O que é e como funciona uma explosão nuclear? - Canaltech
Por Daniele Cavalcante | Editado por Claudio Yuge | 06 de Abril de 2021 às 22h00
Explosões nucleares são aquelas cujo poder explosivo vem das reações nucleares, que podem ocorrer através de fissão ou fusão — embora a segunda, também conhecida como explosão termonuclear, seja, na verdade, uma combinação de duas reações. O resultado de ambos os métodos causam o famoso efeito cogumelo, mas a explosão termonuclear pode ser milhares de vezes mais potente.
O funcionamento das bombas de fissão nuclear é através da divisão de um átomo instável pelo bombardeamento de partículas, como um nêutron. Isso gera uma reação em cadeia que vai provocando a fissão nuclear dos outros átomos presentes. Por sua vez, a explosão termonuclear ocorre através da fusão de dois átomos, mas para que isso ocorra é necessário obter energia através da fissão. Por isso é uma combinação de duas reações nucleares.
Como funciona a explosão nuclear
(Imagem: Reprodução/MikeRun/Wikimedia Commons)
Átomos são estruturas formadas por um núcleo cercado por elétrons. Este núcleo é formado por prótons, que têm carga positiva, e nêutrons, que tem carga negativa. Quando uma partícula (como um nêutron) é "arremessada" em um núcleo atônico com força o suficiente, este núcleo se divide em dois, liberando uma determinada quantidade energia. Mas isso não é tão simples de fazer, porque as partículas que formam os núcleos estão unidas pela força nuclear.
Atualmente, a força nuclear é chamada simplesmente de "força forte", porque ela é exatamente isso — a mais forte das quatro forças fundamentais da natureza. Graças a ela, prótons e nêutrons já foram considerados indivisíveis, e é por causa dessa força que os átomos são possíveis. Sem ela, os prótons, que têm carga positiva, deveriam se repelir e fazer o átomo decair rapidamente. Pense na força forte como uma espécie de cola elástica muitíssimo forte, que mantém o núcleo juntinho. Essa cola elástica tem um nome científico: glúons.
Lembre-se que os prótons estão o tempo todo tentando se repelir, porque é isso o que partículas de cargas iguais fazem. Os nêutrons, por sua vez, não possuem carga alguma, então eles não ajudam muito a força forte a manter o núcleo estável. Agora, imagine um nêutron arremessado em direção a um núcleo atômico, com tanta força que consegue romper aquela cola elástica. Sem ela, o núcleo se divide em dois, com "pesos" aproximadamente iguais, mas com um detalhe: a energia acumulada naquela cola elástica, que se esforçava para manter o núcleo unido, foi liberada.
Diagrama de uma reação em cadeia de fissão nuclear (Imagem: Reprodução/Stefan-Xp/Wikimedia Commons)
Essa energia sozinha pode não ser muita coisa, mas algo mais acontece dentro de um explosivo atômico. Quando aquele núcleo se divide, ele libera alguns nêutrons, que são arremessados com força para fora do átomo, e encontram outros átomos do mesmo elemento. O resultado você já deve imaginar — uma reação em cadeia de nêutrons colidindo com núcleos, que por sua vez se dividem liberando energia e mais nêutrons, e assim por diante.
Bem, isso não pode ser feito com qualquer tipo de matéria, porque a força nuclear é realmente forte. Mas há alguns isótopos, como o urânio-235, que são físseis, ou seja, podem sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear. Então, se estivermos falando de uma bomba feita com alguns quilos de urânio-235, aquela reação em cadeia de nêutrons colidindo com núcleos libera a energia da força nuclear de incontáveis átomos. O resultado é uma explosão altamente destrutiva.
Por um lado, o urânio-235 é o único isótopo físsil que pode ser encontrado na natureza em quantidades relevantes. Por outro lado, é possível produzir mais deste isótopo em um processo chamado "enriquecimento de urânio" (isótopos são as diferentes "versões" de um mesmo elemento").
Explosão termonuclear
(Imagem: Reprodução/Sarah Harman/U.S. Department of Energy)
Uma explosão termonuclear utiliza um processo inverso, ou seja, a fusão nuclear. Em vez de dividir átomos, a fusão os junta em um só núcleo atômico, o que também libera energia. Dessa vez, o elemento utilizado é o hidrogênio, por isso essas armas também são chamadas de bomba de hidrogênio. Mas para iniciar o processo de fusão nuclear é preciso muita energia inicial, e isso é feito através da fissão, ou seja, todo o processo descrito acima.
Os cientistas descobriram como fazer o processo de fusão nuclear graças à descoberta de um processo bastante parecido que ocorre bem longe — no interior das estrelas. Foi Arthur Eddington, que no início do século 20, descreveu como deveria ser o processo de produção de energia do Sol, baseado no conhecimento recente sobre a estrutura do átomo e em ideias sobre matéria e energia de Einstein. Ele foi o primeiro a sugerir, em 1920, que a energia do Sol e das estrelas deveria vir de processos subatómicos.
Quase 20 anos depois, em 1939, o físico nuclear Hans Bethe usou essa "intuição" de Eddington e descreveu diferentes processos nucleares que poderiam ocorrer no interior do Sol e de outras estrelas, libertando energia suficiente para as alimentar durante milhões ou bilhões de anos. Essencialmente, Bethe propôs que quando quatro prótons são unidos, eles formam um núcleo de hélio, libertando a energia que Eddington havia sugerido. O processo é hoje conhecido como o ciclo do carbono, e é fundamental para entender a evolução das estrelas.
(Imagem: Reprodução/PhoenixWI.com)
Naquele mesmo ano, os físicos já haviam descoberto que a água pesada, ou seja, formada por dois átomos de deutérios (isótopos de hidrogênio) e um átomo de oxigênio, pode agir como um moderador. Isso significa que ela pode ser um redutor de velocidade dos nêutrons, por isso a ária pesada ainda hoje é utilizada como moderador em reatores nucleares de urânio natural.
Na bomba de hidrogênio, um disparador inicia a reação em um composto químico de deutério e trítio, produzindo instantaneamente o hélio-4, que por sua vez reage com o deutério. Esse disparador é nada menos que um disparo de fissão, que funciona apenas como um gatilho para iniciar a colisão do deutério com o trítio. Pouco mais tarde, os militares colocaram também o urânio-235, para que os nêutrons libertos pela fusão causassem depois uma explosão por fissão nuclear.
Mas por que a fusão nuclear libera tanta energia? É que quando dois núcleos leves se fundem, a massa do núcleo produzido é menor que a soma das massas dos núcleos iniciais. Segundo a equação de Einstein E=mc2, a massa perdida é convertida em energia, e é isso o que ocorre durante uma explosão termonuclear.
Explosão cogumelo
(Imagem: Reprodução/Hypescience.com)
Durante toda a história da humanidade, apenas duas bombas nucleares foram utilizadas — as bombas de Nagasaki e Hiroshima, lançada pelos Estados Unidos, vitimando milhares de civis. Mas vários testes ocorreram, inclusive de bombas de hidrogênio muitas vezes mais destrutivas que as bombas norte-americanas usadas no Japão. Essas explosões têm como característica marcante o "cogumelo" gigantesco que se ergue tão imponente quanto devastador.
Uma bomba termonuclear moderna com menos de 2 km pode produzir uma explosão equivalente à detonação de mais de 1,2 milhão de toneladas de TNT. Em 1961, a União Soviética experimentou a bomba mais poderosa até então concebida, a Tsar. Inicialmente, ela tinha o poder explosivo de 100 megatons, mas temendo que a explosão causasse uma tempestade radioativa na Europa, sua potência foi reduzida para "apenas" 50 megatons.