extra para certas formas nucleares. Fissão ocorre quando existe uma perturbação nesse balanço em favor da repulsão de Coulomb (repulsão eletrostática entre as cargas positivas/prótons). O processo é exotérmico e dinâmico que começa como uma instabilidade no formato nuclear, o qual, após passar do ponto de não retorno (ponto de sela), se torna mais e mais alongado, até a fragmentação efetiva.

> CURIOSIDADE: Quando um núcleo atômico pesado é quebrado durante a fissão nuclear, os fragmentos resultantes são observados de emergir girando (movimento associado a um momento angular). Esse fenômeno têm sido um mistério na Física Nuclear, em particular devido à geração de seis ou sete unidades de movimento angular em cada fragmento a partir de um sistema que, inicialmente, possui zero, ou quase zero movimento giratório. Existem vários modelos quânticos propostos tentando explicar o processo. Mais recentemente, em um estudo publicado na Nature (Ref.29), foi determinado que movimento de giro nos fragmentos emerge após o evento de fissão, e não antes como tradicionalmente acreditava-se.
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         A massa supercrítica representa a quantidade de material fissionável necessária para sustentar uma eficiente reação de fissão em cadeia, a qual permite que os nêutrons sendo liberados atinjam mais facilmente os núcleos de urânio durante a dispersão causada pela explosão, gerando uma gigantesca soma final de energia expulsa e permitindo uma típica detonação atômica. Essa massa crítica geralmente é alcançada lançando, através de uma explosão convencional, uma massa de urânio-235 na forma de uma bala de encontro à outra massa de urânio na forma de um recipiente (para encaixar a massa disparada - "alvo"). A figura abaixo ilustra esse mecanismo, chamado de gun-type.


            A energia liberada vem da perda de massa sofrida pelo núcleo quando este se parte, obedecendo à famosa equação E=mc2, a qual diz que uma pequena quantidade de massa libera uma enorme quantidade de energia, como já mencionado no início. Essa energia liberada está na forma de diferentes tipos de radiação (raio x, gama, infravermelho) e pequenas partículas extremamente energizadas. Radiação na faixa do raio x, altamente energética, é a mais liberada. As radiações altamente energéticas liberadas (raio x e gama) e, em menor extensão, as partículas beta, são as principais causas de intoxicação radioativa sofrida pelos organismos ao redor dos processos de fissão nuclear. Mas o perigo continua existindo mesmo depois da explosão, já que átomos mais leves produzidos pela fissão são radioativos, persistindo no ambiente por um longo tempo.


          Depois de dominada a técnica de fissão nuclear, começou-se a se voltar os olhos para o poderoso processo atômico que ocorre nas estrelas: a fusão nuclear (3). A fusão de núcleos atômicos leves gera uma quantidade de energia muito maior do que a fissão nuclear de núcleos pesados. Na fusão usada em armas nucleares, usam-se núcleos leves de hidrogênio, este o qual possui 3 isótopos: hidrogênio normal (H), deutério (D ou H12) e o trítio (T ou H13). O hidrogênio normal corresponde a mais de 99,985% do total na Terra, o deutério fica com os cerca de 0,015% restantes, e o trítio só é encontrado em traços. Núcleos leves de trítio e deutério são os escolhidos, e se fundem com a ajuda de altas temperaturas e pressões, dando origem a átomos mais pesados (Hélio) e liberando uma enorme quantidade de energia, seguindo o mesmo princípio de perda de massa nuclear. Nas Bombas de Hidrogênio (Bomba H), conhecidas como 'termonucleares', esse é exatamente o processo que ocorre em seu interior. O combustível de fusão pode ser uma mistura liquefeita de 50/50 de trítio/deutério ou de lítio/deutério (deutereto de lítio).


> Leitura recomendadaDois grandes avanços em reatores de fusão nuclear foram reportados

          Para conseguir elevadas temperaturas e pressões altíssimas em um curto espaço de tempo para ativar a fusão, o gatilho de toda arma termonuclear é uma bomba de fissão nuclear, a qual é o primeiro estágio desses dispositivos...

1... Assim, uma enorme quantidade de energia e nêutrons são liberados, os quais envolvem uma cápsula contendo o combustível de fusão. Manter o trítio/deutério líquido é mais trabalhoso, por isso usa-se o lítio/deutério, onde o lítio se transforma em trítio ao se partir ao meio com a ajuda dos nêutrons livres da fissão.

2. Com altas temperaturas e pressões produzidas pela primeira explosão atômica, auxiliadas pela cápsula bem grossa de urânio ou chumbo que mantém o combustível ainda mais pressionado, a fusão entre os núcleos leves de deutério e lítio acontece, liberando uma quantidade imensa de energia e nêutrons rápidos. Esse é o segundo estágio.

3. Se a cápsula é feita de urânio (urânio-238, estável) os nêutrons ultra rápidos liberados pelo processo de fusão* desestabilizam seus núcleos estáveis (4), tornando-os fissionáveis e, portanto, liberando ainda mais energia com fissões extras. Além disso, um cilindro oco de urânio-235 ou plutônio fica no interior da cápsula, o qual, quando comprimido pela enorme explosão total, entra em processo de fissão também (alcança a massa supercrítica). Esse processo todo quase dobra o poder da bomba de hidrogênio. *E fica fácil de perceber o porque da preferência pelo uso de deutério/trítio, já que ambos liberam um nêutron após se fundirem, como mostrado na figura acima.

Montagem simplificada de uma bomba termonuclear


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           Ou seja, dependendo da construção da bomba H, quatro processos atômicos em conjunto liberam uma quantidade inacreditável de energia, diversas vezes maior do que uma simples bomba de fissão. A bomba de hidrogênio, sem dúvida, é a arma mais poderosa já desenvolvida pela humanidade e a primeira a ser criada e testada foi a Ivy Mike, a qual era gigantesca e serviu apenas para comprovar que a fusão nuclear era possível de ser obtida na fabricação de uma bomba nuclear. A Mike liberou pouco mais de 10 megatons (1 quiloton = 1000 toneladas de TNT; 1 megaton = 1000000 de toneladas de TNT). Para se ter uma ideia, a Litte Boy gerou apenas 15 quilotons. Sua detonação ocorreu em 1° de novembro de 1952, na ilha Elugelab, no Pacífico. O enorme porte da bomba se deu, principalmente, pelo fato do combustível nuclear (isótopos de hidrogênio) serem constituídos de deutério e trítio liquefeitos, já que seus estados à pressão e temperatura ambientes são gasosos, o que não permite uma densidade adequada para a fusão. Por isso, todo um gigante sistema de refrigeração foi necessário para levar os gases para a fase líquida. Esse problema foi resolvido mais tarde, com a criação do deutereto de lítio (DLi) (5).

A Ivy Mike mais era mais uma "fábrica" do que uma bomba. No cilindro (no canto esquerdo), temos a bomba de fato e, acoplado a ela, tubos de refrigeração e instrumentos de medição

A explosão criou uma cratera de 1,9 km de diâmetro e 50 metros de profundidade, obliterando a ilha. Porém, grande parte da energia liberada (77%) veio da fissão de urânio-238 que recobria a bomba pelos nêutrons ultra rápidos gerados na fusão, algo que gerou uma intensa quantidade de radioatividade na área

            Depois da Ivy Mike, as bombas de hidrogênio foram se aperfeiçoando mais e mais com o passar do tempo. Para uso prático do exército norte-americano, em 1983 a B83 foi criada, e é o dispositivo termonuclear que, atualmente, figura como a arma única mais poderosa dos EUA. Ela possui um poder de explosão que pode chegar a 1,2 Megatons de energia, algo em torno de 75 vezes o poder da Little Boy. 650 delas estão em estoque com o governo norte-americano. Tirando a praticidade de lado, durante a Guerra Fria os americanos desenvolveram armas termonucleares muito mais poderosas, como a B41, hoje desativada, mas que possui poder teórico de 25 Megatons, e uma que foi realmente testada, a Castle Bravo, a qual liberou 15 Megatons de energia, ou quase 13 vezes mais destrutiva do que a B83!


Registro fotográfico da explosão da Castle Bravo

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À esquerda, um B83 desmontado, mostrando todas as suas peças de composição; à direita, um B83 pronto para uso

           Mas a mais poderosa já feita, e testada, foi a temida Tsar Bomba, elaborada pela antiga União Soviética (hoje Rússia). Ela foi detonada em 1961 e liberou cerca de 57 Megatons de energia! Isso equivale a 5 mil Little Boys explodindo de uma vez! Ou melhor, isso equivale a todo o poder explosivo liberado durante todo o período da Segunda Guerra Mundial, incluindo as duas bombas atômicas lançadas no Japão, multiplicado por 10! Especula-se que ela tenha usado um 3° estágio, o qual consistia em mais uma série de fusões e fissões acionada pelos 2 estágios tradicionais. Ela não foi mais produzida, pelo menos não que se tenha conhecimento. Seu projeto foi mais um marketing de Guerra Fria, já que o seu enorme tamanho (8 metros de comprimento e 27 toneladas) impossibilitava um uso militar prático. A explosão teste ocorreu na ilha inabitada da Nova Zêmbia, no Círculo Polar Ártico. A bola de fogo gerada podia ser vista a 1000 km de distância, a torre de cogumelo formado alcançou os 64 km de altura e o calor gerado poderia ter causado queimaduras de 3° grau em pessoas que estivessem a 100 km de distância! Tivemos a experiência de ter na superfície do nosso planeta quase 1% da energia liberada pela superfície do Sol em um intervalo de 39 nanosegundos!


A nuvem de cogumelo da explosão da Tsar fotografada por um dos pilotos do avião que a lançou

Local ( marcado com um ponto vermelho no mapa) onde a Tsar Bomba foi detonada

          O avião que jogou a Bomba Tsar - da empresa Tupolev - foi pilotado pelo Major Andrei Kurnovtser, sendo acompanhando por um bombardeiro Tu-16, este o qual estava pronto para filmar a explosão e coletar amostras do ar durante e após a explosão. Em ordem de dar aos dois aviões uma chance de sobrevivência - a qual não ficou acima dos 50% - a temível bomba foi acoplada com um paraquedas gigante, pesando quase 1 tonelada. Nesse sentido, a bomba iria ser freada até chegar a um altura pré-determinada - 3940 metros - e, então, ser detonada. Isso daria tempo para os aviões ficarem afastados cerca de 50 km do ponto de explosão. Mesmo com toda essa distância, ainda havia incertezas sobre a chance de sucesso dos pilotos. Abaixo, um vídeo liberado recentemente pela Rosatom, a agência atômica Russa. A filmagem mostra as preparações para a detonação e a detonação em si.


 

           Aliás, é mais do que válido mencionar que a Tsar Bomba foi projetada inicialmente para ser duas vezes mais poderosa do que a detonação realizada na prática. O design original consistia de três camadas, com camadas de urânio separando cada estágio. Nessa arquitetura, a detonação era para ter gerado cerca de 100 megatons! Porém, os cientistas responsáveis temeram os efeitos de tal catastrófica explosão - a qual poderia mandar uma imensa nuvem radioativa para o norte da URSS - e decidiram substituir as camadas de urânio com camadas de chumbo, reduzindo enormemente as reações nucleares.

Comparação do tamanho das nuvens de cogumelo entre algumas bombas nucleares detonadas na história; a Tsar Bomba é, realmente, incomparável

Uma réplica da Tsar Bomba no museu de Sarov, na Rússia

Comparação de tamanho entre uma réplica da Tsar Bomba e um adulto


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(1-5) Mais informações no final do artigo (INFORMAÇÃO SUPLEMENTAR).
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    SITUAÇÃO ATUAL

          Atualmente, armas nucleares estão oficialmente distribuídas entre EUA, Rússia, França, China, Índia, Paquistão e Coreia do Norte. Israel não nega e nem confirma, mas estima-se que o país possua cerca de 90 ogivas nucleares (Ref.20). O Irã é suspeito de produzi-las secretamente. Durante o período da Guerra Fria, os EUA chegaram a construir 70 mil artefatos nucleares e a Rússia, 55 mil! Com os acordos de não proliferação de armas nucleares, esses números diminuíram drasticamente. 

> Leitura recomendadaE se a Índia e o Paquistão entrarem em um conflito nuclear?

            É estimado que atualmente os EUA tenham um arsenal de aproximadamente 3800 ogivas nucleares, 1,8 mil das quais estão empregadas e 2 mil em reserva (Ref.21). Em adição, aproximadamente 1750 estão esperando ser desativadas, resultando em um inventário total de aproximadamente 5550 ogivas nucleares. Do total de ogivas empregadas, 400 estão em mísseis balísticos intercontinentais terrestres, cerca de 1000 estão em mísseis balísticos de submarinos lançadores, 300 estão em bases de bombardeiros nos EUA, e 100 bombas táticas estão em bases Europeias.

          Já para a Rússia, é estimado que hoje o arsenal do país detém próximo de 4500 ogivas nucleares. Dessas, cerca de 1600 ogivas estratégicas estão empregadas em mísseis balísticos e em bases de bombardeiros pesados, enquanto um adicional de 985 ogivas estratégicas - junto com 1912 ogivas táticas - estão em reserva (Ref.21). O arsenal Russo está em contínuo processo de ampla modernização, intencionado de substituir a maior parte das armas da Era Soviética. Crescente crise econômica na Rússia, porém, têm lentificado esse processo. O grande esforço de modernização é em parte motivado pela busca de paridade nuclear com os EUA e, em parte, pela modernização do sistema Norte-Americano de defesa contra mísseis balísticos, o qual - segundo o governo de Vladmir Putin - pode representar um risco futuro para a credibilidade Russa de retaliação nuclear. 

          Esses esforços de modernização nuclear, especialmente de mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs), estão sendo seguidos também pelos EUA e pela China, criando o risco de uma nova corrida nuclear (!). Nos EUA, o orçamento para a otimização de armas nucleares aumentou de forma significativa com a administração Trump (valor projetado em torno de US$494 bilhões para o período de 2019-2028). Em 2021, foi anunciada a construção de >600 novos misseis nucleares com capacidade de alcance acima de 9600 km e carregando ogivas nucleares com poder >20 vezes maior do que a bomba atômica lançada em Hiroshima, tudo ao custo estimado de US$100 bilhões (Ref.22).

(!) Leitura recomendadaO que é o Relógio do Apocalipse? 

          Os Russos operam hoje 11 submarinos nucleares (em termos de armamento e de fonte energética), carregando mísseis balísticos de três classes: 6 Delta IV, um Delta III e 4 Borei (um deles uma versão otimizada, Borei-A). No total, esses submarinos combinados estão carregados cerca de 816 ogivas nucleares, mas apenas alguns estão em operação.

          Como já mencionado, devido aos esforços históricos de desnuclearização e limitação do poder dessas armas, a mais poderosa arma nuclear hoje em posse dos EUA é a bomba B83, com um poder máximo de 1,2 megatons, e a única na escala do megaton no país (Ref.23). A maioria das armas nucleares modernas nos EUA e na Rússia são termonucleares, cada uma com poder equivalente mínimo de 100 quilotons. Uma arma de 100 quilotons lançada na cidade de New York pode resultar em quase 600 mil mortes (Ref.24).

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> Em 2017, a Coreia do Norte anunciou seu sexto teste nuclear, na região de Kijiu, afirmando representar a detonação efetiva de uma Bomba de Hidrogênio. Em 2019, especialistas confirmaram que a bomba detonada pelos Norte-Coreanos liberou em torno de 250 quilotons, 10 vezes mais poder do que o liberado no teste prévio de 2016. A confirmação foi detalhada e publicado no periódico Journal of Geophysical Research - Solid Earth (Ref.19), com os autores alertando para o expressivo avanço tecnológico dos Norte-Coreanos no contexto de desenvolvimento de armas nucleares.
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   #ARMAS NUCLEARES TÁTICAS

           Armas nucleares táticas (não-estratégicas), por definição tradicional, são ogivas nucleares de baixa potência e de curto alcance (ex.: não são transportadas por mísseis balísticos intercontinentais), as quais visariam o campo de batalha e alvos "limitados". Alvos limitados podem ser exemplificados como bases militares isoladas em florestas ou subterrâneas, ou um submarino no meio de um oceano. Enquanto isso, armas nucleares estratégicas são ogivas nucleares de alta potência e grande alcance, que visam "colocar fim ao conflito", ao destruir cidades, complexos fabris e outros grandes alvos que reduzam dramaticamente a capacidade do inimigo de prosseguir com a guerra.

          Porém, essas definições podem dar uma falsa segurança em relação às armas nucleares táticas, e provavelmente é uma das razões da Rússia ainda reter uma grande quantidade delas em meio ao processo de modernização do armamento nuclear do país.

          Hoje, armas nucleares táticas empregadas ou em reserva são aquelas com um poder entre <1 e ~15 quilotons. Enquanto isso, armas nucleares estratégicas geralmente fazem referência às bombas de hidrogênio (termonucleares/fusão) com até 1-1,2 Megatons (>1000 quilotons), enquanto outras muito mais poderosas produzidas durante a Guerra Fria estão atualmente desativadas (pelo menos nos EUA). Nesse último caso, podemos citar a B83. 

           Mas tudo é muito relativo. Primeiro, as bombas detonadas durante a Segunda Guerra Mundial pelos EUA no território do Japão eram estratégicas e visaram a população civil. O poder liberado pela Little Boy (Hiroshima) foi equivalente a 10-15 quilotons. Além disso, foi lançada de um avião (curto alcance). Ou seja, seria considerada uma arma tática hoje, com exceção do seu alvo. Mas "alvo" pode ser o que a narrativa de guerra criar. O Putin e aliados, na atual invasão da Ucrânia, insistem em dizer que as forças militares Ucranianas estão usando civis como escudos, afirmando que estão apenas visando as estruturas militares do país, sendo que isso obviamente é uma mentira, especialmente considerando o claro cenário de ocupação militar em todo o país, incluindo grandes centros urbanos.

          Em segundo lugar, para termos uma ideia, a segunda mais poderosa bomba não-nuclear hoje, a MOAB (Mãe de Todas as Bombas), dos EUA, é uma arma termobárica com um poder equivalente de 44 toneladas de TNT (!). Uma arma nuclear "tática" de 10 quilotons é quase 230 vezes mais destrutiva que a MOAB. E isso porque não estamos levando em conta a alta radioatividade liberada pelo processo de fissão (isótopo de urânio ou plutônio) dessas bombas, talvez a mais problemática consequência, especialmente porque danos nesse sentido podem se espalhar por áreas muito maiores do que o "alvo limitado".

(!) Leitura recomendadaO que são as armas termobáricas?

          De fato, em fevereiro de 2018, quando testemunhando em frente ao Comitê da Câmara dos Serviços Armados (Ref.26), o ex-Secretário de Defesa dos EUA, James Mattis, afirmou: "Não existe algo que possa ser chamado de arma nuclear tática. Toda arma nuclear usada em qualquer contexto [militar] é uma carta estratégica de virada do jogo."

          Nesse sentido, especialistas são veementes em condenar qualquer uso de armas nucleares sob a leis internacionais de conflitos armados. Além disso, o uso de armas nucleares de "baixa potência" aumenta muito o risco de rápida escalada para uma guerra nuclear em larga escala, eventualmente envolvendo armas nucleares de alta potência (Ref.27-28).

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INFORMAÇÃO SUPLEMENTAR

(1) Para entender mais sobre o enriquecimento de urânio, acesse o artigo Qual é a função das centrífugas nos programas nucleares?

(2) Para uma explosão atômica ser gerada através da fissão nuclear, uma grande reação em cadeia precisa se auto sustentar, onde os nêutrons sendo liberados precisam acertar com grande eficiência e rapidez os núcleos radioativos alvos. Aqui entra o conceito de massa crítica, a qual é a quantidade mínima de massa do material do combustível nuclear (urânio ou plutônio) necessária para sustentar uma reação em cadeia. Quanto mais massa, mais átomos e maior a probabilidade de um nêutron acertar um núcleo em seu caminho. Essa massa crítica irá variar de acordo com parâmetros que aumentem a proximidade dos átomos próximos uns dos outros ou que gere mais átomos cobrindo as brechas no caminho dos nêutrons (temperatura, densidade, pureza do combustível nuclear, etc.). Quanto maior a densidade, por exemplo, menor é a massa necessária para se passar do ponto crítico, pelo fato dos átomos estarem mais juntos, aumentando as chances dos nêutrons os atingirem. E quanto maior a quantidade de urânio-235 em meio ao 238, por exemplo, menor será a massa para a mesma ser crítica, por existir maior quantidade de átomos facilmente fissionáveis no caminho dos nêutrons.  Você também pode usar ferramentas que aumentem a reflexão dos nêutrons para dentro da massa de átomos sendo fissionados, impedindo-os de escaparem e, com isso, facilitando o alcance do ponto crítico. Um revestimento de berílio por fora da massa do combustível nuclear faz esse serviço.

Durante a reação em cadeia, os nêutrons sendo liberados pelos núcleos fissionados fissionam outros núcleos de urânio-235, mas quando atingem um urânio-238, ou quando escapam sem atingir nada (2), o processo é interrompido, diminuindo a liberação de energia. Aumentar a concentração de urânio-235 e fechar os buracos são duas formas de otimizar a massa crítica e aumentar o poder da arma nuclear

          A massa crítica é de extrema importância na arquitetura das armas nucleares, onde é necessário alcançar uma massa supercrítica para gerar uma explosão atômica. Quando ocorre a explosão, a massa do combustível nuclear fragmenta-se e tende a se dispersar rapidamente devido à expansão energética. Se a massa está subcrítica, os nêutrons não conseguirão chegar aos núcleos no tempo necessário para sustentar uma grande reação em cadeia, falhando a explosão. No caso do urânio, como já mostrado, duas massas subcríticas são disparadas ao encontro uma da outra muito rapidamente, formando uma massa supercrítica. Mas é preciso que o processo seja muito rápido, ou uma pré-explosão pode ocorrer, diminuindo a potência da arma. No caso do plutônio, mais difícil de ser colocado em uma reação em cadeia, isso seria possível caso ele estivesse 100% puro com plutônio-239. Mas como sempre existe uma pequena quantidade de plutônio-240, outra estratégia precisa ser utilizada. Nesse caso, uma explosão convencional em torno de uma massa enriquecida com plutônio-239 aumenta a densidade da mesma, levando-a a um estado supercrítico. Quanto mais otimizado é o processo de formação da massa supercrítica, maior é o poderio da arma nuclear.


          Para ilustrar, a bomba atômica lançada pelos EUA em Hiroshima tinha 50 quilos de urânio-235, quantidade que, teoricamente, renderia a liberação de 500 quilotons de energia caso todos os átomos desse elemento tivessem sido fissionados. Porém, seu poder, na prática, foi apenas em torno de 3% desse valor, ou seja, 15 quilotons. Isso ocorre devido a rápida dispersão da massa total, ficando difícil para a reação em cadeia manter-se sustentada por tempo suficiente. Mas como a Little Boy foi um dos primeiros passos no desenvolvimento das armas nucleares, a formação da massa supercrítica em seu interior ainda era rudimentar, o que explica o baixo aproveitamento. Com o tempo, os métodos de construção das armas atômicas melhoram muito, e hoje elas são inúmeras vezes mais destrutivas.

Little Boy, lançada em Hiroshima

(3) Entenda mais sobre o assunto no artigo Como são formados os elementos químicos?

(4) Para armas nucleares de fissão, o urânio-238 não serve para nada, apenas o seu isótopo 235, e por isso é necessário enriquecer a massa de urânio com pelo menos 85% de urânio-235 para usá-la para esse fim. Isso porque os nêutrons rápidos liberados na fissão não são energéticos o suficiente para fissioná-los. Já quando os nêutrons vêm de uma fusão nuclear, eles são muito rápidos e energéticos, causando fissão até mesmo no urânio-238. E isso cai como uma luva nas bombas termonucleares, porque esse isótopo do urânio é o mais abundante, de longe, e muito barato. Você pode colocá-lo cobrindo sua bomba de hidrogênio sem muitos custos adicionais para ganhar uma gigantesca energia extra durante a explosão.

(5) Com a introdução do sal hidreto de lítio (DLi ou H12Li), dois problemas foram resolvidos com maestria. Primeiro, não é mais necessário utilizar o raríssimo e problemático trítio para a feitura do combustível, porque o lítio do sal, ao receber o bombardeio de nêutrons vindo da detonação inicial por fissão é quebrado em trítio e um nêutron. O trítio formado, então, funde-se com o deutério do sal! Antes desse avanço, o trítio tinha que ser custosamente criado em laboratório, devido à sua gigantesca raridade, e não podia ser armazenado por mais de 12 anos (tempo da sua meia-vida) (6). Passa-se a ter um sal muito barato e fonte de deutério e lítio ao mesmo tempo!

E em segundo lugar, como o deutereto de lítio é um sólido à temperatura e pressão ambientes (imagem ao lado), fica fácil de se lidar com ele e não é necessário criar um gigantesco aparato para liquefazer os gases deutério e lítio para obter-se uma densidade mínima. Na verdade, no estado sólido, a densidade acaba sendo mais do que ideal!


(6) Para entender mais sobre o assunto: Como calcular a idade da Terra?

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NUVENS DE COGUMELO: As nuvens, ou bola de fogo, comuns das explosões nucleares não são exclusividade delas. Qualquer evento onde é gerada uma grande quantidade de energia em um curto espaço de tempo poderá resultar na formação de um cogumelo, incluindo erupções vulcânicas de alto impacto. Essas nuvens de cogumelo se formam porque o ar em torno da explosão é aquecido muito rapidamente, tornando-se bem menos denso do que o ar em volta. Isso faz com que esse ar superaquecido suba rapidamente, carregando diversos detritos, fumaça e vapor de água condensado. Essa bola compacta sobe até um certo ponto onde as densidades do ar tornam-se equivalentes novamente (por resfriamento e perda de densidade natural do ar atmosférico com o aumento da altitude - ar fica mais rarefeito). Assim, uma grande bola fica suspensa no ar, com uma coluna de outros gases ascendentes por baixo, formando o aspecto de cogumelo. O formato dessa estrutura irá depender do clima momentâneo da região e da força da explosão. Somente a nuvem da bomba jogada em Hiroshima, por exemplo, chegou a 15 km de altitude, segundo dados da época! Imagina a Tsar...

Nuvem de cogumelo gerada pela erupção do vulcão Redoubt, em 21 de abril de 1990

ISÓTOPOS: São elementos químicos com o mesmo número de prótons, mas com diferentes números de nêutrons. Assim, a reatividade química deles é mantida a mesma, porque o número de elétrons (os quais participam das reações químicas) se mantêm o mesmo (a quantidade de prótons no núcleo é a mesma de elétrons na eletrosfera, por causa das cargas terem que ser anuladas, já que as duas partículas possuem mesmo valor oposto de carga). Mas as interações nucleares são profundamente alteradas. Como os prótons se repelem dentro do núcleo, por terem cargas positivas, os nêutrons agem para diminuir essa repulsão e deixar o núcleo coeso, já que não possuem carga. Por isso o trítio (2 nêutrons, 1 próton) se funde melhor do que o hidrogênio puro (0 nêutrons, e 1 próton), já que a repulsão entre os prótons é dramaticamente diminuída.

Os três isótopos de hidrogênio; perceba que o número de prótons ( P) permanece o mesmo (apenas 1), mas o de nêutrons (N)  difere; além disso, podemos ver que o número de elétrons (´e´, também 1) é igual ao número de prótons, independente da quantidade de nêutrons

PARTÍCULAS ALFA, BETA E GAMA: Todo núcleo radioativo emite radiação altamente energética (raio X e gama)  e partículas subatômicas energizadas, como os elétrons (partículas beta). As partículas alfa são compostas por um núcleo energizado formado de dois prótons e dois nêutrons, sendo uma emissão comum de elementos radioativos pesados (grande quantidade de prótons e nêutrons), como o plutônio e urânio-235. Todas as três emissões são danosas ao corpo dos seres vivos, porém existe uma ordem de periculosidade. As partículas alfa são facilmente barradas por poucas camadas de ar atmosférico, chegando muito pouco ao nosso corpo se mantida uma certa distância. Porém, se a fonte delas for ingerida, ou estiver em contato direto com a sua pele, os danos chegam a ser 20 vezes maiores do que os gerados pelas outras duas emissões, por serem muito pesadas e estarem altamente energizadas (em grande velocidade). As partículas beta são bem mais penetrantes, podendo vencer a barreira do ar (mas não sólida) com facilidade, chegando em nosso corpo a boas distância da sua fonte, causando danos extensos na pele e até um pouco além. A radiação gama, por se tratar de um fóton altamente energizado, vence quase todas as barreiras colocadas em sua frente, possuindo um incrível poder de penetração em nosso corpo. Seus danos são, de longe, os mais pesados caso o material radioativo estejam fora do corpo. Em relação às partículas alfa, elas é que são as responsáveis pelo decaimento nuclear, transformando um elemento em outro mais leve, já que prótons são retirados do núcleo atômico.

Emissões das partículas Alfa (A), Beta (B) e Gama (Y) do núcleo de um elemento radioativo pesado

Força de penetração das emissões radioativas; veja que as emissões alfa podem ser barradas com uma simples folha de papel, enquanto as emissões gama passam em significativa quantidade até mesmo por uma grossa camada de chumbo

BOMBAS DE NÊUTRON: São bombas de relativo baixo poder destrutivo (às vezes não ultrapassando 1 quiloton) que possuem a finalidade de espalhar uma grande quantidade de nêutrons altamente energéticos no seu raio de ação, matando todos os seres vivos ao redor, mas deixando as estruturas civis (prédios, hospitais, casas, etc.) e veículos intactos. Seria uma forma "inteligente" de dominar um território sem destruí-lo completamente, com o foco de aniquilação somente nos soldados. Elas funcionam de forma similar às bomba de fusão nuclear, só que em vez da cápsula de chumbo ou plutônio, é colocado um material metálico mais leve, como o cromo. Assim, os nêutrons escapam com facilidade em meio aos processos nucleares ocorrendo durante a explosão. Os nêutrons em alta velocidade atingem o tecido vivo, causando graves mutações. A morte ocorre poucos dias depois. Até 48 horas após a explosão, veículos e construções ficam radioativos por causa da absorção de nêutrons, sendo necessário esperar esse período de tempo até a ocupação do local pelas forças militares opostas. É importante lembrar também que mesmo tendo "baixo" poder destrutivo comparado com outras ogivas nucleares, bombas de nêutrons causariam significativo dano na área.

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Artigo relacionado: Como são formados os elementos químicos?

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. Introduction to Quantum Mechanics (2° Edição); David J. Griffiths
  2. http://faculty.washington.edu/bulgac/560_2014/[Samuel_S._M._Wong]_Introductory_Nuclear_Physics.pdf
  3. http://www.nytimes.com/2015/03/24/science/hydrogen-bomb-physicists-book-runs-afoul-of-energy-department.html?_r=2
  4.  http://www.nuclearnonproliferation.org/LAMS1225.pdf
  5. http://fas.org/issues/nuclear-weapons/status-world-nuclear-forces/
  6.  http://www.nnsa.energy.gov/ 
  7. Effects of Nuclear Earth-Penetrator and Other Weapons
  8. Introductory Nuclear Physics, (3° Edição); Kenneth S. Krane
  9.  http://www.ldeo.columbia.edu/~richards/my_papers/khalturin_NZ_1-42%20.pdf
  10. http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=9992209&fileId=S0883769415002420
  11. http://www.cnduk.org/campaigns/global-abolition/effects-of-nuclear-weapons/item/444-how-do-nuclear-weapons-work?
  12. https://www.osti.gov/opennet/manhattan-project-history/Events/1945/hiroshima.htm
  13. http://www2.lbl.gov/abc/Basic.html 
  14. http://ee.stanford.edu/~hellman/sts152_02/handout02.pdf
  15. https://app.secure.griffith.edu.au/news/2016/01/07/h-bomb-analysis-must-focus-on-heu-question/
  16. https://www.utoronto.ca/news/whats-behind-north-koreas-hydrogen-bomb-claim
  17.  http://www.bbc.com/news/world-asia-41139445
  18. http://www.bbc.com/news/live/world-asia-41139559
  19. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JB017418
  20. Kristensen & Korda (2022). Israeli nuclear weapons, 2021. Bulletin of the Atomic Scientists, Volume 78, Issue 1. https://doi.org/10.1080/00963402.2021.2014239
  21. Dristensen & Korda (2021). United States nuclear weapons, 2021. Bulletin of the Atomic Scientists, Volume 77, Issue 1. https://doi.org/10.1080/00963402.2020.1859865
  22. Kristensen & Korda (2021). Russian nuclear weapons, 2021. Bulletin of the Atomic Scientists, Volume 77, Issue 2. https://doi.org/10.1080/00963402.2021.1885869
  23. https://thebulletin.org/2021/02/why-is-america-getting-a-new-100-billion-nuclear-weapon/
  24. https://www.icanw.org/how_destructive_are_today_s_nuclear_weapons
  25. https://www.armscontrol.org/factsheets/USNuclearModernization 
  26. Kristensen & Korda (2019). Tactical nuclear weapons, 2019. Bulletin of the Atomic Scientists, Volume 75, Issue 5, Pages 252-261. https://doi.org/10.1080/00963402.2019.1654273
  27. https://ir.lawnet.fordham.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2836&context=ilj
  28. https://soundideas.pugetsound.edu/thecommons/vol1/iss2/4/
  29. Wilson et al. (2021). Angular momentum generation in nuclear fission. Nature, 590(7847), 566–570. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03304-w