Bomba Atómica: Fenómenos e Mecânica

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<p>Escola de Engenharia da Universidade do Minho</p><p>Mestrado Integrado em Engenharia de Materiais</p><p>A Bomba Atómica</p><p>Unidade Curricular:</p><p>Estrutura Atómica e Molecular</p><p>Docente:</p><p>Professor Carlos Tavares</p><p>Discentes:</p><p>Nº 85605 Ana Mendes</p><p>Nº 85326 Diana Sousa</p><p>Nº83995 Leonor Calado</p><p>Guimarães, 14 de dezembro de 2018</p><p>82018</p><p>2</p><p>Índice</p><p>1. Contextualização histórica.................................................... 3</p><p>1.1. Projeto Manhattan ......................................................... 3</p><p>1.1.2. Origem e objetivos ........................................................ 3</p><p>1.1.3. Dispositivos nucleares produzidos ................................ 3</p><p>2. Fenómenos atómicos na bomba nuclear ............................... 4</p><p>2.1. Reações químicas VS reações nucleares........................... 4</p><p>2.1.1. Reações de fissão .......................................................... 4</p><p>2.2. Materiais nucleares usados nas bombas atómicas ........... 6</p><p>2.2.1. Urânio (U) ..................................................................... 6</p><p>2.2.1.1 Reação de fissão nuclear do urânio-235 ..................... 8</p><p>2.2.2. Plutónio (Pu) ................................................................. 9</p><p>2.2.2.1. Reação de fissão nuclear do plutónio-239………………10</p><p>3. Mecânica da Bomba atómica ............................................. 10</p><p>3.1. “Little Boy” ....................................................................... 10</p><p>3.2. “Fat Man” ......................................................................... 11</p><p>4. Referências ........................................................................ 12</p><p>3</p><p>1. Contextualização histórica</p><p>1.1. Projeto Manhattan</p><p>1.1.2. Origem e objetivos</p><p>Foi um projeto com a duração de 5 anos (1942-1947) liderado pelos</p><p>EUA e apoiado pelo Canadá e Reino Unido. A sua finalidade era combinar</p><p>esforços militares e científicos com vista à construção das primeiras bombas</p><p>atómicas/nucleares. Toda a pesquisa acerca de matéria físsil que ativasse</p><p>as reações nucleares bem como o design do mecanismo e produção de</p><p>armamento levou à construção de grandes laboratórios nacionais (como o</p><p>Laboratório Nacional de Los Alamos) envolvendo, assim, uma elevada mão-</p><p>de-obra e investimento monetário.</p><p>O que despoletou o Projeto foi uma carta recebida pelo presidente</p><p>americano Roosevelt, quando a II Guerra Mundial se preparava para</p><p>eclodir, em 1939. Esta fora assinada pelos físicos Einstein e Szilard e alertava</p><p>para uma possível construção de uma bomba atómica por parte do regime</p><p>Nazi. Finalmente, com o começo da guerra, tais alertas foram levados a</p><p>sério e deu-se uma corrida secreta, desenfreada e pautada pela ambição</p><p>desmedida dos EUA em se anteciparem à provável bomba alemã. Todo este</p><p>grande esquema operou sob fortes medidas de segurança a fim de evitar</p><p>espionagem do “adversário” que comprometesse o objetivo final. [1]</p><p>1.1.3. Dispositivos nucleares produzidos</p><p>Com a evolução desencadeada pelo Projeto Manhattan, o primeiro</p><p>teste nuclear em grande escala também designado de teste “Trinity”,</p><p>realizou-se em Alamogordo, no Novo México, a 16 de julho de 1945. Dado</p><p>o sucesso de tal episódio, e no seguimento dos conflitos entre os EUA e os</p><p>Japoneses devido à II Guerra Mundial, ocorreram os bombardeamentos</p><p>nucleares que marcaram a História Mundial.</p><p>Os EUA lançaram as bombas atómicas “Little Boy” e “Fat Man” sobre</p><p>as cidades de Hiroshima (6 de agosto de 1945) e Nagasaki (9 de agosto de</p><p>1945), respetivamente. Resultaram numa fase trágica da história da era</p><p>nuclear e marcaram, assim, o final da II Guerra Mundial.</p><p>A libertação de elevadíssima energia e radiações ionizantes</p><p>provocaram danos massivos e ainda hoje continuam a afetar as populações</p><p>4</p><p>daquelas localidades, sobretudo ao nível de doenças oncológicas geradas</p><p>pelas alterações genéticas que se propagam de geração em geração. [2]</p><p>2. Fenómenos atómicos na bomba nuclear</p><p>2.1. Reações químicas VS reações nucleares</p><p>A designação “bomba atómica” advém do facto que de neste tipo de</p><p>bomba, as reações que a caracterizam serem reações nucleares de fissão.</p><p>Assim sendo, antes de se abordar o processo que desencadeia a reação de</p><p>fissão no interior da bomba, convém destacarmos as principais diferenças</p><p>entre reações químicas e reações nucleares.</p><p>Esquema 1. Diferenças entre reações químicas e nucleares. [3]</p><p>2.1.1. Reações de fissão</p><p>Nas bombas atómicas, ocorrem de forma induzida. Numa primeira</p><p>etapa, os neutrões provenientes de uma fonte no centro do dispositivo</p><p>despoletam as reações, sendo bombardeados contra núcleos pesados</p><p>(número de massa>200) de certos elementos a estudar mais à frente.</p><p>Este processo de absorção do neutrão faz com que o núcleo pesado</p><p>seja menos estável do que os seus produtos levando à sua desintegração</p><p>em núcleos mais pequenos e de massa intermédia, mas de elementos</p><p>5</p><p>diferentes. Tais reações são, portanto, acompanhadas pela libertação de</p><p>uma enorme quantidade de energia, bem como de um ou mais neutrões,</p><p>dependendo da reação. Este último facto torna possível uma reação</p><p>nuclear em cadeia, ou seja, uma sequência de reações de fissão nuclear</p><p>autossustentadas. Estes neutrões gerados são capazes de induzir a fissão</p><p>noutros núcleos pesados vizinhos, podendo em menos de um segundo</p><p>tornar tais reações altamente exotérmicas incontroláveis.</p><p>Os materiais capazes de desencadear esta série de reações são</p><p>designados de físseis, sendo que na prática se utilizam determinados</p><p>isótopos de urânio e plutónio. O conceito de isótopos do mesmo elemento</p><p>corresponde a uma variação deste que contém o mesmo número atómico</p><p>(Z), diferente número de neutrões e consequentemente também diferente</p><p>número de massa (A).</p><p>O fator essencial na conceção da bomba atómica é a determinação</p><p>da massa crítica do respetivo material físsil a utilizar, que representa a</p><p>massa mínima do material necessária para gerar uma reação nuclear em</p><p>cadeia autossustentada.</p><p>Só quando a massa do isótopo presente for pelo menos igual à sua</p><p>massa crítica é que a maioria dos neutrões bombardeados é captada pelo</p><p>isótopo em causa, permitindo-se um processo autossustentado Fig.1.b).</p><p>Caso contrário, se a massa for subcrítica, isto é, a quantidade do material</p><p>não é suficiente para pelo menos igualar a massa crítica, muitos dos</p><p>neutrões do material escapariam, não se reunindo as condições necessárias</p><p>para se dar a fissão em série Fig.1.a).</p><p>Fig.1.a) Reação de fissão para uma massa subcrítica. b) Reação de fissão</p><p>para uma massa superior ou igual à massa crítica. [3]</p><p>6</p><p>Como seria de esperar, uma bomba atómica nunca é preparada já</p><p>se atingindo a massa crítica. Esta obtém-se usando um explosivo poderoso</p><p>convencional, como TNT (trinitrotolueno) que comprime as secções</p><p>fissionáveis umas contra as outras. [3]</p><p>2.2. Materiais nucleares usados nas bombas atómicas</p><p>2.2.1. Urânio (U)</p><p>De entre os seus isótopos, destacam-se o urânio-235 e urânio-238,</p><p>físsil e não físsil, respetivamente. Pelo que no fabrico de bombas atómicas</p><p>o urânio-235 é o mais eficaz.</p><p>Contudo, o urânio é encontrado na natureza sob a forma de dióxido</p><p>de urânio (UO2) que é muito pobre no isótopo físsil, contendo apenas 0,7%</p><p>deste, sendo que os restantes 99,3% correspondem ao urânio-238. Deste</p><p>modo, é necessário um processo designado por enriquecimento do urânio</p><p>que procura separar os dois isótopos e, assim, aumentar a concentração do</p><p>Urânio-235.[5] No caso das bombas atómicas, para que se gerem</p><p>quantidades enormes de energia são necessárias quantidades elevadas de</p><p>Urânio-235, podendo rondar os 80 a 95% de concentração deste isótopo.</p><p>São usados, essencialmente, dois processos</p><p>para o enriquecimento</p><p>do urânio: a difusão gasosa e a ultracentrifugação.</p><p>No primeiro, o UO2 é inicialmente convertido em hexafluoreto de</p><p>urânio (UF6), no estado gasoso. De seguida, dá-se a passagem deste gás</p><p>• Descoberto em 1789 pelo alemão</p><p>Martin Klaproth;</p><p>• Primeiro elemento onde se</p><p>descobriu a propriedade</p><p>da radioatividade;</p><p>• Pertence ao sétimo período da</p><p>Tabela Periódica (família dos</p><p>actinídeos);</p><p>• Núcleo mais pesado que existe</p><p>naturalmente na Terra. [4]</p><p>7</p><p>através de uma membrana porosa. Tendo o U-235 menor raio atómico</p><p>quando comparado ao U-238, consegue passar pelos poros mais</p><p>facilmente. Esta passagem pelas paredes porosas é repetida até a</p><p>concentração de U-235 ser a desejada. Assim, consegue-se separar o U235F6</p><p>do U238F6. No final do processo, o gás UF6 enriquecido volta a ser convertido</p><p>em UO2 no estado líquido.</p><p>Fig.2. Enriquecimento do Urânio através de difusão gasosa. [6]</p><p>Na ultracentrifugação, a separação dos isótopos é feita pela força</p><p>centrífuga. O gás UF6 é colocado num cilindro de centrifugação de gás a alta</p><p>velocidade, de modo a que as moléculas de gás mais pesadas (UF6 contendo</p><p>átomos U-238) se movam em direção ao exterior do cilindro, enquanto</p><p>que as moléculas de gás mais leves (contendo U-235) se aproximam do</p><p>centro. [6]</p><p>8</p><p>Fig.3. Enriquecimento do Urânio através da ultracentrifugação. [6]</p><p>2.2.1.1 Reação de fissão nuclear do urânio-235</p><p>Como ilustra a Figura 2, ao ser bombardeado por um neutrão o</p><p>isótopo Urânio-235 sofre fissão, sendo na realidade esta reação bastante</p><p>complexa: encontram-se mais de 30 elementos diferentes entre os</p><p>produtos de fissão. Umas das reações representativas é dada por:</p><p>Fig.4. Fissão do núcleo de Urânio-235. [3]</p><p>A energia de ligação por nucleão para o urânio-235 é menor do que</p><p>a soma das energias de ligação do estrôncio-90 e do xénon-143, fazendo</p><p>com que a decomposição de um núcleo de urânio-235 em dois núcleos mais</p><p>pequenos seja extremamente exotérmica. Essa energia pode ser, assim,</p><p>determinada tendo em conta a Tabela 1. Sendo a diferença de energia de</p><p>coesão dos reagentes e dos produtos por núcleo de urânio-235 igual a</p><p>3,3 × 10−11𝐽 , a energia libertada por mol do mesmo isótopo é igual a</p><p>2,0 × 1013𝐽.</p><p>Tabela1. Energias de coesão nuclear de U-235 e dos seus produtos</p><p>de fissão. [3]</p><p>9</p><p>Se a massa do isótopo for suficiente para pelo menos igualar a massa</p><p>crítica, o facto de se produzirem mais neutrões dos que são inicialmente</p><p>capturados faz com que seja possível induzir fissão noutros núcleos de</p><p>Urânio-235, que por sua vez produzem mais neutrões e assim</p><p>sucessivamente, dando-se a tal reação nuclear em cadeia.</p><p>Para se ter uma ideia da massa mínima de urânio-235 que deve estar</p><p>presente numa bomba atómica pequena, pode-se pensar da seguinte</p><p>forma:</p><p>• Cada tonelada de TNT liberta 4 × 109𝐽 , e como uma</p><p>bomba atómica pequena equivale a cerca de 20 000 toneladas deste</p><p>explosivo liberta-se, então, 8 × 1013𝐽 .</p><p>• Uma mole ou 235 g do isótopo quando fissionado</p><p>liberta, como vimos, 2,0 × 1013𝐽 . Pelo que a massa do isótopo</p><p>presente numa bomba pequena deve ser de pelo menos: [3]</p><p>235𝑔</p><p>8 × 1013 𝐽</p><p>2,0 × 1013𝐽</p><p>≈ 1 × 103 𝑔 = 1𝐾𝑔</p><p>2.2.2. Plutónio (Pu)</p><p>O isótopo Pu-239 é outro dos isótopos físseis com maior</p><p>interesse no fabrico das bombas atómicas. Pode ser obtido através</p><p>do isótopo urânio-238, não físsil. Este ao captar um neutrão e depois</p><p>de ocorreram dois decaimentos beta forma-se o Pu-239, como está</p><p>expresso na Figura 5.</p><p>Fig.5. Reações de transmutação do urânio-238 em Pu-239. [3]</p><p>• Elemento transurânico;</p><p>• Pertence ao sétimo período da</p><p>Tabela Periódica (família dos</p><p>actinídeos);</p><p>• Bastante radioativo. [7]</p><p>10</p><p>2.2.2.1. Reação de fissão nuclear do plutónio-239</p><p>Sendo este isótopo físsil, segue o mesmo princípio do urânio-235.</p><p>Estando em quantidades superiores ou iguais à massa crítica, ao captar</p><p>neutrões desintegra-se em núcleos mais leves com libertação de energia e</p><p>também de neutrões, capazes de desencadear reações de fissão em série.</p><p>[3]</p><p>3. Mecânica da Bomba atómica</p><p>3.1. “Little Boy”</p><p>A primeira bomba atómica, Little Boy usou Urânio-235 como material</p><p>físsil.</p><p>A fissão foi conseguida disparando um cilindro oco de urânio</p><p>enriquecido ("bala") sobre um cilindro sólido do mesmo material ("alvo")</p><p>por meio de uma carga de pó propelente de nitrocelulose.</p><p>Na bomba, o material físsil foi dividido em duas partes, o "projétil" e</p><p>o "alvo", usando-se o princípio da arma a fim de forçar a explosão de uma</p><p>massa subcrítica de urânio-235 e um cilindro-alvo sólido de uma massa</p><p>supercrítica do mesmo isótopo, que permitia uma reação nuclear em</p><p>cadeia. Little Boy continha 64,1 kg de urânio altamente enriquecido.</p><p>A "bala" era uma pilha cilíndrica de seis anéis de urânio apoiados por</p><p>um disco de carboneto de tungsténio e uma placa de apoio de aço. Tudo</p><p>isso foi contido dentro de uma lata de aço para fazer um projétil completo.</p><p>O "alvo" era um cilindro oco que pesava 38,4 kg. Foi fabricado como dois</p><p>anéis separados que foram inseridos na bomba separadamente.</p><p>A arma era um cano antiaéreo, pesava cerca de 450 kg e usava</p><p>Cordite como propelente.</p><p>A Little Boy era bastante insegura, uma vez que ao ser carregada com</p><p>Cordite, qualquer coisa que a acendesse causaria uma explosão total da</p><p>bomba. Por essa razão, o propelente não foi carregado na arma no solo. Em</p><p>vez disso, um dos bombardeiros colocou a corda na arma após a</p><p>descolagem, em caso de acidente ou incêndio. [8] [9]</p><p>11</p><p>3.2. “Fat Man”</p><p>Contrariamente à Little Boy, o mecanismo é de implosão e o material físsil</p><p>Pu-239.</p><p>A estrutura básica de Fat Man consistia numa série de 6 esferas</p><p>concêntricas aninhadas. A mais externa era o sistema de lentes explosivas</p><p>(feito com tolerâncias muito precisas), seguida pelo invólucro do</p><p>absorvedor, o invólucro refletor de urânio ou “tamper”, o poço de plutónio</p><p>e, por fim, o invólucro mais interno, o iniciador de neutrões. O invólucro</p><p>exterior era feito de um explosivo de alta potência que, quando detonado,</p><p>comprimia as esferas internas e carregava o urânio. Todos os componentes</p><p>deveriam encaixar com extrema precisão.</p><p>A concha mais interna, cova de plutónio, continha 6,2 kg de liga de</p><p>plutónio e composta por dois hemisférios. Era sólida, exceto uma cavidade</p><p>no centro onde o iniciador de neutrões era colocado. Tinha um orifício de</p><p>2,5 cm com tampa de plutónio para permitir a inserção do iniciador após a</p><p>montagem.</p><p>O iniciador de neutrões era uma esfera que consistia numa casca de</p><p>berílio oco, com um sólido sedimento de berílio dentro. Este foi ativado pela</p><p>chegada da onda de choque de implosão causada pelo revestimento</p><p>externo da lente, formando uma nova onda de choque que atingiu o</p><p>iniciador, o que permitiu a transformação de urânio em plutónio, seguindo-</p><p>se por fim a explosão.</p><p>À volta do “tamper” havia uma esfera de alumínio ("absorver shell").</p><p>O seu objetivo era reter ao máximo o efeito da onda de choque para</p><p>aumentar o poder destrutivo. Isto porque a pressão do choque transmitido</p><p>amplificava, aumentando também a pressão alcançada no centro do núcleo</p><p>que culminava numa maior explosão.</p><p>O invólucro mais externo era o sistema de 32 lentes altamente</p><p>explosivas. As lentes encaixavam-se no mesmo padrão de uma bola de</p><p>futebol, formando uma montagem esférica explosiva completa. Cada lente</p><p>tinha três peças: duas feitas de explosivo de alta velocidade e uma de</p><p>explosivo de baixa velocidade. [9]</p><p>12</p><p>4. Referências</p><p>[1] O que foi o Projeto Manhattan: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-</p><p>e/historia/o-que-foi-projeto-manhattan.htm (26/10/2018)</p><p>[2] Projeto Manhattan: https://pt.wikipedia.org/wiki/Projeto Manhattan</p><p>(26/10/2018)</p><p>[3] CHANG, Raymond (1994)” Química Nuclear”, in Química 5ª edição,</p><p>McGraw-Hill, 1013-1029. (27/12/2018)</p><p>[4] Urânio:</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Ur%C3%A2nio (consultado a</p><p>27/12/2018(</p><p>[5] Da descoberta do urânio às bombas atómicas. A história da era nuclear:</p><p>https://observador.pt/especiais/da-descoberta-do-uranio-as-bombas-</p><p>atomicas-a-historia-da-era-nuclear/ (consultado a 27/12/2018)</p><p>[6] Enriquecimento do urânio: https://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-</p><p>fac/ur-enrichment.html#diffusion (consultado a 05/12/2018)</p><p>[7] Plutónio: https://pt.wikipedia.org/wiki/Plut%C3%B3nio (consultado a</p><p>12/12/2018)</p><p>[8] Little Boy: https://pt.wikipedia.org/wiki/Little_Boy (consultado a</p><p>06/12/2018)</p><p>[9]Design de Little Boy e Fat Man:</p><p>https://web.stanford.edu/class/e297c/war_peace/atomic/hfatman.html</p><p>(consultado a 12/12/2018)</p><p>https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/historia/o-que-foi-projeto-manhattan.htm%20%20(26</p><p>https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/historia/o-que-foi-projeto-manhattan.htm%20%20(26</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Projeto%20Manhattan</p><p>https://observador.pt/especiais/da-descoberta-do-uranio-as-bombas-atomicas-a-historia-da-era-nuclear/%20(consultado</p><p>https://observador.pt/especiais/da-descoberta-do-uranio-as-bombas-atomicas-a-historia-da-era-nuclear/%20(consultado</p><p>https://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html#diffusion</p><p>https://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html#diffusion</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Plut%C3%B3nio</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Little_Boy%20(consultado</p><p>https://web.stanford.edu/class/e297c/war_peace/atomic/hfatman.html</p>