Energia de Ligação por Nucleon
A energia de ligação por nucleon em função da massa atômica tem um ponto de inflexão em torno do Fe-56. O ferro é o elemento mais estável. Elementos com massas atômicas menores que o ferro tendem a se combinar, enquanto aqueles com massas maiores tendem a se dividir. A radioatividade é uma indicação dessa instabilidade. O problema é que os prótons no núcleo tendem a se repelir. Chega-se a um ponto onde a energia de ligação nuclear não consegue competir com essa força de repulsão, mesmo que se adicionem mais nêutrons ao núcleo. Um exemplo disso é o urânio, o elemento com o maior número atômico natural.
Isótopos de Urânio
O urânio tem muitos isótopos radioativos, incluindo U-234, U-235 e U-238. Esses isótopos estão entre os elementos de vida mais longa na tabela de isótopos radioativos.
O isótopo U-235 é utilizado em armas, pois possui a maior seção de fissão entre todos os isótopos de urânio para nêutrons térmicos.
Fissão do U-238
Quando o U-238 é bombardeado com nêutrons térmicos, pode ocorrer uma decaimento beta transurânico para Pu-239. O Pu-239 não ocorre naturalmente e é útil em armas nucleares. Ao bombardear os isótopos radioativos com nêutrons lentos, há a chance de dividir os núcleos ao meio. Nesse processo, você libera energia de ligação e mais nêutrons. Para uma explosão, é necessário uma reação em cadeia auto-sustentada que continue gerando mais e mais nêutrons. Para isso, é necessário uma massa crítica de material fissionável para compensar qualquer perda de nêutrons.
Massa Crítica e Explosão
Uma esfera de material é usada para fornecer a menor área de superfície e reduzir a perda de nêutrons. Se a esfera for grande o suficiente, a perda de nêutrons será equilibrada pela geração de nêutrons, resultando em uma reação auto-sustentada. A energia liberada na fissão ocorre porque a massa do átomo original não é igual à massa dos dois átomos resultantes da reação. A energia perdida é convertida em radiação e em energia cinética dos átomos via equivalência massa-energia. Os produtos da fissão são de tamanho aproximadamente igual e altamente radioativos. Exemplos incluem estrôncio (Sr), que é absorvido nos ossos humanos e permanece lá, devido à sua semelhança química com o cálcio. Outros produtos prejudiciais incluem o césio (Cs), que se distribui uniformemente pelo corpo, devido à sua semelhança com o potássio.
Aumento Exponencial das Fissões
O número de núcleos fissionando aumenta em progressão geométrica a cada geração. A maior parte da energia em uma bomba é liberada por volta da 80ª geração. Estima-se que em 10^-6 segundos, cerca de 2x10^-24 núcleos de U-235 se dividem, liberando enormes quantidades de energia. Cada divisão libera em média cerca de 170 MeV, enquanto uma reação química libera apenas alguns eV.
Exemplo de reação de fissão:
U-235 + n -> Kr-92 + Xe-142 + 2n + 207 MeV.
A energia liberada é muito maior do que a liberada por uma reação química com a mesma quantidade de matéria.
Urânio e Plutônio
Extração de Urânio-235
O Urânio-235 é muito difícil de extrair. Para cada 25.000 toneladas de minério de urânio extraídas da terra, apenas 50 toneladas de urânio metálico podem ser refinadas, sendo que 99,3% desse metal é U-238, que é muito estável para ser usado como agente ativo em uma detonação atômica. Para complicar ainda mais, nenhum método químico ordinário pode separar os dois isótopos, pois ambos U-235 e U-238 possuem características químicas idênticas. Os únicos métodos eficazes para separar o U-235 do U-238 são métodos mecânicos.
Difusão Gaseosa para Separação
O U-235 é ligeiramente mais leve que seu contraparte, o U-238. Um sistema de difusão gasosa é usado para iniciar o processo de separação entre os dois isótopos. Nesse sistema, o urânio é combinado com flúor para formar o hexafluoreto de urânio (UF6), um gás. Esse gás é então impulsionado por bombas de baixa pressão através de uma série de barreiras porosas extremamente finas. Como os átomos de U-235 são mais leves, eles se movem mais rápido que os átomos de U-238, podendo penetrar as barreiras mais rapidamente. Como resultado, a concentração de U-235 aumenta progressivamente à medida que o gás passa por cada barreira. Após passar por várias barreiras, o UF6 contém uma concentração relativamente alta de U-235, com 2% de urânio no caso de combustível de reatores, e até 95% de pureza para uso em bombas atômicas.
Refinamento e Separação Magnética
Após o processo de difusão gasosa, o urânio precisa ser refinado novamente. A separação magnética do extrato do processo de enriquecimento é implementada para refinar ainda mais o urânio. Esse processo envolve carregar eletricamente o gás tetrafluoreto de urânio e direcioná-lo por um eletromagnetismo fraco. Como as partículas de U-235 no fluxo gasoso são menos afetadas pela atração magnética, elas podem ser separadas gradualmente.
Centrifugação para Enriquecimento
Após as duas primeiras etapas, um processo de enriquecimento adicional é aplicado usando uma centrífuga para separar ainda mais o U-235 do U-238. A força centrífuga separa os dois isótopos de urânio com base em suas massas. Após todas essas etapas, o urânio enriquecido pode ser moldado em componentes adequados para uma ogiva nuclear.
Massa Crítica para U-235
A massa crítica para o U-235 é definida como 50 kg de urânio puro.
Superfície Crítica para Plutônio
O plutônio também pode ser utilizado em uma bomba atômica. O U-238, quando deixado em um reator por um período prolongado, absorve nêutrons e se transforma gradualmente no elemento Plutônio. O Plutônio é fissionável, mas não tão facilmente quanto o Urânio. Enquanto o Urânio pode ser detonado com um dispositivo de dois estágios, o Plutônio precisa de um dispositivo mais complexo com 32 partes e uma explosão convencional mais forte para alcançar a detonação. Além disso, é necessário introduzir uma mistura fina de berílio e polônio durante essas reações.
Massa Crítica para Plutônio
A massa crítica para o Plutônio é definida como 16 kg de Plutônio puro, podendo ser reduzida para 10 kg se envolvido por uma capa de U-238.