Licenciatura em Física
Estrutura da matéria (ESMZ5)
Professor Osvaldo Canato Júnior
BOMBAS E USINAS NUCLEARES1
Quando se descobriu a existência dos minúsculos núcleos atômicos, seu enorme potencial energético já era previsível, mesmo
sem o conhecimento de detalhes das forças nucleares, pois a grande velocidade adquirida pelas partículas α nos decaimentos
radiativos era uma pequena mostra disso. Afinal, se qualquer núcleo além do de hidrogênio existe, é porque há forças atrativas que
compensam a repulsão dos prótons e, se algo perturbar essa ligação, é realmente de esperar que ocorra explosão.
Fissão nuclear
Na década que antecedeu a Segunda Guerra Mundial, anunciou-se na Alemanha a realização de uma fissão nuclear, nome dado a
uma divisão nuclear induzida artificialmente, até então inédita, e que imediatamente levou toda a comunidade científica ao temor de
seu possível uso militar. Começou naquele momento o que se chamou de “corrida nuclear”, que teve como primeiro e terrível
resultado as duas bombas que, ao final da guerra, destruíram Hiroshima e Nagasaki, no Japão, em 1945.
Os modelos desenvolvidos para compreender a constituição dos núcleos, de suas partículas e das forças que agem entre elas
foram se tornando bastante complexos, mas as idéias em que se baseia o uso militar ou energético da fissão nuclear são relativamente
simples:
 A estabilidade ou instabilidade dos núcleos depende da relação entre o número de prótons e de nêutrons, que regula a
relação entre as forças nucleares atrativas e as forças elétricas repulsivas.
 Núcleos de substâncias físseis, ou seja, o isótopo de massa 235 do urânio (92U235) ou o de massa 239 do plutônio
(94Pu239), se tornam extremamente instáveis caso absorvam um nêutron extra.
 Em consequência, esses núcleos dividem-se em outros dois núcleos de substâncias mais leves, também radiativos, como
os isótopos de bário, césio, criptônio, cobalto e muitos outros. Nesse processo de desintegração artificial, há, também,
emissão de nêutrons em alta velocidade e de radiação γ.
 Os nêutrons que encontram em seu trajeto novos núcleos físseis podem torná-los instáveis, promovendo novas fissões,
isto é, fazendo com que também se rompam, emitindo novos nêutrons, e assim por diante.
 Essa sequência, denominada reação em cadeia, é capaz de romper trilhões de trilhões de núcleos em uma fração de
segundo.
 A alta velocidade dos nêutrons e dos núcleos mais leves resultantes, origina uma enorme quantidade de calor.
Ciência e tecnologia a serviço da guerra
A deflagração da Segunda Guerra Mundial (1939- 1945) dividiu as potências mundiais de então em dois blocos: o dos “países
aliados”, envolvendo a Inglaterra, a França, os Estados Unidos e a União Soviética, e o dos “países do eixo”, constituído pela
Alemanha, Itália e Japão. A comunidade científica já sofria os efeitos dessa tensão políticamesmo antes do início da guerra, e muitos
cientistas migraram por razões ideológicas ou para fugir de perseguição política, como Albert Einstein, que deixou a Alemanha, e
Enrico Fermi, que abandonou a Itália.
A experiência de fissão nuclear, realizada pela primeira vez pelo químico alemão Otto Hahn (1879 – 1968), em 1938, na
Alemanha, e explicado pela física alemã Lisa Meitner (1878 – 1968) em artigo à revista Nature em 1939, tornou real a possibilidade
de desenvolver armas nucleares e houve um intenso debate entre cientistas sobre sua fabricação nos países aliados antes que a
Alemanha o fizesse.
No chamado Projeto Manhattan, os Estados Unidos desenvolveram as primeiras bombas atômicas que, em um único dia,
mataram centenas de milhares de pessoas em duas grandes cidades japonesas: Hiroshima, destruída pela Little Boy, uma bomba de
urânio de potência equivalente a 13 kton de TNT, e Nagasaki pela Fat Man, uma bomba de plutônio de 25 kton.
Terminada a guerra, emergiram como potências mundiais antagônicas os Estados Unidos e a União Soviética. Essa divisão polar
do mundo refletiu-se em permanente tensão entre a Organização do Tratado do Atlântico Norte (OTAN), da Europa Ocidental, e o
Pacto de Varsóvia, da Europa Oriental, além de desembocar em conflitos armados no Oriente, como a guerra da Coréia e a guerra do
Vietnã. O longo período do século XX denominado de “Guerra Fria” foi marcado por uma corrida armamentista em que ambas as
potências acumularam um enorme arsenal de bombas de fissão e de fusão nucleares, capazes de aniquilar a vida humana no planeta.
Hoje, há armas nucleares estocadas em diversos países e teme-se seu uso em conflitos regionais, como os do Oriente Médio ou
entre Índia e Paquistão. Existem também armas nucleares táticas, de menor poder de destruição, que poderão vir a ser usadas sobre
tropas, no lugar de explosivos convencionais. Um exemplo é a bomba de nêutrons, uma variante da bomba de fusão nuclear, que torna
máximo o efeito da radiação de nêutrons e minimiza os efeitos térmicos e mecânicos, usando um estopim de fissão de menor potência
e com programação para explodir bem antes de atingir o solo. Fótons de radiação γ emitidos por bombas nucleares de baixa potência
também podem ser usados para ionizar átomos de oxigênio e nitrogênio da atmosfera e criar um intenso pulso eletromagnético com a
intenção de provocar graves panes elétricas em equipamentos da tropa inimiga.
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Texto formulado a partir do exposto nas páginas 27-33 de CANATO JR., O.; MENEZES, L.C. Radiações, materiais, átomos e núcleos. São Paulo: Pueri
Domus Escolas Associadas, 2003.
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No Brasil, debateu-se por décadas a importância estratégica de desenvolver armas nucleares, até que a Constituição promulgada
em 1988 incluiu um item proibindo o desenvolvimento ou uso de armas nucleares no país.
Promulgações como a brasileira não esgotam, no entanto, preocupações, em especial das nações que controlam a OTAN, quanto
à produção de urânio enriquecido para uso energético. Ocorre que o plutônio é um dos subprodutos naturais da geração elétrica
nuclear, um dos motivos pelo qual a indústria energética nuclear tem tido forte relação com a indústria bélica.
Bombas nucleares de fissão e fusão
São necessárias condições técnicas específicas para que se forme uma reação em cadeia numa bomba: os nêutrons emitidos em
uma fissão nuclear devem colidir com outros núcleos físseis e para que isso ocorra é preciso que exista uma quantidade suficiente de
urânio 235 puro ou de plutônio 239, denominada massa crítica; além disso, essa massa deve ser extremamente compactada, ou seja,
reduzida a um volume menor, chamado de volume crítico. Essas condições são conseguidas usando-se dinamite ou explosivo plástico
convencional, que, ao explodir, pressiona os átomos da substância físsil uns contra os outros.
As bombas nucleares de fissão são também denominadas bombas atômicas ou bombas A. Nelas, a massa do núcleo pesado,
fissionável é maior do que a massa total dos fragmentos resultantes da fissão, mais leves, e é essa diferença de massa, convertida em
energia, que promove a explosão.
As bombas nucleares de fusão são também denominadas bombas de hidrogênio ou bombas H. Nelas, a energia é obtida pela
fusão de núcleos bem leves, como os de hidrogênio, em núcleos de massas intermediárias . Para que seja possível essa fusão,, são
necessárias temperaturas de milhões de graus, como ocorre no processo de produção de energia das estrelas, que se dá pela fusão de
núcleos de hidrogênio, resultando em núcleos de hélio.
No caso de uma estrela, a alta temperatura necessária para promover a fusão é resultado da atração gravitacional do material da
estrela; podemos dizer que, ao formar-se, esse material cai sobre si mesmo. No caso das bombas de fusão, a única maneira até hoje
encontrada para conseguir tão alta temperatura é usando um outro tipo de bomba: a de fissão. Em outras palavras, a bomba atômica é
o estopim da bomba de hidrogênio! Na prática, a bomba H é montada no interior de uma bomba A, de forma que a energia liberada na
fissão soma-se à energia ainda maior da fusão que ela promove.
Tanto na bomba A como na bomba H, uma das consequências da explosão é a liberação de grande quantidade de material
radiativo: os isótopos das substâncias resultantes da fissão, que contaminam toda a região e a tornam inabitável por muitos anos. O
resultado mais destrutivo da detonação é o impacto mecânico e térmico, que derruba o que encontra e derrete estruturas de aço,
explodindo edificações de qualquer porte. Esse impacto é precedido por invisível e letal radiação, sobretudo de nêutrons e de raios γ.
O famoso “cogumelo atômico”, que se tornou símbolo das explosões nucleares, deve-se à subida dos gases quentes da atmosfera
local, fazendo com que ela entre em ignição.
Usinas nucleares
Diferentemente das bombas nucleares, os reatores nucleares, mesmo em caso de acidentes com consequências trágicas, como em
Chernobyl, na Ucrânia, em 26 de abril de 1986, nunca se transformam em bombas nucleares, pois não têm como alcançar massa
crítica em volume crítico, essenciais às bombas, como vimos. Em usinas que usam reatores nucleares de alta potência, o perigo de
ocorrer acidentes está na quantidade de material físsil, maior do que a que existe em qualquer bomba nuclear.
Há reatores nucleares de pequeno porte, para produzir isótopos destinados a uso médico e industrial a partir da fissão de
pequenas quantidades de urânio, mas a maior parte dos reatores está instalada em usinas destinadas à produção de eletricidade, isto é,
usinas termelétricas movidas a energia nuclear.
Uma usina termelétrica é um gerador elétrico movido por uma turbina a vapor, ou seja, uma máquina térmica na qual a água é
fervida em uma caldeira. O vapor resultante é conduzido para mover as pás das hélices de uma turbina, que, por sua vez, faz girar o
eixo do gerador. O que distingue uma usina nuclear de qualquer outra termelétrica é apenas a forma pela qual se ferve a água na
caldeira.
Em uma usina nuclear, o interior da caldeira é um reator nuclear, um espaço em que a água entra em contato com os nêutrons
emitidos pela fissão nuclear de urânio: é a energia cinética desses nêutrons que aquece as moléculas de água e faz ferver a água.
O urânio não se mistura à água, pois é condicionado, na forma de pastilhas de dióxido de urânio (UO2), dentro de tubos
inoxidáveis. A condição estabelecida é de sempre se ter o material abaixo da massa crítica que detonaria o processo da reação em
cadeia. Dentre outras razões, vale lembrar o fato de que, em bombas, usa-se U235 quase 100% puro, ou altamente enriquecido,
enquanto em reatores utiliza-se uma mistura com 3% de U235, o que é denominado levemente enriquecida. Esse enriquecimento do
urânio refere-se à quantidade relativa dos isótopos encontrados na natureza: 0,7% de U 235 e 99,2% de U238, que não é físsil.
Para diminuir o risco de contaminação radiativa, a água superaquecida na caldeira-reator não é a mesma que vai circular na
turbina. A água do circuito primário é levada a um trocador de calor, onde transfere energia térmica para o circuito secundário. Neste,
água de outra proveniência, que não tem contato com o reator nuclear, transforma-se em vapor que é conduzido para a turbina,
promovendo a impulsão do gerador.
Poderiamos esperar que existissem reatores nucleares de fusão ou o interesse em desenvolvê-los, pois eles seriam capazes de
produzir energia a partir da fusão de núcleos de hidrogênio, obtido da água, um material muito abundante, e resultando em núcleos de
hélio, um inofensivo gás nobre e não radiativo. Na realidade, essa expectativa não é nova: há mais de meio século, muitos técnicos e
cientistas têm se dedicado, até hoje sem sucesso, à pesquisa da fusão nuclear controlada, o que significaria reproduzir, em nosso
planeta, o processo de geração de energia que ocorre nas estrelas. Além da dificuldade de manusear plasma nuclear, isto é, matéria a
milhões de graus de temperaturas, o problema maior é alcançar e manter tais temperaturas, sem usar uma bomba A.
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