Como funcionam as bombas nucleares - 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 (em inglês), 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 foram suficientes 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. a fissão 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.

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