Desenho de arma nuclear: diferenças entre revisões

** '''''[[Montagem implosiva]]''''', na qual uma [[Material físsil|massa físsil]] de um dos materiais referidos (U-235, Pu-239, ou uma combinação de ambos) é rodeada por uma carga explosiva modelada que comprime a massa, resultando em [[Massa crítica|criticidade]].

* '''[[Arma de fissão intensificada]]''' constitui um melhoramento do desenho implosivo. O ambiente de altas pressões e temperaturas no centro da explosão de uma bomba de fissão comprime e aquece uma mistura de gases de [[trítio]] e [[deutério]] ([[isótopo]]s pesados de [[hidrogénio]]). O hidrogénio funde-se, formando [[hélio]] e [[Nêutron livre|neutrões livres]]. A energia libertada pelas reacções de fusão é relativamente negligenciável, mas cada neutrão libertado inicia, por sua vez, uma nova reacção de fusão em cadeia, reduzindo substancialmente a quantidade de material físsil que, de outra forma, seria gasto. Este mecanismo de ''intensificação'' pode representar uma duplicação da energia libertada por fissão.

 

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.

:::<math>\ {}^{235}\mathrm{U} + n = {}^{95}\mathrm{Sr} + {}^{139}\mathrm{Xe} + 2n + 180\ \mathrm{MeV}</math>

 

 

Após o abrandamento dos produtos de fissão, estes continuam [[Radioatividade|radioactivos]]. Sendo novos elementos com neutrões a mais, eventualmente tornar-se-ão estáveis por [[Partícula beta|decaimento beta]], convertendo neutrões em protões com emissão de [[Elétron|electrões]] e [[Radiação gama|raios gama]]. Cada núcleo dos produtos de fissão decai entre uma e seis vezes (três vezes, em média), produzindo uma variedade de [[isótopo]]s de diferentes elementos, alguns estáveis, alguns altamente radioactivos, e outros radioactivos com tempos de [[vida média]] de até 200.000 anos.<ref>Glasstone, ''Sourcebook'', p. 503.</ref> Em reactores, os produtos radioactivos são os resíduos nucleares do combustível consumido. Nas bombas, tornam-se [[cinza nuclear]], depositando-se na superfície terrestre tanto localmente como globalmente.

Assim que a massa crítica se encontre agregada com densidade máxima, um jorro de neutrões é fornecido no sentido de iniciar o maior número possível de reacções em cadeia. As armas primitivas empregavam um "''[[Urchin (detonador)|urchin]]''" no fosso, contendo este último [[polónio]]-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 polónio interagissem com os átomos de berílio, produzindo neutrões livre. Em armas modernas, o gerador de neutrões é um [[Válvula termiônica|tubo de vácuo]] de [[alta tensão]] que contém um [[acelerador de partículas]], o qual bombardeia um alvo de [[hidreto]] de deutério/trítio-metal com [[Íon|iões]] de deutério e trítio. A fusão de pequena escala produz neutrões num local protegido, fora do pacote físico, a partir do qual podem penetrar no fosso. Este método permite melhor sincronização na iniciação da reacção em cadeia.

 

 

Para evitar uma reacção 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.

{{Artigo principal|[[Arma de fissão de tipo balístico]]}}

[[Ficheiro:Gun-type fission weapon en-labels thin lines.svg|thumb|350px|Diagrama de uma arma de fissão de tipo balístico.]]

 

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 projécteis 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 fracção 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.

{{Artigo Principal|Arma de fissão de tipo de implosão}}

[[Ficheiro:Implosion Nuclear weapon.svg|right|350px|Diagrama de armas nucleares do tipo implosivo.]]

 

[[Ficheiro:Implosion bomb animated.gif|left|175px]]

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.<ref>Toda a informação acerca de testes de armas nucleares provém de Chuck Hansen, ''The Swords of Armageddon: U.S. Nuclear Weapons Development since 1945'', Outubro de 1995, Chucklea Productions, Volume VIII, p. 154, Tabela A-1, "U.S. Nuclear Detonations and Tests, 1945-1962."</ref>

 

 

 

 

===Implosão linear de dois pontos===

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 projécteis de artilharia e munições atómicas de demolição, também conhecidas por [[Arma nuclear portátil|armas nucleares portáteis]].

 

 

===Implosão de dois pontos em fosso oco===

Após a guerra assistiu-se ao reavivar do interesse no desenho de fosso oco. A sua vantagem mais óbvia reside no facto de uma casca oca de plutónio, deformada por choque em direcção 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.

 

 

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.

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.

 

 

==Arma de fissão intensificada==

[[Ficheiro:U.S._Swan_Device.svg|center]]

 

 

 

[[Ficheiro:Nuclear Weapon Miniaturization.png|400px|right]]

 

 

Uma das aplicações da ogiva [[W45]] foi o projéctil de [[Canhão sem recuo|canhão nuclear táctico sem recuo]] [[Davy Crockett (arma nuclear)|Davy Crockett]], mostrado aqui em comparação com o seu predecessor Fat Man (dimensões em [[polegada]]s).

[[Ficheiro:BombH explosion.svg|100%|center|frame|'''A'''&nbsp;Ogiva antes do disparo; primário em cima, secundário em baixo. Ambos os componentes são bombas de fissão intensificadas por fusão. '''B'''&nbsp;Alto-explosivo dispara no primário, comprimindo o núcleo de plutónio e levando-o a supercriticidade e ao início da reacção de fissão. '''C'''&nbsp;Fissão no primário emite raios X que são canalizados ao longo do interior do invólucro, irradiando a espuma de poliestshireno que enche o canal. '''D'''&nbsp;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'''&nbsp;Comprimido e aquecido, o combustível de [[hidreto de lítio]] inicia a reacção de fusão e o fluxo de neutrões começa a fissionar o material da calçadeira. Uma bola de fogo começa a formar-se...]]

 

 

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 manufacturado ''in loco'' durante a explosão; apenas a vela de ignição no eixo do secundário necessitou de ser físsil.

Em termos de engenharia, a implosão radioactiva 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:

* A melhor maneira de armazenar deutério num estado razoavelmente denso consiste em [[Ligação química|ligá-lo quimicamente]] com lítio, na forma de hidreto de lítio. No entanto, o isótopo de lítio-6 é também a matéria-prima para a produção de trítio, e a bomba a explodir é um reactor nuclear. A implosão radioactiva manterá a coesão dos vários componentes por tempo suficiente para permitir a conversão completa de lítio-6 em trítio enquanto a bomba explode. Assim, o agente de ligação com o deutério permite a utilização da reacção de fusão D-T sem que qualquer trítio pré-manufacturado seja armazenado no secundário. Desta forma, a restrição inerente à produção de trítio desvanece-se.

* Para que o secundário seja implodido pelo plasma (extremamente quente e induzido por radiação), aquele deverá manter-se frio durante o primeiro microsegundo, ou seja, deverá encontrar-se revestido por um escudo de radiação e calor maciço. Esta macicez permite que o escudo funcione também como calçadeira, adicionando momento e duração à implosão. Nenhum material é mais adequado para ambas as tarefas do que o vulgar e barato urânio-238, que também, coincidentemente, sofre fissão quando é submetido a um fluxo de neutrões produzido por fusão D-T. Este invólucro, denominado ''impulsor'' (do inglês ''pusher''), desempenha assim três funções: manter o secundário frio, mantê-lo inercialmente num estado de elevada compressão, e, finalmente, servir de fonte principal de energia a toda a bomba. O impulsor é consumível e torna a bomba mais próxima de uma bomba de fissão de urânio do que de uma bomba de fusão de hidrogénio.<ref>Até ao desenvolvimento de um desenho fiável no início da década de 1950, a bomba de hidrogénio (nome público) era chamada de "superbomba" por quem tinha acesso a informação privilegiada. Posteriormente foi usado um nome mais descritivo: bomba termonuclear bifásica. Seguem-se dois exemplos. De Herb York, ''The Advisors'' (1976), "Este livro é acerca... do desenvolvimento da bomba-H, ou da superbomba, como era então chamada." p.ix, e "O rápido e bem-sucedido desenvolvimento da superbomba (ou super como acabou por ser chamada)..." p. 5. Do programa ''Talk of the Nation'' da [[National Public Radio]], 8 de Novembro de 2005, Siegfried Hecker de Los Alamos, "a bomba de hidrogénio – ou seja, um dispositivo termonuclear bifásico, como a ele nos referíamos – é realmente a parte principal do arsenal dos EU, tal como é do arsenal russo."</ref>

* Finalmente, o calor para a ignição da fusão não vem do primário mas sim de uma segunda bomba de fissão denominada vela de ignição, embutida no coração do secundário. A implosão do secundário provoca a compressão violenta desta vela de ignição, detonando-a e iniciando a fusão nuclear do material que a rodeia, mas a vela de ignição continua a fissionar-se no ambiente rico em neutrões, até ser totalmente consumida, aumentando significativamente a potência do engenho.<ref name=CLR>Howard Morland, [http://www.fas.org/sgp/eprint/cardozo.pdf "Born Secret,"] '''Cardozo Law Review''', Março de 2005, pp. 1401-1408.</ref>

 

 

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 [[República Popular da China|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.<ref name="CLR"/>

Em 1954, [[Robert Oppenheimer]] foi rotulado como um oponente à bomba de hidrogénio. O público não sabia que existiam dois tipos de bombas de hidrogénio (nenhum dos quais é fielmente descrito como uma bomba de hidrogénio). 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 hidrogénio". 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 radioactiva, que ele apelidou de "tecnicamente doce", as tornou práticas pela primeira vez. Não mais levantou objecções. A complexidade da sua posição não foi revelada ao público até 1976, nove anos após o seu falecimento.<ref>Herbert York, ''The Advisors: Oppenheimer, Teller and the Superbomb'' (1976).</ref>

 

 

===Despertador/Sloika===

=== Bombas limpas ===

[[Ficheiro:Bassoon Prime.jpg|right|thumb|250px|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.]]

 

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 [[Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos|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 [[B41 (bomba nuclear)|Mark-41]], que foi efectivamente transportada por bombardeiros da [[Força Aérea dos Estados Unidos|Força Aérea dos EUA]] mas nunca testada à sua potência máxima.

 

 

=== Bombas de cobalto ===

 

Comunalmente conceituada como uma arma designada a matar populações e deixar as infraestruturas intactas, essas bombas (como mencionado acima) são ainda capazes de destruir estruturas em um largo raio. A intenção de seus desenhos foi matar tripulações de tanques, já que tanques dão uma excelente proteção contra a detonação e calor, sobrevivendo a uma detonação (relativamente) perto. E com os vastos batalhões de tanques soviéticos durante a [[Guerra Fria]], essa arma foi perfeita para conte-los.

 

 

{| class="wikitable" style="float:right; text-align:center;"

O diagrama acima mostra todas as características padrões de uma ogiva termonuclear de míssil balístico desde a década de 1960, com duas exceções que dá um grande rendimento para o seu tamanho:

* A camada externa do secundário, chamada de "pusher" (impulsor) serve para três funções: escudo contra o calor, impulsionar e ser combustível para a fissão nuclear. Ela é feita de [[U-235]] ao invés de [[U-238]], por isso o nome [[Oralloy]]. Sendo físsil, mais do que apenas meramente fissionável, dão ao impulsor uma fissão mais rápida e completa, aumentando o rendimento. Essa característica só está disponível em países com grande quantidade de urânio físsil. Os E.U.A são estimados para terem 500 toneladas de urânio enriquecido.{{carece de fontes}}

Diferente do usuais, seguros e mais volumosos [[explosivos insensíveis]] (insensitive high explosives (IHE)). O cone de reentrada provavelmente tem lastro no nariz para a estabilidade aerodinâmica.<ref>Richard Garwin, [http://www.armscontrol.org/act/1999_04-05/rgam99.asp "Why China Won't Build U.S. Warheads"], ''Arms Control Today'', April–May 1999.</ref>

 

Em Los Alamos , verificou-se que em abril de 1944 por [[Emilio G. Segrè]] que a proposta [[Thin Man]], arma nuclear do tipo balístico de plutônio por causa do alto risco de pré-detonação devido a contaminação de [[Pu-240]]. Então o Fat Man recebeu a prioridade como a única forma de criar uma arma de plutônio. As discussões de Berkeley gerou estimativas teóricas de massa crítica, mas nada preciso. O principal trabalho em Los Alamos foi a determinação experimental da massa crítica, que que precisava esperar até que quantidades suficientes de material físsil chegasse das fábricas de urânio em [[Oak Ridge, Tennessee]] e plutônio de [[Hanford]] em Washington.

 

 

Todas as ideias essenciais para incorporar o uso da fusão nuclear nos E.U.A originaram-se em Los Alamos entre 1946 e 1952. Depois da implosão por radiação ser teorizada pelos cientistas Teller e Ulam em 1951, as implicações técnicas e possibilidades foram totalmente exploradas, mas não ideias diretamente relevantes para fazer as maiores bombas possíveis para bombardeiros de longo alcance foram arquivadas.

Armas nucleares são em geral desenhados e projetadas por tentativa e erro. A tentativa envolve a detonação de um protótipo.

 

 

Foi fácil o suficiente projetar armas lançáveis para o estoque. Se o protótipo funcionasse, ela poderia ser militarizado e produzido em massa.

;Método da bola de aço

Como mostrado no diagrama acima, um método usado para diminuir a probabilidade de detonação nuclear, era a inserção de esferas de aço entre o núcleo e o espaço oco, dessa forma no caso de uma detonação acidental do sistema de implosão, ele não formaria uma onda de choque perfeitamente simétrica como é requerido e provavelmente não haveria uma grande detonação nuclear, esse método foi muito utilizado em armas nucleares britânicas como a [[Yellow Sun]] e [[Violet Club]].

 

[[File:One-Point Safety Test.svg|right]]

{{referências|Notas e referências}}

 

{{Commons|Nuclear weapon design}}

* [http://nuclearweaponarchive.org ''Carey Sublette's Nuclear Weapon Archive''] {{en}} é uma fonte fiável de informação e tem ligações a outras fontes.

*[[Henry DeWolf Smyth|Smyth, Henry DeWolf]], ''[http://www.atomicarchive.com/Docs/SmythReport/index.shtml Atomic Energy for Military Purposes]'', Princeton University Press, 1945. (see: [[Smyth Report]])

 

 

{{DEFAULTSORT:Desenho De Arma Nuclear}}

[[Categoria:Física nuclear]]

[[Categoria:Tecnologia nuclear]]