A química e a história por trás das primeiras bombas atômicas de Urânio e Plutônio

Estas armas ditas atômicas são caracterizadas pela liberação repentina de energia derivada da fissão, divisão dos núcleos dos átomos que as constituem [1]. Faz-se importante ressaltar que fissão nuclear e fusão nuclear são processos diferentes. Enquanto a fissão divide um átomo pesado (de alta massa), a fusão une dois átomos leves (de baixa massa) de modo a formar um elemento mais pesado (é o que ocorre nas estrelas, incluindo o Sol: a fusão estável entre átomos de Hidrogênio em átomo de Hélio serve como combustível para produzir energia, liberada na forma de ondas visíveis) [2,3].

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Para as bombas nucleares de fissão nuclear, isótopos, ou seja, átomos que possuem o mesmo número de prótons (partículas de carga positiva) e números diferentes de nêutrons (partículas sem carga), de Urânio-235 e Plutônio-239 foram escolhidos pelos cientistas porque se ‘quebram’ facilmente, devido a alta instabilidade natural. A fissão nuclear acontece quando um nêutron colide com o núcleo do isótopo disponível (Urânio-235 ou o Plutônio-239), provocando sua divisão em fragmentos menores e liberando uma enorme quantidade de energia. Durante essa fragmentação, novos nêutrons também são emitidos e estes podem atingir outros núcleos próximos, provocando novas fissões. Esse ciclo contínuo é denominado reação em cadeia e, quando ocorre de forma descontrolada, provoca a explosão característica de uma bomba atômica [1].

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No entanto, para o desenvolvimento de tal arma, conhecimentos acumulados ao longo do tempo foram fundamentais. A princípio, em meados de 1905, Albert Einstein propôs a Teoria da Relatividade, segundo a qual a massa pode ser convertida em energia (E=mc²). Posteriormente, Rutherford, estudando a radioatividade, demonstrou que os átomos possuem um núcleo denso e que átomos instáveis podem se quebrar espontaneamente, liberando partículas e energia. Em 1928, Cockcroft e Walton conseguiram acelerar prótons e dividir o núcleo do elemento químico Lítio, observando a liberação de Hélio e de energia como consequência. Essa foi a primeira divisão atômica registrada e confirmou a transformação de massa em energia. Em 1932, James Chadwick descobriu o nêutron, partícula sem carga elétrica localizada no núcleo dos átomos. Isso foi importante para entendê-lo como um "projétil perfeito" para bombardear núcleos, pois não seria repelido (processo que ocorre entre estruturas de cargas iguais) já que não tem carga [4].

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Nos anos seguintes, físicos testaram nêutrons bombardeando núcleos de vários elementos. Porém, por volta de 1938, os Joliot-Curie (Irène e Frédéric) repetiram a experiência de Enrico Fermi (bombardeamento de Urânio com nêutrons) e,  juntamente com a colaboração de outros cientistas, perceberam que os núcleos de Urânio estavam se dividindo em partes menores. Assim, surgia a explicação: o núcleo do Urânio estava sofrendo fissão, fragmentando-se em dois núcleos menores e liberando grande quantidade de energia. Tendo isso em vista, rapidamente entendeu-se que a reação em cadeia ocasionada poderia causar uma explosão, ou seja, obteve-se o ‘cerne’, a informação mais importante, da teoria para construção da bomba atômica [4].
 

Diante do cenário da Segunda Guerra mundial, informações a respeito do conhecimento nuclear tornaram-se sigilosas. Físicos alertaram sobre o possível interesse de Hitler (ditador da Alemanha nazista) em utilizar a fissão nuclear para desenvolver armas, haja vista que em 1939, após a invasão da Tchecoslováquia, a Alemanha havia tomado minas de Urânio. Também nesse ano, Einstein redigiu uma famosa carta, com a ajuda do físico húngaro Leo Szilard (cientista europeu que fugiu para os Estados Unidos diante da repressão), para Roosevelt (presidente dos Estados Unidos na época). A carta alertava sobre os perigos que uma arma nuclear poderosa por parte do governo alemão poderia oferecer. Além disso, defendia a criação de um programa para desenvolver bombas com base nas descobertas físico-químicas obtidas até o momento [5].

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Essa situação motivou o fortalecimento militar em diversos países, dando origem à corrida armamentista. Diante disso, entre 1939 e 1941, pesquisas foram desenvolvidas vagarosamente em faculdades e com investimento privado, sem apoio significativo do governo. Ernest Lawrence defendeu que os estudos deveriam tornar-se apressados e sugeriu novos métodos para separar o Urânio-235. 

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Em 1942, já com os EUA na guerra, nasceu o Projeto Manhattan, também motivado pela carta de Einstein. O General Groves era o coordenador do projeto e Oppenheimer foi nomeado como líder do laboratório de Los Alamos, onde a bomba seria projetada.

Entre 1942 e 1945, as pesquisas acerca do desenvolvimento para a bomba atômica evoluíram significativamente e o conhecimento nuclear também avançou. Para a construção dessa arma era necessário produzir Urânio-235. Porém,  não existia preferência entre Urânio e Plutônio na corrida pela arma, por isso, todas as rotas continuaram sendo trabalhadas. Muitas dificuldades foram encontradas na produção de Urânio-235 suficiente, e o foco era encontrar o método de enriquecimento mais eficaz para este elemento [6].

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Ainda em 1942 os cientistas concluíram que parte do Urânio, quando exposto à radioatividade em um reator (pilha), se decompõe em Plutônio. O Plutônio poderia então ser separado do Urânio por outros meios químicos [7]. No entanto, outros dois desafios estavam presentes: era necessária a construção de uma pequena pilha experimental para explorar a física da reação em cadeia da fissão e o planejamento de um reator muito maior para produzir Plutônio em alta escala. A pilha de produção maior exigia controles elaborados, blindagem contra radiação e um sistema de resfriamento [8].

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Oak Ridge e Hanford produziram Urânio enriquecido e Plutônio suficientes para pelo menos uma bomba cada. Em Los Alamos, os projetos de bombas foram finalizados e, na primavera, começaram os preparativos para os testes e uso das primeiras armas nucleares do mundo. Entretanto, algo passou despercebido: espiões soviéticos muito bem preparados estavam infiltrados no laboratório e forneciam informações cruciais sobre o projeto de armas para a União Soviética (URSS). Os agentes de segurança conseguiram manter segredo principalmente da Alemanha e do Japão. Embora a URSS fosse aliada, ela representava uma futura ameaça e conseguir importantes informações poderiam  culminar no desenvolvimento de bomba atômica própria durante a Guerra Fria [9].

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Na caminhada para o fim do desenvolvimento das primeiras bombas atômicas, um projeto "tipo canhão" foi escolhido para o Urânio e o de implosão para o Plutônio. Para o projeto “tipo canhão” eram necessárias duas partes de material físsil (capaz de sofrer fissão): um alvo fixo e uma bala, que funcionava como projétil. Ao ser detonada, a bala era disparada por um canhão interno em direção ao alvo, iniciando a fissão nuclear. O alvo estava contido na camada de material denso (tamper) que envolvia o físsil e que refletia nêutrons, aumentando a eficiência. Devido a simplicidade do mecanismo, essa bomba nunca foi testada antes de ser usada na guerra. Apesar disso, foi preciso realizar cálculos complexos para garantir seu funcionamento [10].

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Para a bomba de implosão de Plutônio, ondas de choque simétricas direcionadas comprimiriam uma dada massa do elemento até que alcançasse a massa crítica necessária. Essa bomba também seria cercada por um tamper, que refletiria os nêutrons, porém, com o objetivo de conter a explosão por alguns momentos. Essa contenção era essencial porque, diferentemente do Urânio, o Plutônio liberava nêutrons espontaneamente. Logo, se a reação começasse antes da compressão total, a bomba falharia. Por isso, a implosão precisava ser extremamente rápida e simétrica, e o tamper ajudava a manter a massa unida por frações de segundo decisivas, e um iniciador colocado no centro da esfera garantiria que a reação em cadeia começasse precisamente no momento certo, liberando nêutrons para desencadear a fissão no momento ideal [10, 11, 12 ].

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A primeira bomba nuclear testada foi a de Trinity, um projeto de implosão com um núcleo de Plutônio, em ‘Jornada del Muerto’, Alamagordo (deserto do Novo México). Segundos após a explosão uma onda de choque e calor percorreu o deserto. O material de aço jumbo foi lançado fortemente ao ar e a icônica nuvem em forma de cogumelo marcou o que seria o símbolo inesquecível de poder e destruição [13].

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Em 6 de agosto de 1945, os Estados Unidos lançaram uma bomba atômica “tipo canhão” de Urânio, "Little Boy" (Figura 2), sobre a cidade de Hiroshima, através do avião Enola Gay. Milhares de pessoas morreram instantaneamente, enquanto outras foram exposta à radiação e faleceram nas horas e dias seguintes. A destruição foi avassaladora. Três dias depois, como o Japão ainda não havia se rendido, a bomba de "Plutônio Fat Man" foi lançada sobre Nagasaki. As explosões causaram um clarão ofuscante, seguido de um calor extremo que queimava profundamente pessoas e inflamava combustíveis a longos quilômetros de distância. O clarão brilhante da explosão subiu como uma "bola de fogo" por alguns segundos e causou cegueira em vários indivíduos. As temperaturas em abrigos antiaéreos e porões subiram acima dos níveis fatais e o fogo consumiu o oxigênio disponível, o que prejudicou até mesmo os ilesos que tentaram fugir. A exposição à radiação causou impacto quase imediato, matando células, ferindo tecidos e alterando o DNA das células dos indivíduos. A longo prazo, gerou doenças adicionais como cânceres de vários tipos, incluindo leucemia [1, 14, 15].

Diante disso, embora o avanço técnico-científico tenha sido importante, a devastação causada pelo uso das bombas atômicas e pela guerra como um todo serve como memória triste de uma lição: nenhum conflito entre potências justifica o extermínio de vidas humanas inocentes.