O processo de fissão
Quando bombardeados por neutrões, certos isótopos de urânio e plutónio (e alguns outros elementos mais pesados) dividem-se em átomos de elementos mais leves, um processo conhecido como fissão nuclear. Além desta formação de átomos mais leves, em média entre 2,5 e 3 neutrões livres são emitidos no processo de fissão, juntamente com uma energia considerável. Como regra geral, a fissão completa de 1 kg de urânio ou plutônio produz cerca de 17,5 kg de energia explosiva equivalente a TNT.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Em uma bomba atômica ou reator nuclear, primeiro um pequeno número de nêutrons é dado energia suficiente para colidir com alguns núcleos fissionáveis, que por sua vez produzem nêutrons livres adicionais. Uma parte desses nêutrons é capturada por núcleos que não se fissionam; outros escapam do material sem serem capturados; e o restante causa mais fissionamentos. Muitos núcleos atômicos pesados são capazes de fissionar, mas apenas uma fração destes são físseis – isto é, fissionáveis não apenas por nêutrons rápidos (altamente energéticos), mas também por nêutrons lentos. O processo contínuo pelo qual os nêutrons emitidos pela fissão dos núcleos induzem fissões em outros núcleos físseis ou fissionáveis é chamado de reação em cadeia de fissão. Se o número de fissões em uma geração for igual ao número de nêutrons da geração anterior, o sistema é considerado crítico; se o número for maior que um, é supercrítico; e se for menor que um, é subcrítico. No caso de um reator nuclear, o número de núcleos fissionáveis disponíveis em cada geração é cuidadosamente controlado para evitar uma reação “fugitiva” em cadeia. No caso de uma bomba atômica, entretanto, procura-se um crescimento muito rápido do número de fissões.
As armas de fissão são normalmente fabricadas com materiais com altas concentrações de urânio-235, plutônio-239 ou alguma combinação destes isótopos físseis; entretanto, alguns dispositivos explosivos que usam altas concentrações de urânio-233 também foram construídos e testados.
Os isótopos naturais primários de urânio são urânio-235 (0,7%), que é cindível, e urânio-238 (99,3%), que é fissionável mas não cindível. Na natureza, o plutônio existe apenas em concentrações mínimas, portanto o isótopo físsil plutônio-239 é feito artificialmente em reatores nucleares de urânio-238. (Ver processamento de urânio.) Para fazer uma explosão, as armas de fissão não necessitam de urânio ou plutónio puro nos isótopos urânio-235 e plutónio-239. A maior parte do urânio usado nas armas nucleares atuais é aproximadamente 93,5% de urânio-235 enriquecido. As armas nucleares normalmente contêm 93% ou mais de plutônio-239, menos de 7% de plutônio-240 e quantidades muito pequenas de outros isótopos de plutônio. O plutónio-240, um subproduto da produção de plutónio, tem várias características indesejáveis, incluindo uma maior massa crítica (ou seja, a massa necessária para gerar uma reacção em cadeia), maior exposição à radiação dos trabalhadores (relativamente ao plutónio-239) e, para alguns projectos de armas, uma elevada taxa de fissão espontânea que pode causar uma reacção em cadeia iniciada prematuramente, resultando num rendimento menor. Consequentemente, em reatores usados para a produção de plutônio-239, o período de tempo em que o urânio-238 é deixado no reator é restrito, a fim de limitar a acumulação de plutônio-240 a cerca de 6 por cento.