Desenho de arma nuclear

Desenhos de armas nucleares são arranjos ou combinações de natureza física, química e de engenharia que permitem que o pacote físico^[1] de uma arma nuclear exploda. Há três tipos básicos de desenho. Em todos, a energia explosiva de engenhos ativados é derivada essencialmente de fissão nuclear, não de fusão.

Armas de fissão puras constituíram, historicamente, o primeiro tipo a ser construído por uma nação. Países com elevados níveis de industrialização e com arsenais nucleares desenvolvidos, possuem armas termonucleares bifásicas, as quais são as mais compactas, escaláveis e com melhor relação resultado/preço, assim que esteja disponível a infraestrutura industrial necessária para as construir.

Todas as inovações em desenho de armas nucleares foram originadas nos EUA, embora alguns desenhos tenham sido desenvolvidos, mais tarde, por outros Estados;^[3] as descrições seguintes dizem respeito a desenhos norte-americanos.

Nos primeiros serviços noticiosos, as armas de fissão puras eram chamadas de "bombas atômicas" ou "bombas-A", um termo inadequado já que a energia vem unicamente do núcleo do átomo. Armas que envolviam fusão eram chamadas de "bombas de hidrogênio" ou "bombas-H", denominações igualmente inadequadas já que a sua energia destrutiva provinha principalmente da fissão nuclear. Conhecedores da tecnologia favoreceram os termos "nuclear" e "termonuclear", respectivamente.

O termo "termonuclear" refere-se às altas temperaturas necessárias ao início da fusão, ignorando o igualmente importante fator da pressão, considerado secreto na época em que o termo se tornou corrente. Muitos termos relacionados com tecnologia de armas nucleares são inexatos devido a terem tido origem em ambientes confidenciais. Alguns são termos em código absurdos, tais como "alarme de relógio".

Reações nucleares

A fissão nuclear divide átomos mais pesados, formando átomos mais leves. A fusão nuclear liga átomos mais leves, formando átomos mais pesados. Ambas a reações geram, aproximadamente, um milhão de vezes mais energia do que as reações químicas comparáveis, tornado as bombas nucleares um milhão de vezes mais poderosas que as bombas não-nucleares, fato reclamado por uma patente francesa^[4] em Maio de 1939.

Em alguns aspectos, fissão e fusão são reações opostas e complementares, mas os seus detalhes são únicos em cada uma. Para entender como as armas nucleares são desenhadas, é útil conhecer as importantes similaridades e diferenças entre fissão e fusão. A explicação seguinte emprega valores arredondados.^[5]

Fissão

Quando um nêutron livre atinge o núcleo de um átomo fissionável como o urânio-235 (²³⁵U), este divide-se em dois átomos menores chamados fragmentos de fissão, bem como em mais nêutrons. As fissões podem ser auto-sustentadas porque cada colisão produz mais nêutrons com as velocidades requeridas para causar novas fissões.

O átomo de urânio pode dividir-se em várias dezenas de maneiras distintas, a única condição na reação será a de a soma dos pesos atômicos totalizar 236 (massa atómica do urânio mais a do nêutron). A seguinte equação mostra uma possível divisão em estrôncio-95 (⁹⁵Sr), xenônio-139 (¹³⁹Xe), dois nêutrons (n), e energia (unidade: MeV):^[6]

A libertação imediata de energia por átomo é de 180 milhões de elétron-volt (MeV), ou seja, 74 TJ/kg, sendo 90% desse valor energia cinética dos fragmentos de fissão, os quais se afastam uns dos outros por repulsão causada pela carga positiva dos seus prótons (38 para o estrôncio e 54 para o xenônio). Assim, a sua energia cinética inicial é de cerca de 67 TJ/kg (correspondendo a uma velocidade inicial de 12.000 km/s), mas a sua elevada carga elétrica provoca inúmeras colisões inelásticas com núcleos vizinhos. Os fragmentos mantêm-se capturados no fosso de urânio até que o seu movimento é convertido em raios X, um processo que demora cerca de um milionésimo de segundo (um microssegundo). Esta energia de raios X produz a explosão e o fogo que são o propósito da explosão nuclear.

Após o abrandamento dos produtos de fissão, estes continuam radioativos. Sendo novos elementos com nêutrons a mais, eventualmente tornar-se-ão estáveis por decaimento beta, convertendo nêutrons em prótons com emissão de elétrons e raios gama. Cada núcleo dos produtos de fissão decai entre uma e seis vezes (três vezes, em média), produzindo uma variedade de isótopos de diferentes elementos, alguns estáveis, alguns altamente radioativos, e outros radioativos com tempos de vida média de até 200.000 anos.^[7] Em reatores, os produtos radioativos são os resíduos nucleares do combustível consumido. Nas bombas, tornam-se cinza nuclear, depositando-se na superfície terrestre tanto localmente como globalmente.

Entretanto, dentro da bomba em explosão, os nêutrons livres libertados pela fissão atingem os núcleos vizinhos de ²³⁵U, provocando a sua fissão numa reação em cadeia de crescimento exponencial (1, 2, 4, 8, 16, 32,...). Iniciando-se com apenas uma, o número de fissões pode, teoricamente, duplicar-se uma centena de vezes em apenas um microssegundo, o que poderia consumir uma massa de urânio com centenas de toneladas quando fosse atingido o centésimo passo da reação. Na prática, as bombas não contêm tanto urânio e, de qualquer das formas, apenas alguns quilogramas sofrem fissão antes de toda a massa explodir em pedaços.

Manter a coesão de uma bomba em explosão é o maior desafio no desenho de armas de fissão. O calor da fissão expande rapidamente o fosso de urânio, espalhando e afastando entre si os núcleos-alvo e, consequentemente, criando espaços inter-nucleares pelos quais os nêutrons se podem escapar sem serem capturados. A reação em cadeia pára.

Os materiais que conseguem suster uma reação em cadeia denominam-se físseis. Os dois materiais físseis usados em armas nucleares são:

O isótopo mais comum do urânio, U-238, é fissionável mas não físsil, o que significa que pode ser fissionado por nêutrons (emitidos por um reator de fusão, por exemplo) mas não é capaz de suster uma reação em cadeia per se. É também conhecido por urânio empobrecido ou natural, tuballoy (Tu), e 28 (ver explicação no parágrafo anterior). Não consegue suster uma reação em cadeia devido aos seus próprios nêutrons de fissão não serem suficientemente energéticos para provocar mais fissão de U-238. No entanto, os nêutrons libertados por fusão fissionarão o U-238. Esta reacção de fissão de U-238 provoca a maior parte da energia destrutiva numa arma termonuclear bifásica típica.

Fusão

É pouco provável que a fusão seja auto-sustentada pois não produz o calor e pressão necessários a mais fusão. Produz, sim, nêutrons que dispersam a energia.^[8] Em armas, a mais importante reação de fusão é chamada de reação D-T. Usando o calor e pressão da fissão, hidrogênio-2 (²D) funde-se com hidrogênio-3 (³T), formando hélio-4 (⁴He), um nêutron (n) e energia:^[9]

Note que a energia total libertada, 17,6 MeV, é um décimo da da fissão, mas os "ingredientes" da reação representam apenas uma quinquagésima parte em termos mássicos, pelo que a energia libertada por unidade de massa é superior. No entanto, nesta reação de fusão, 80% da energia (14 MeV) encontra-se no movimento do nêutron que, por não ter carga elétrica e por ter quase tanta massa como o núcleo de hidrogênio que o criou, pode escapar sem deixar para trás a sua energia e, portanto, sem sustentar a reação nem gerar raios X para explosão e fogo.

A única forma prática de aproveitar a maior parte da energia da fusão é a captura de nêutrons dentro de uma garrafa maciça de um metal pesado como o chumbo, urânio ou plutônio. Se o nêutron de 14 MeV for capturado por urânio (de tipo 235 ou 238) ou plutônio, o resultado é fissão e a libertação de cerca de 180 MeV de energia de fissão, multiplicando o rendimento por dez.

A fissão é, assim, necessária para iniciar e sustentar a fusão, e captura e multiplica a energia libertada em nêutrons de fusão. No caso de uma bomba de nêutrons (ver em baixo) o que foi mencionado não se aplica, visto que a própria fuga dos nêutrons é o objetivo da arma.

Produção de trítio

Uma terceira e importante reação nuclear é a que cria trítio, essencial ao tipo de fusão usada em armas e, coincidentemente, o mais dispendioso componente em qualquer arma nuclear. Trítio, ou hidrogênio-3, é produzido no bombardeamento de lítio-6 (⁶Li) por um nêutron (n), gerando hélio-4 (⁴He), trítio (³T) e energia:^[9]

É necessário um reator nuclear para fornecer elétrons. A conversão, à escala industrial, de lítio-6 em trítio é muito similar à conversão de urânio-238 em plutônio-239. Em ambos os casos, o material de alimentação é colocado dentro de um reator nuclear e removido para processamento algum tempo depois. Na década de 1950, quando a capacidade dos reatores era limitada, as produções de trítio e plutônio estavam em competição direta. Cada átomo de trítio que entrava numa arma substituía um átomo de plutônio que poderia ter sido produzido em seu lugar.

A fissão de um átomo de plutônio liberta dez vezes mais energia total do que a fusão de um átomo de trítio, e gera 50 vezes mais energia explosiva. Por esta razão, o trítio é incluído em componentes de armas nucleares apenas quando produz mais fissão do que aquela sacrificada pela sua produção, nomeadamente no caso da fissão intensificada.

No entanto, uma bomba nuclear em explosão é um reator nuclear. A reação acima pode ocorrer simultaneamente ao longo do secundário de uma arma termonuclear bifásica, produzindo trítio in loco à medida que o engenho explode.

Dos três tipos básicos de arma nuclear, a primeira (fissão pura) usa a primeira das três reações nucleares acima. A segunda (fissão intensificada) usa as primeiras duas reações. A terceira (termonuclear bifásica) usa as três reações.

Armas de fissão pura

A primeira tarefa de um desenho de arma nuclear é agregar rapidamente uma massa supercrítica de urânio ou plutônio físseis. Numa massa supercrítica, a percentagem de nêutrons produzidos por fissão e capturados por outros núcleos físseis é grande o suficiente para que cada evento de fissão, em média, cause mais do que um evento de fissão adicional.

Assim que a massa crítica se encontre agregada com densidade máxima, um jorro de nêutrons é fornecido no sentido de iniciar o maior número possível de reacções em cadeia. As armas primitivas empregavam um "urchin" (detonador) no fosso, contendo este último polônio-210 e berílio separados por uma fina barreira. A implosão do fosso esmagava o urchin e misturava os dois metais, permitindo, desta forma, que partículas alfa provenientes do polônio interagissem com os átomos de berílio, produzindo nêutrons livre. Em armas modernas, o gerador de nêutrons é um tubo de vácuo de alta tensão que contém um acelerador de partículas, o qual bombardeia um alvo de hidreto de deutério/trítio-metal com íons de deutério e trítio. A fusão de pequena escala produz nêutrons num local protegido, fora do pacote físico, a partir do qual podem penetrar no fosso. Este método permite melhor sincronização na iniciação da reação em cadeia.

A massa crítica de uma esfera não-comprimida de metal desprotegido é 49,9 kg para urânio-235 e 15,9 kg para plutônio-239 na fase delta. Em aplicações práticas, a quantidade de material requerida para criticidade varia com a forma, pureza, densidade e proximidade ao material refletor de nêutrons, sendo a fuga ou captura de nêutrons afetadas por todos os fatores anteriores.

Para evitar uma reação em cadeia durante o manuseamento, o material físsil na arma deverá ser sub-crítico antes da explosão. Pode consistir em um ou mais componentes contendo, cada um, menos do que uma massa crítica não-comprimida. Uma fina concha oca pode conter mais do que uma massa crítica esférica e desprotegida, e o mesmo é válido para um cilindro, o qual pode ser arbitrariamente extenso sem nunca atingir criticidade.

A uma camada opcional feita de material denso e que rodeia o material físsil dá-se o nome de calçadeira (do inglês tamper).^[10] Devido à sua inércia, atrasa a expansão do material reator, aumentando a eficiência da arma. É comum a mesma camada servir tanto de calçadeira como de refletor de nêutrons.

Desenho de arma de tipo balístico

Diagrama de uma arma de fissão de tipo balístico.

Little Boy, a bomba de Hiroshima, usou 64 kg de urânio com um enriquecimento médio de 80% (51 kg de U-235), muito próximo da massa crítica para o metal desprotegido. Quando montado dentro da sua calçadeira/refletor de carbeto de tungstênio, os 64 kg representavam mais do dobro da massa crítica. Antes da explosão, o urânio-235 foi preparado em duas porções sub-críticas, uma das quais foi, mais tarde, disparada por um cilindro contra a outra, iniciando a explosão atómica. Cerca de 1% do urânio sofreu fissão;^[11] o restante, representando a maior parte de toda a produção em tempo de guerra das gigantescas fábricas de Oak Ridge, espalhou-se inutilmente.^[12]

A ineficiência foi causada pela velocidade a que o urânio não-comprimido se expandiu e se tornou sub-crítico durante a fissão, devido à sua densidade diminuída. Apesar da sua ineficiência, este desenho, devido ao seu formato, foi adaptado para utilização em projéteis de artilharia cilíndricos e de pequeno diâmetro (uma ogiva de tipo balístico, disparada de um cano de uma arma muito maior). Tais ogivas foram incorporadas pelo Estados Unidos no seu arsenal até 1992, sendo responsáveis por uma fração significativa de todo o U-235 armazenado; estas foram, também, algumas das primeiras armas a serem desmanteladas de acordo com tratados limitativos do número de ogivas. A base lógica desta decisão foi, sem dúvida, a combinação das baixas potências destas armas com os sérios problemas de segurança associados ao desenho de tipo balístico.

Arma de tipo implosivo

Fat Man, a bomba de Nagasaki, usou 6,2 kg (cerca de 350 ml de volume) de Pu-239, o que representa apenas 39% da massa crítica esférica. Rodeada por uma calçadeira/refletor de U-238, o fosso foi elevado próximo do ponto de massa crítica pelas propriedades de refletividade neutrônica do U-238. Durante a detonação, a criticidade foi atingida por implosão. Com o objetivo de aumentar a sua densidade, o fosso de plutônio foi comprimido pela detonação simultânea de explosivos convencionais colocados uniformemente à sua volta. Estima-se que apenas 20% do plutônio tenha sofrido fissão; o resto, cerca de 5 kg, foi espalhado.

Uma onda de choque gerada por uma implosão pode ter uma duração tão curta que apenas uma fração do fosso seja comprimido no instante em que a onda o atravessa.

Imagens de raio X das ondas de choque convergentes formadas durante um teste do sistema de lente altamente explosivo.

Um impulsor (do inglês pusher), implementado na forma de concha de metal de baixa densidade - como o alumínio, berílio ou uma liga de ambos os metais^[13] - poderá ser necessário. O impulsor localiza-se entre a lente explosiva e a calçadeira. Atua refletindo, no sentido oposto, uma parte da onda de choque, tendo assim o efeito de prolongar a sua duração. A bomba Fat Man usou um impulsor de alumínio.

A chave para a maior eficiência da bomba Fat Man residiu no momento transmitido do exterior pela calçadeira massiva de U-238 (a qual não sofreu fissão). Assim que a reação em cadeia se iniciou no plutônio, o momento da implosão tinha de ser invertido antes que a expansão pudesse parar a fissão. Ao manter-se toda a estrutura durante algumas centenas mais de nanosegundos, conseguiu-se aumentar a eficiência do engenho.

Fosso de plutônio

O núcleo de uma arma de implosão – o material físsil e qualquer refletor ou calçadeira ligado a ele – é conhecido por fosso. Algumas armas testadas durante os anos de 1950 usaram armas feitas somente com U-235, ou em conjunto com plutônio,^[14] mas os fossos feitos unicamente com plutônio são os que têm menor diâmetro e têm sido a norma desde o início da década de 1960.

A fundição e usinagem do plutônio são difíceis, não só devido à sua toxicidade, como também devido à existência de várias fases metálicas, também conhecidas como alótropos. À medida que o plutônio arrefece, alterações na sua fase resultam em distorção. Esta distorção é normalmente ultrapassada ligando-o metalicamente a gálio a 3-3,5 molar%, o que provoca a expansão da sua fase delta por uma maior gama de temperaturas.^[15] Quando é feito o arrefecimento a partir da fusão, o plutônio sofrerá então apenas uma mudança de fase, de epsilon para delta, em vez das quatro fases que, caso contrário, atravessaria. Outros metais trivalentes também funcionariam, mas o gálio tem uma seção eficaz de absorção neutrônica bastante reduzida e ajuda a proteger o plutônio contra a corrosão. Um inconveniente reside no fato de os próprios compostos de gálio serem corrosivos, pelo que, se o plutônio for recuperado a partir de armas desmanteladas para conversão em dióxido de plutônio, usado em reatores nucleares, há dificuldade em remover o gálio.

Devido ao plutônio ser quimicamente reativo, é comum revestir o fosso com uma fina camada de metal inerte, o que também reduz o perigo de toxicidade.^[16] Nas primeiras armas foi utilizado níquel^[16] mas, atualmente, dá-se preferência ao ouro.

Implosão em fosso levitado

O primeiro melhoramento no desenho da bomba Fat Man consistiu na introdução de um espaço com ar entre a calçadeira e o fosso, por forma a criar um impacto similar ao de um martelo a atingir um prego. O fosso, suportado por um cone oco dentro da cavidade da calçadeira, era descrito como "levitado". Os três testes da Operação Sandstone, em 1948, usaram desenhos de tipo Fat Man com fossos levitados. A maior potência foi de 49 kt, mais do dobro da potência do desenho Fat Man sem levitação.^[17]

Foi imediatamente claro que o modelo implosivo seria o mais adequado para uma arma de fissão. A sua única desvantagem residia no seu diâmetro. A bomba Fat Man tinha 1,5 m de largura, contrastando com os 60 cm da bomba Little Boy.

Onze anos mais tarde, os desenhos de implosão tinham avançado suficientemente para que a esfera de 1,5 m de diâmetro do engenho Fat Man tivesse sido reduzida para um cilindro de 30 cm de diâmetro e 60 cm de comprimento, no caso do engenho Swan.

O fosso de Pu-239 da bomba Fat Man tinha apenas 9 cm de diâmetro, ligeiramente maior do que uma bola de baisebol. A maior parte do anel que rodeava a bomba Fat Man dizia respeito ao mecanismo de implosão, nomeadamente as camadas concêntricas de U-238, alumínio e potentes explosivos. A chave para a redução do anel residiu no desenho de implosão de dois pontos.

Implosão linear de dois pontos

Um desenho implosivo bastante ineficiente é um que simplesmente remodela um ovóide numa esfera, com compressão mínima. Num esquema de implosão linear, uma massa de Pu-239, sólida, não comprimida e alongada, maior do que massa crítica numa esfera, é embutida num cilindro altamente explosivo, com um detonador em cada ponta.^[18]

A detonação leva o fosso à criticidade pela compressão simultânea dos topos do cilindro, criando uma forma esférica. O choque pode também fazer o plutónio transitar da sua fase delta para a fase alfa, aumentando a sua densidade em 23%, mas sem o momento, do exterior para o interior, de uma verdadeira implosão. A falta de compressão torna a detonação ineficiente, mas a simplicidade e reduzido diâmetro do desenho tornam-no adequado para utilização em projéteis de artilharia e munições atómicas de demolição, também conhecidas por armas nucleares portáteis.

Todas estas armas de combate de baixa potência, sejam desenhos balísticos de U-235 ou desenhos implosivos lineares de Pu-239, exigem o pagamento de um preço alto em termos de material físsil, já que implicam que se alcancem diâmetros entre 152 e 254 mm.

Implosão de dois pontos em fosso oco

Um sistema implosivo de dois pontos emprega duas lentes de explosão e um fosso oco.

Um fosso oco de plutónio era o planeado inicialmente para a bomba Fat Man de 1945, mas não havia tempo suficiente para desenvolver e testar o seu sistema implosivo. Um desenho de fosso sólido era mais simples e, dada a restrição de tempo, considerado mais fiável, mas requeria uma calçadeira de U-238 pesada, um impulsor espesso de alumínio, e três toneladas de altos explosivos.

Após a guerra assistiu-se ao reavivar do interesse no desenho de fosso oco. A sua vantagem mais óbvia reside no fato de uma casca oca de plutónio, deformada por choque em direção ao seu centro vazio, transmitir momento na sua súbita e violenta configuração em esfera sólida. Ela própria funcionaria como calçadeira, requerendo um muito menor dispositivo deste tipo (em U-238), sem necessidade de qualquer impulsor, e empregando explosivos de menor potência. O fosso oco tornou a levitação obsoleta.

A bomba Fat Man possuía duas conchas esféricas e concêntricas de altos explosivos, cada uma com cerca de 25 cm de espessura. A concha interior guiou a explosão. A concha exterior consistiu num padrão de bola de futebol com 32 lentes altamente explosivas, cada uma convertendo a onda convexa proveniente do seu detonador numa onda côncava cuja frente se adequava à superfície externa da concha interna. Se estas 32 lentes pudessem ser substituídas por apenas duas, a esfera de altos explosivos poderia tornar-se um elipsóide (esferóide prolato) com muito menor diâmetro.

Um excelente exemplo destas duas características reside numa ilustração de 1956 do programa sueco de armas nucleares (encerrado antes de ter produzido uma explosão de teste), nela se vendo os elementos essenciais do desenho de dois pontos em fosso oco.

Há desenhos similares na literatura aberta que provêm do programa alemão de armas nucleares no pós-guerra, o qual foi também encerrado, bem como do programa francês, o qual produziu um arsenal.

O mecanismo da lente de altos explosivos (item nº 6 no diagrama) não é mostrado no desenho sueco, mas uma lente de tipo padrão feita de explosivos potentes rápidos e lentos, como na bomba Fat Man, seria muito mais alongada do que a forma ilustrada. Para que uma única lente explosiva gere uma onda côncava que envolva por completo um hemisfério, aquela deverá ser ou muito comprida, ou a parte da onda na linha que liga o detonador ao fosso dramaticamente abrandada.

Um explosivo potente e lento é, ainda assim, muito rápido, mas a placa voadora de uma "lente de ar" não o é. Uma placa metálica, deformada por choque e empurrada através de um espaço vazio, pode ser desenhada para que se mova à velocidade pretendida.^[19][20] Um sistema implosivo de dois pontos usando tecnologia de lente de ar pode ter um comprimento que não exceda o dobro do seu diâmetro, tal como no desenho sueco acima referido.

Arma de fissão intensificada

O passo seguinte em miniaturização teve como objetivo a aceleração da fissão no fosso para reduzir a quantidade de tempo requerida pelo confinamento inercial. O fosso oco constituiu uma localização ideal para a introdução da fusão no sentido de obter intensificação da fissão. Uma mistura 50/50 de gases de trítio e de deutério, bombeada para o fosso durante o armamento, funde-se em hélio e liberta nêutrons livres brevemente após o início da fissão. Os nêutrons dão início a um elevado número de novas reacções em cadeia enquanto o fosso ainda se encontra crítico ou perto da criticidade.

Assim que o fosso oco é aperfeiçoado, as razões para não se escolher a intensificação tornam-se escassas.

O conceito de fissão intensificada por fusão foi primeiramente testado a 25 de Maio de 1951, na explosão Item da Operação Greenhouse, em Enewetak. A explosão teve uma potência de 45,5 kt.

A intensificação reduz o diâmetro de três formas, todas resultantes de fissão mais rápida:

Como a intensificação é requerida para atingir a potência máxima associada a este desenho, qualquer redução na intensificação implica uma redução na potência. Armas intensificadas são, assim, armas de potência variável. A potência pode ser reduzida em qualquer momento anterior à explosão, bastando para isso reduzir a quantidade de trítio que é injetado no fosso durante o processo de armamento.

O primeiro engenho cujas dimensões sugerem a implementação de todas estas características (dois pontos, fosso oco, implosão intensificada por fusão) foi o engenho Swan, testado a 22 de Junho de 1956 em Enewetak. A explosão recebeu o nome Inca e foi executada no contexto da Operação Redwing. A sua potência foi de 15 kt, aproximadamente a mesma da bomba Little Boy, detonada em Hiroshima onze anos antes. Pesava 47,6 kg e era de forma cilíndrica, com 29,5 cm de diâmetro e 58 cm de comprimento. O esquema acima ilustra as suas prováveis características essencias.

Onze dias mais tarde, a 3 de Julho de 1956, o engenho Swan foi testado novamente em Enewetak, tendo recebido o nome de Mohawk. Desta vez, o engenho desempenhou o papel de primário num engenho termonuclear bifásico, papel esse repetido uma dúzia de vezes ao longo da década de 1950. Swan foi o primeiro primário multiuso e pronto a usar, protótipo de todos os que se lhe seguiram.

Após o sucesso de Swan, e durante a década de 1950, o padrão de diâmetro dos engenhos monofásicos intensificados parece ter sido de 300 mm. O comprimento era, normalmente, o dobro do diâmetro, embora um único engenho, que mais tarde se tornou a ogiva W54, aproximava-se a uma esfera, com apenas 381 mm de comprimento. Antes de ser produzida em massa foi testada duas dúzias de vezes no período de 1957 a 1962. Nenhum outro desenho teve tão longo histórico de falhas em testes. Como os engenhos mais compridos tendiam a funcionar corretamente na primeira tentativa, supõe-se ter havido alguma dificuldade em achatar suficientemente as duas lentes de altos explosivos por forma a atingir a desejada relação comprimento/largura.

Uma das aplicações da ogiva W45 foi o projétil de canhão nuclear táctico sem recuo Davy Crockett, mostrado aqui em comparação com o seu predecessor Fat Man (dimensões em polegadas).

Outro benefício da intensificação, para além de permitir armas mais pequenas, leves e com menor material físsil para uma determinada potência, reside no fato de tornar as armas imunes à interferência de radiação. Descobriu-se, em meados da década de 1950, que fossos de plutónio seriam particularmente susceptíveis a pré-detonações parciais se expostos à radiação intensa de uma explosão nuclear próxima (equipamento eletrônico pode também ser danificado, mas tal constitui um problema distinto). O problema da interferência por radiação era especialmente importante antes do advento dos sistemas de radar de longo alcance, já que um ataque inicial poderia tornar inoperantes todas as armas de retaliação. A intensificação reduz a quantidade de plutónio necessária para valores abaixo do valor mínimo de susceptibilidade a este efeito.

Armas termonucleares bifásicas

Tanto as armas de fissão pura como as de fissão intensificada por fusão podem ter potências de centenas de quilotoneladas, com grande custo em material físsil e trítio (T), mas de longe o método mais eficiente para aumentar a potência de uma arma nuclear superior a 10 ou mais kt consiste em adicionar uma segunda fase independente, denominada secundário.

Ivy Mike, a primeira explosão termonuclear bifásica, atingiu 10,4 Mt em 1 de Novembro de 1952.

Na década de 1940, arquitetos de bombas em Los Alamos imaginavam um secundário na forma de vasilha de deutério (D) em deutério liquefeito ou em forma de hidreto. A reação de fusão seria D-D, tecnologicamente mais difícil de atingir que a reação D-T, embora mais barata. Uma bomba de fissão colocada num extremo da arma causaria uma onda compressiva e de calor, propagando a fusão pelo vasilhame até ao outro extremo. Simulações matemáticas mostraram que tal não funcionaria, mesmo com a adição de grandes quantidades do proibitivamente caro trítio.

A totalidade do vasilhame de combustível nuclear teria de ser envolta em energia de fissão para o comprimir e aquecer, como acontece com a carga intensificadora num primário intensificado. A descoberta central ao desenho deu-se em Janeiro de 1951, quando Edward Teller e Stanisław Ulam inventaram a implosão radiativa, conhecida publicamente, por quase três décadas, como o segredo da bomba-H de Teller-Ulam.

O conceito de implosão radiativa foi testado pela primeira vez a 9 de Maio de 1951, no teste George da Operação Greenhouse (Enewetak), com potência de 225 kt. O primeiro teste completo, levado a cabo em 1 de Novembro de 1952, batizado de Ivy Mike e integrado na Operação Ivy (Enewetak), teve uma potência de 10,4 Mt.

Na implosão radiativa, a erupção de energia de raios X proveniente da explosão de um primário é capturada e contida dentro de um canal de radiação de paredes opacas, o qual rodeia os componentes de energia nuclear do secundário. Num milionésimo de segundo, a maior parte da energia de várias quilotoneladas de TNT é absorvida por um plasma gerado por uma espuma plástica no canal de radiação. Com a energia a entrar e a não sair, o plasma atinge temperaturas equivalentes às do núcleo solar e expande-se com pressões da mesma magnitude. Objetos próximos, ainda estão relativamente frios, são esmagados pela pressão.

Os materiais nucleares frios que se encontram rodeados pelo canal de radiação são implodidos, de forma muito semelhante ao fosso do primário, mas com ainda maior intensidade. Esta pressão superior permite que o secundário seja significativamente mais potente que o primário, e sem ser muito maior.

A Ogiva antes do disparo; primário em cima, secundário em baixo. Ambos os componentes são bombas de fissão intensificadas por fusão. B Alto-explosivo dispara no primário, comprimindo o núcleo de plutónio e levando-o a supercriticidade e ao início da reação de fissão. C Fissão no primário emite raios X que são canalizados ao longo do interior do invólucro, irradiando a espuma de poliestireno que enche o canal. D A espuma de poliestireno torna-se um plasma, comprimindo o secundário, e uma vela de ignição de plutónio dentro do secundário inicia a fissão, fornecendo calor. E Comprimido e aquecido, o combustível de hidreto de lítio inicia a reação de fusão e o fluxo de nêutrons começa a fissionar o material da calçadeira. Uma bola de fogo começa a formar-se...

Por exemplo, para o teste Redwing Mohawk, em 3 de Julho de 1956, um secundário chamado Flute foi anexado ao primário Swan. O secundário tinha 38 cm de diâmetro e 59 cm de comprimento, aproximadamente do tamanho do primário, mas pesava 10 vezes mais e tinha uma potência 24 vezes superior (355 kt vs 15 kt).

Igualmente importante, os constituintes activos do Flute provavelmente não foram mais dispendiosos do que os utilizados no Swan. A maior parte da fissão proveio do barato U-238, e o trítio foi manufaturado in loco durante a explosão; apenas a vela de ignição no eixo do secundário necessitou de ser físsil.

Um secundário esférico pode atingir densidades de implosão mais elevadas do que um secundário cilíndrico, já que uma implosão esférica exerce pressão, de fora para dentro, a partir de todas as direções e para um mesmo ponto central. No entanto, em ogivas com potências superiores a uma megatonelada, o diâmetro de uma secundário esférico seria demasiadamente grande para a maioria das aplicações. Um secundário cilíndrico torna-se, em tais casos, necessário. Os veículos de reentrada dos mísseis balísticos de múltiplas ogivas eram pequenos e em formato de cone; após 1970 tendiam a ter ogivas com secundários esféricos e potências de algumas centenas de quilotoneladas.

No que toca à intensificação, as vantagens do desenho termonuclear bifásico são tão grandes que, assim que uma nação domina a tecnologia, poucos incentivos há para não o adotar.

Em termos de engenharia, a implosão radioativa permitiu a exploração de várias características conhecidas dos materiais de bombas nucleares que, até à altura, tinham visto frustrada a sua aplicação prática. Por exemplo:

O projeto de arma bifásica recebeu um impulso inicial com a promessa, em 1950, do presidente Truman construir uma superbomba de hidrogênio de 10 megatoneladas em resposta dos Estados Unidos ao teste, em 1949, da primeira bomba de fissão soviética. No entanto, o engenho que resultou deste projeto revelou-se a forma mais barata e compacta de construir tanto pequenas como grandes bombas nucleares, obliterando qualquer diferença significativa entre bombas-A e bombas-H, bem como entre "intensificadas" e "supers". Todas as melhores técnicas de explosões por fissão e fusão encontram-se incorporadas em regras de desenho que são abrangentes e completamente escaláveis. Mesmo projéteis nucleares de artilharia com 152 mm de diâmetro podem ser armas termonucleares bifásicas.

Nos 50 anos que se seguiram, ninguém foi capaz de inventar uma melhor forma de construir uma bomba nuclear. É o desenho escolhido pelos Estados Unidos, Rússia, Grã-Bretanha, França e China, as cinco potências termonucleares. As restantes nações que possuem armas nucleares, Israel, Índia, Paquistão e Coreia do Norte, provavelmente têm armas monofásicas, possivelmente intensificadas.^[22]

Interfase

Numa arma termonuclear bifásica, há três tipos de energia que emanam do primário e atingem o secundário: os gases quentes em expansão, emitidos pelas cargas alto explosivas, que implodem o primário, mais a radiação eletromagnética e os nêutrons emitidos pela detonação nuclear do primário. Um elemento essencial denominado interfase (do inglês interstage) atua como modulador da transferência de energia entre o primário e o secundário, protegendo este último dos gases quentes e canalizando a radiação eletromagnética e os nêutrons para o ponto certo, no momento certo.

A informação bibliográfica acerca do funcionamento do interfase é extremamente reduzida. A primeira menção feita num documento do governo dos EUA formalmente emitido para o público aparece na forma de legenda, num gráfico a promover o Reliable Replacement Warhead Program (tradução do inglês: Programa de Substituição Segura de Ogivas). Se construído, este novo desenho substituiria "material tóxico, quebradiço" e "material dispendioso e 'especial'" no interfase.^[23] Esta afirmação sugere a possível existência, no interfase, de berílio para moderar o fluxo de nêutrons proveniente do primário, e talvez algo que absorva e re-radie os raios X de uma maneira particular.^[24]

O interfase e o secundário estão juntos e encerrados numa membrana de aço inoxidável, formando o denominado CSA (canned subassemly, traduzido por submontagem enlatada), uma combinação que nunca foi representada em qualquer esquema aberto ao público.^[25] A ilustração mais detalhada de um interfase mostra uma arma termonuclear britânica com um conjunto de itens entre o seu primário e o seu secundário cilíndrico. Estão rotulados "tampa e lente de focagem neutrônica", "carreto da arma refletora/de nêutrons", e "acondicionador de refletor". A origem do desenho, colocado na internet pela Greenpeace, é incerta, não existindo qualquer explicação a acompanhá-lo.^[26]

Desenhos específicos

Embora cada desenho de arma nuclear se enquadre em uma das categorias acima mencionadas, desenhos específicos têm-se tornado, ocasionalmente, motivo de notícia e discussão pública, frequentemente acompanhados de descrições incorretas relativamente ao seu funcionamento e ao seu propósito. Seguem-se exemplos.

Bombas de hidrogênio

Todas as modernas armas nucleares fazem algum uso da fusão D-T. Mesmo as armas de fissão pura incluem geradores de nêutrons, os quais são tubos de vácuo de alta-tensão contendo vestígios de trítio e deutério.

No entanto, na percepção pública, bombas de hidrogênio, ou bombas-H, são dispositivos multi-megatonelada várias vezes mais potentes do que a bomba de Hiroxima Little Boy. Tais bombas de alta potência são, na verdade, termonucleares bifásicas, escaladas até à potência desejada, sendo a fissão de urânio, como é habitual, a principal fonte da sua energia.

A ideia da bomba de hidrogênio foi pela primeira vez alvo da atenção pública em 1949, quando proeminentes cientistas se opuseram abertamente contra o fabrico de bombas nucleares mais poderosas do que o modelo padrão de fissão pura, baseando-se tanto em princípios morais como práticos. A sua suposição era que considerações referentes à massa crítica limitariam o tamanho potencial das explosões de fissão, mas que uma explosão de fusão poderia ter dimensão apenas dependente da quantidade de combustível que a alimentava, não havendo limite de massa crítica. Em 1949, os soviéticos explodiram a sua primeira bomba de fissão, e em 1950 o presidente Truman colocou fogo ao debate da bomba-H ao ordenar aos pesquisadores de Los Alamos que construíssem uma.

Em 1952, a explosão Ivy Mike, de 10,4 megatoneladas de potência, foi anunciada como sendo o primeiro teste de uma bomba de hidrogênio, reforçando a ideia de que as bombas de hidrogênio são mil vezes mais poderosas do que as bombas de fissão.

Em 1954, Robert Oppenheimer foi rotulado como um oponente à bomba de hidrogênio. O público não sabia que existiam dois tipos de bombas de hidrogênio (nenhum dos quais é fielmente descrito como uma bomba de hidrogênio). A 23 de Maio, quando a sua habilitação de segurança foi revogada, o terceiro dos quatro itens apresentados contra Oppenheimer dizia respeito à "sua conduta no programa da bomba de hidrogênio". Em 1949, Oppenheimer tinha apoiado as bombas de fissão monofásicas com intensificação por fusão, com vista à maximização do potencial explosivo dado o compromisso entre a produção de plutónio e trítio. Opôs-se às bombas termonucleares bifásicas até 1951, quando a implosão radioativa, que ele apelidou de "tecnicamente doce", as tornou práticas pela primeira vez. Não mais levantou objeções. A complexidade da sua posição não foi revelada ao público até 1976, nove anos após o seu falecimento.^[27]

Quando, na década de 1960, os mísseis balísticos substituíram os bombardeiros, várias bombas de megatoneladas foram substituídas por ogivas de míssil (também termonucleares bifásicas), reduzidas para uma megatonelada ou menos.

Despertador/Sloika

A primeira tentativa para tirar partido da relação simbiótica entre fissão e fusão teve lugar num desenho da década de 1940 que combinava combustível de fissão e de fusão em finas camadas alternadas. Enquanto engenho monofásico, esta seria uma aplicação pesada e problemática da fissão intensificada. Tornou-se pela primeira vez prática quando foi incorporada no secundário de uma arma termonuclear bifásica.^[28]

O nome norte-americano, Despertador (do inglês Alarm Clock), era um nome de código absurdo. O nome soviético para o mesmo desenho era mais descritivo: Sloika, um pastel em camadas. Um Sloika soviético monofásico foi testado em 12 de Agosto de 1953. Nenhuma versão monofásica norte-americana foi testada, mas a explosão Union da Operação Castle, em 26 de Abril de 1954, foi termonuclear bifásica de nome de código Alarm Clock (em português Despertador). A sua potência, em Bikini, foi de 6,9 megatoneladas.

Devido ao teste do Sloika soviético ter usado deutereto de lítio seco oito meses antes do primeiro teste norte-americano no qual esta substância foi usada (Castle Bravo, em 1 de Março de 1954), foi algumas vezes referido que a União Soviética tinha ganho a corrida à bomba-H. O teste norte-americano Ivy Mike (1952) usou deutério líquido arrefecido criogenicamente como combustível da fusão no secundário, e empregou a reação de fusão D-D. No entanto, o primeiro teste soviético a usar um secundário implodido radioativamente, a característica essencial de uma verdadeira bomba-H, foi em 23 de Novembro de 1955, três anos após Ivy Mike.

Bombas limpas

Bassoon, o protótipo de uma bomba limpa de 3,5 megatoneladas ou de uma bomba suja de 25 megatoneladas. A versão suja é mostrada aqui, antes do seu teste de 1956.

A 1 de Março de 1954, a até então maior explosão de teste nuclear norte-americana, a explosão Bravo (15 Mt) da Operação Castle (Bikini), libertou imediatamente uma dose letal de cinza nuclear resultante dos produtos de fissão, afetando uma área de mais de 15.500 km² da superfície do Oceano Pacífico.^[29] As lesões radioativas em habitantes das Ilhas Marshall e em pescadores japoneses tornaram o evento público e revelaram o papel da fissão nas bombas de hidrogênio.

Em resposta ao alarme público acerca da cinza nuclear, foi levado a cabo um esforço de desenhar uma arma limpa de várias megatoneladas, baseada quase inteiramente na fusão. Como a energia produzida por fissão é essencialmente livre, ao usar a calçadeira como fonte de energia extraordinária faria com que a bomba fosse bastante maior para a mesma potência. Foi uma ocasião única em que uma terceira fase, denominada terciário, foi adicionada, usando o secundário como seu primário. O engenho recebeu o nome de Bassoon, tendo sido testado na explosão Zuni da Operação Redwing, em Bikini, em 28 de Maio de 1956. Com todo o urânio no Bassoon substituído por chumbo, a sua potência era de 3,5 Mt, sendo 85% proveniente de fusão e 15% de fissão.

A 19 de Julho, o presidente da AEC, Lewis Strauss, afirmou que o teste da bomba limpa "teve resultados importantes ... por uma perspectiva humanitária." No entanto, dois dias mais tarde, a versão suja da bomba Bassoon, com os seus componentes de urânio restaurados, foi testada na explosão Tewa da Operação Redwing. A sua potência de 5 Mt, a 87% de fissão, foi deliberadamente suprimida para manter a cinza nuclear numa área mais reduzida. Esta versão suja foi mais tarde implementada na bomba trifásica de 25 Mt Mark-41, que foi efetivamente transportada por bombardeiros da Força Aérea dos EUA mas nunca testada à sua potência máxima.

Assim, bombas limpas de alta potência foram um exercício de relações públicas. As armas realmente implementadas foram as versões sujas, as quais maximizavam a potência para cada um dos tamanhos dos diferentes engenhos.

Bombas Sujas

Bombas de cobalto

Uma bomba apocalíptica fictícia, tornada famosa por Neville Shute na sua obra On the Beach (1957) e, subsequentemente, pelo filme homônimo (1959), a bomba de cobalto foi uma bomba de hidrogênio com um revestimento de cobalto. O cobalto ativado neutronicamente supostamente maximizaria os danos ambientais provocados pela cinza nuclear. Esta bomba foi popularizada como o 'Engenho Apocalíptico' (do inglês Doomsday Device) no filme Dr. Strangelove or: How I Learned to Stop Worrying and Love the Bomb (1964). Nele, a bomba cobre o planeta com uma mortalha durante 93 anos, provocando a extinção da espécie humana. O elemento adicionado à bomba é referido no filme como sendo 'cobalto-tório G'.

Este tipo de armas "temperadas" foram solicitadas pela Força Aérea norte-americana e objeto de investigação séria, tendo sido possivelmente construídas e testadas, mas nunca implementadas. Na edição de 1964 do livro Os Efeitos das Armas Nucleares (The Effects of Nuclear Weapons, no original), editado pelo DOD/AEC, uma nova secção intitulada Guerra Radiológica (Radiological Warfare, no original) clarificou esta questão.^[30] Os produtos da fissão nuclear são tão mortais como o cobalto ativado neutronicamente. A típica arma termonuclear de elevado teor de fissão é, por natureza, uma arma de guerra radiológica, tão suja como uma bomba de cobalto.

Inicialmente, a radiação gama emitida pelos produtos de fissão de uma bomba de fissão-fusão-fissão de tamanho equivalente é muito mais intensa do que o Co-60: 15.000 vezes mais intensa ao fim de 1 hora; 35 vezes mais intensa ao fim de 1 semana; 5 vezes mais intensa ao fim de 1 mês; e aproximadamente com a mesma intensidade decorridos 6 meses. Subsequentemente, a taxa de fissão diminui rapidamente, pelo que a cinza nuclear de Co-60 é 8 vezes mais intensa do que a fissão decorrido 1 ano, e 150 vezes mais intensa ao fim de 5 anos. Os isótopos resultantes da fissão, sendo de elevada longevidade, apenas voltariam a "ultrapassar" o ⁶⁰Co cerca de 75 anos mais tarde.^[31]

Referências bibliográficas

Aprofundando sobre o Assunto