30 de abril de 2017

O Projeto Manhatran e a Construção das Primeiras Bombas Atômicas

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O projeto Manhattan foi o responsável por produzir as primeiras bombas atômicas do mundo. Em pouco menos de 3 anos, período recorde de tempo, milhares de instalações foram construídas nos mais diversos estados americanos e até em outros países, incluindo a maior construção do mundo na época e o primeiro reator atômico. Vamos conhecer o programa do início, desde a carta de 1939 que alertou os EUA do perigo, os principais locais, os modelos de bombas, as formas de obtenção do urânio-235 e do plutônio-239, o primeiro teste e finalmente terminar com o lançamento nas cidades de Hiroshima e Nagasaki.

Assombrados, o mundo está em alerta com a ameça iminente de uma guerra dos EUA e aliados contra a Coréia do Norte, o país mais fechado do mundo e que insiste em desafiar o mundo com seu programa nuclear para desenvolver a bomba atômica. Aproveitando isso, resolvi trazer para vocês a história da construção das primeiras bombas atômicas do mundo: o Projeto Manhattan. Vamos saber mais do assunto.

A Carta Einstein-Szilárd

Na década de 30, o cientista Enrico Fermi e seus pares descobriram a fissão nuclear, que é uma reação que ocorre no núcleo de um átomo que quando é atingido por um nêutron libera uma imensa quantidade de energia. Neste processo, a cada colisão são liberados novos nêutrons. Isso fez com que em 1938, com 37 anos, Fermi foi laureado com o Nobel de Física, por suas "demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos pela irradiação de nêutrons, e por sua descoberta relacionada de reações nucleares provocadas por nêutrons lentos".

Assim, cientes do que havia sido descoberto, no ano seguinte, em agosto de 1939, os físicos proeminentes Leó Szilárd e Eugene Paul Wigner escreveram uma carta para alertar o presidente dos EUA alertando para o potencial de desenvolvimento de "bombas extremamente poderosas de um novo tipo". A carta pedia aos Estados Unidos a tomar medidas para adquirir estoques de minério de urânio e acelerar a pesquisa de Enrico Fermi e outros, em reação nuclear em cadeia. Como não tinham nome muito conhecido, eles levaram a carta para Albert Einster ler e assinar, o que ele fez.

Ela entregue ao presidente Franklin D. Roosevelt. Roosevelt, que se interessou pelo tema e pediu para seu pessoal investigar se aquilo procedia. O comitê relatou a Roosevelt em novembro que o urânio "seria uma possível fonte de bombas com um poder destrutivo muito maior do que qualquer coisa hoje conhecida." e recomendou investir em pesquisas sobre o urânio, especialmente o isótopo urânio-235 e o plutônio recém descoberto.

O programa então ficou nessa de pesquisa, mas nada de desenvolver alguma coisa. Era algo bem modesto. Em 9 de outubro de 1941, o presidente Roosevelt aprovou o programa atômico.

Até que em 7 de dezembro de 1941, os japoneses atacaram Pearl Harbor no Hawai e forçaram os americanos a entrar na 2ª Guerra. O projeto para a construção da bomba ganhou prioridade máxima e ficou conhecido como Projeto Manhattan.

A carta é frequentemente vista como uma das origens do Projeto Manhattan, o bem sucedido projeto nuclear que viria a produzir as bombas lançadas em Hiroshima e Nagasaki em 1945. Para ver ela em tamanho grande, clique aqui.


Projeto Manhattan

O Projeto Manhattan começou modestamente em 1939, mas cresceu e empregou mais de 130 000 pessoas e custou cerca de US$ 2 bilhões (equivalente a cerca de 26 bilhões de dólares em 2013). O chefe era o major-general Leslie Groves do Corpo de Engenheiros do Exército. Ele tinha ceticismo se o projeto funcionaria, então Enrico Fermi e Leo Szilard construíram o primeiro reator nuclear primitivo numa quadra de squatch na Univ. de Chicago. E nesse reator ele viram que uma reação em cadeia poderia ser obtida, possibilitando uma grande explosão. Era preciso somente obter o combustível, o Urânio-235, algo muito complicado.

O projeto foi dividido em duas partes: construção de fábricas e produção de materiais físseis, que consumiu mais de 90% do custo. O restando foi utilizado no desenvolvimento e produção das armas.

O brilhante físico americano Robert Oppenheimer dirigiu o Projeto Manhattan para o desenvolvimento da bomba atómica, durante a Segunda Guerra Mundial, no Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México. Ele ficou conhecido como pai da Bomba Atômica.

Os trabalhadores do projeto nada sabiam que estavam trabalhando na fabricação da bomba atômica. Somente algumas pessoas tinham conhecimento disso. Foram milhares de pessoas empregadas na construção de cidade no meio do nada! E essas construções aconteciam em tempo recordes. Um dos local criados, chamado Oak Ridge, chegou a ter uma população de mais de 80 mil pessoas!

Dois tipos de bomba atômica foram desenvolvidas durante a guerra. Um tipo relativamente simples de arma de fissão foi feito utilizando urânio-235, que foi a bomba que caiu sobre Hiroshima. Outra bomba criada foi a do tipo de implosão, mais complexa, usando o plutônio, que foi jogada em Nagasaki, no Japão.

Tudo foi construído em tempo recorde. Em 2 anos e meio, os cientistas conseguiram testar com sucesso a primeira bomba atômica, uma bomba de implosão chamada: The Gadget.

A pesquisa e produção ocorreu em mais de 30 locais nos Estados Unidos, Reino Unido e Canadá.
Vamos conhecer agora os principais: dois onde o combustível era manufaturado, Oak Ridge e Hanford Site, e outro onde era projetada a bomba, Los Alamos.

Principais Locais do Projeto Manhattan




- Los Alamos (Projeto Y)

Em 25 de novembro de 1942, um terreno de 22.000 ha próximo a Albuquerque, no estado americano do Novo México foi comprado por US$440 000. Aqui foi estabelecido o Projeto Y, responsável pelo desenvolvimento do projeto da bomba. Aqui estavam concentrados os maiores cientistas americanos e os que fugiram da guerra e eram dirigidos por Oppenheimer. Por causa do segredo, Los Alamos era referida como "Site Y" (local Y) ou "the Hill" (a colina). É um grande centro de pesquisa militar até os dias de hoje.

Eles trabalharam no desenho da bomba e optaram por uma bomba do tipo de fissão usando Urânio-235. A bomba funciona simplificadamente como um longo cano onde dois pedaços de U-235 seriam colididos, liberando a energia.

Os cientistas então se debruçaram em saber quanto U-235 usariam, e era bastante, vários quilos para fabricar as primeiras bombas atômicas. O problema: obter esse isótopo não é nada fácil! Diversas Universidades americanas propuseram três técnicas diferentes para a separação: a separação electromagnética, a difusão gasosa e a difusão térmica. Um projeto de separação usando centrífugas foi mal sucedido.

Era hora de construir essas usinas e obter o elemento U-235. E tudo isso foi feito nas instalações de Oak Ridge, no Tenesse.

Laboratório de Los Alamos, chefiado por Oppenheimer, foi o responsável por fazer o design da bomba atômica


Oak Ridge (Obtendo o Urânio-235)

Em 29 de setembro de 1942, o governo americano comprou uma área de 24 200 ha de terra, a um custo de US$3,5 milhões perto de Oak Ridge, no estado americano do Tenesse. Cerca de mil famílias foram afetadas pela ordem de despejo, que entrou em vigor em 7 de outubro. Algumas famílias foram notificadas com apenas duas semanas para desocupar fazendas que tinham sido seus lares por gerações. A população de Oak Ridge logo se expandiu muito além dos planos iniciais, e passou das 80.000 pessoas em maio de 1945. E realmente era preciso muita gente, porque as instalações construídas para enriquecimento urânio, a Y-12 (magnetismo) e a K-25 (difusão gasosa), eram realmente enormes! Mas por que tinham de ser tão grandes?

Porque E os métodos conseguiam poucas gramas, assim, eles apelaram para a quantidade e construíram milhares de máquinas para conseguir o desejado isótopo.

Inicialmente foi construído a instalação responsável pela separação electromagnética usando os famosos calutrons, conhecida como Y-12. Eram fortes imãs que precisavam ser ajustados através de botões, tarefa executada por jovens mulheres. Cada calutron coletava por dia 10 gramas de U-235.

Como pouco Urânio-235 estava sendo obtido pela separação electromagnética, o exército americano resolveu realizar a difusão gasosa, e para isso construiu o maior prédio da Terra na época, o K-25. E assombrados, quando eu falo grande, era grande mesmo! Tinha o formato de U e media 804 metros de comprimento por 304 de largura, com uma área total de 609 km2. Ela usava 10% da energia elétrica dos EUA! Um outro edifício, o K-27, também foi construído para enriquecer urânio usando a difusão gasosa.

Depois foram construídas três instalações para obtenção do Urânio-235 através da difusão térmica, como a unidade S-50.

Os três métodos não conseguiam gerar U-235 com a pureza desejada, assim em abril de 1945 Robert Oppenheimer ordenou que todos os três processos de enriquecimento fossem executados em série. O processo de difusão térmica S-50 se tornou a primeira etapa de enriquecimento, alcançando níveis de enriquecimento de menos de 2% do urânio-235. Este material foi alimentado ao processo de difusão gasosa na planta K-25, que produziu um produto enriquecido a cerca de 23% do U-235. Esse produto foi, por sua vez, alimentado nos calutrons na Y-12, o que aumentou a concentração de U-235 em cerca de 84%.

O problema é que só produziram U-235 suficiente para uma única bomba atômica físsil. O projeto para bomba físsil de U-235 foi concluído em fevereiro de 1945 e era muito grande a confiança na arma, e ela foi chamada de Little Boy pelo seu pequeno tamanho, 3 metros de comprimento e 4.5 toneladas. Não dava para fazer um teste. E foi essa a bomba que foi lançada sobre Hiroshima, no Japão, em 6 de agosto de 1945.

Os estrategistas militares achavam que precisariam de mais de uma bomba para enfraquecer o inimigo. Era preciso outro combustível para fazer mais uma bomba. E durante o período de funcionamento de Oak Ridge, uma descoberta revolucionária em Los Alamos aconteceu. Os cientistas descobriram que o elemento sintético plutônio poderia ser usado como alternativa de combustível para bomba. Ele tinha duas vezes mais probabilidade de sofrer fissão do que o U-235 e podia ser produzido em larga escala por irradiação de urânio em reatores nucleares. Era preciso construir reatores nucleares, e eles foram construídos em Hanford Site. Uma nova configuração de bomba também foi desenvolvida, a de implosão.

Oak Ridge recebeu várias tecnologias de separação de urânio. A usina de separação eletromagnética Y-12 está no canto superior direito. A usinas K-25 e K-27 de difusão gasosa estão no canto inferior esquerdo, perto da usina S-50 de difusão térmica. (A X-10 foi usado como planta teste para a produção de plutônio, que seria feita em escala industrial em Hanford Site, Washington.)



Esquema simplificado de uma bomba de fissão, carregada com U-235. Little Boy, que foi lançada sobre Hiroshima, era desse tipo.

Hanford Site (Obtendo o Plutônio-239)


O projeto Manhattan não queria depender só do U-235 como combustível para a bomba atômica e foi atrás do Plutônio-239. Embora pequenas quantidades de plutônio existem na natureza, a melhor maneira de obter grandes quantidades do elemento é em um reator nuclear, em que o urânio natural é bombardeado com nêutrons. O urânio-238 é transmutado em urânio-239, que decai rapidamente, pela primeira vez para neptúnio-239 e, em seguida, em plutônio-239. Apenas uma pequena quantidade do urânio-238 irá ser transformada, de modo que o plutônio deve ser separado quimicamente a partir do restante do urânio, a partir de quaisquer impurezas iniciais, e a partir de produtos de fissão.

Construir um reator nuclear era essencial, o problema é que nunca tinham feito isso antes. Ainda em Oak Ridge, construíram um pequeno reator chamado Reator de Grafite X-10 para produção de plutônio-239, que seria feito em escala industrial em Hanford Site, em Washington.

No início de 1943 começou a construção de  um complexo de produção de plutônio, localizado perto de Richland no estado americano de Washington, propositalemnte bem distante de Oak Ridge. O local é isolado e perto do rio Columbia, que fornecia água suficiente para resfriar os reatores que produziam plutônio. O governo destinou US$5 milhões para a aquisição de 16 000 ha de terra na área. Cerca de 1 500 moradores de White Bluffs e Hanford, e povoações próximas, bem como os Wanapum e outras tribos que utilizam a área foram realocados.  Em abril de 1943 cerca de 25 000 trabalhadores viviam no local. Em julho de 1944, cerca de 1 200 edifícios foram erguidos e cerca de 51 000 pessoas viviam no campo da construção. No seu auge, o campo de construção foi a terceira cidade mais populosa do estado de Washington e operava uma frota de mais de 900 ônibus, mais do que a cidade de Chicago. Aqui foi construído o primeiro reator nuclear da história, o Metallurgical Laboratory and DuPont, pois o plutônio-239 é produzido pelo bombardeamento de um núcleo de U-238 com um nêutron, geralmente em reatores nucleares. Atualmente não resta muita coisa no local.

Apesar de um design escolhido para o reator de Oak Ridge, para facilitar a construção rápida, foi reconhecido que este seria impraticável para os reatores de produção maiores. Projetos iniciais por parte do Laboratório de Metalúrgica e da DuPont, hélio usado para refrigeração, antes que determinaram que um reator de refrigerado a água seria mais simples, mais barato e mais rápido para construir.

Foram construídos 3 reatores: Reator B, iniciado em 26 de setembro, Reator D foi iniciado em 17 de dezembro de 1944 e Reator F em 25 de fevereiro de 1945. Para separar o plutônio do urânio foram construídas as usinas T e U, em 200-West e um, a usina B, a 200-East.

Por fim, no complexo havia a área 300. Este continha edifícios para materiais de teste, preparação de urânio, e montagem e calibração de instrumentação. Um dos prédios abrigava o equipamento de conservas para as balas de urânio, enquanto outro continha um pequeno reator de teste.

Em 5 de fevereiro de 1945, Matthias entregou em mãos a primeira remessa de 80 gramas (2,6 ozt) de 95% de nitrato de plutônio puro para Los Alamos pelo correio em Los Angeles.

O projeto da bomba físsil que usava U-235 não era adequado para usar com plutônio, de modo que os cientistas de Los Alamos criaram um novo projeto da bomba, o de bomba de implosão. Só que não foi fácil e os cientistas tiveram muito trabalho para conseguir fazer o desenho desse tipo de bomba. Devido à complexidade de uma arma de estilo implosão, decidiu-se um teste inicial seria necessário. O chefe do projeto Manhattan,  major-general Leslie Groves aprovou o teste, que ganhou o codinome "Trinity". O local escolhido era perto de Alamogordo Army Airfield.

Mapa de Hanford Site. Ferrovias flanqueiam as usinas ao norte e ao sul. Reatores são os três quadrados vermelhos setentrionais, ao longo do rio Columbia. As usinas de separação são as menores de dois quadrados vermelhos do sul do grupo dos reatores. O quadrado vermelho inferior é a área 300.


Esquema simplificado de uma bomba de implosão, usando Plutônio-239 como combustível. Fat Man e The Gadget foram construídas dessa forma.
Trinity: O 1º Teste (Los Alamos - Alamogordo)

Uma vez que a quantidade de combustível - U-235 e Pu-239 - foi finalmente coletada pelas fábricas de Hanford Site e Oak Ridge, era hora de montar as bombas, uma de fissão outra de implosão.

Um teste usando a bomba de implosão seria feito. E se desse errado? O Major-General Groves não gostava da perspectiva de explicar a perda de um bilhão de dólares de plutônio para uma comissão do senado, caso algo desse errado.  Assim, um recipiente de contenção cilíndrico codinome "Jumbo" foi construído para recuperar o material ativo, no caso de um fracasso. Medindo 7,6 m de comprimento e 3,7 m de largura. No momento em que chegou, no entanto, a confiança no método da implosão era alto o suficiente, e a disponibilidade de plutônio era suficiente, Oppenheimer decidiu não usá-lo. Em vez disso, ele foi colocado no topo de uma torre de aço a 730 m da arma, como uma medida aproximada da explosão. No final, Jumbo sobreviveu, apesar de sua torre não, acrescentando credibilidade à crença de que o Jumbo teria contido com sucesso uma explosão fracassada.

Para o teste atual, a arma, apelidado de "the gadget", foi inçada no topo de uma torre de aço de 30 m, como a detonação em que altura lhe daria uma melhor indicação de como a arma se comportaria quando caísse de um bombardeiro. Detonação no ar maximizava a energia aplicada diretamente para o alvo, e gerou menos consequências nucleares.

The gadget foi montada sob a supervisão de Norris Bradbury no nas proximidades do McDonald Ranch House no dia 13 de julho, e precariamente içado até a torre no dia seguinte. Às 05:30 em 16 de julho de 1945, the gadget explodiu com uma energia equivalente a cerca de 20 quilotons de TNT, deixando uma cratera de Trinitite (vidro radioativo) no deserto de 76 m de largura. A onda de choque foi sentida mais de 160 km de distância, e a nuvem de cogumelo chegou a 12,1 km de altura. Foi ouvido tão longe como El Paso, Texas.

Groves publicou uma reportagem de capa de revista sobre a explosão de munição em Alamogordo Field, para despistar o que realmente tinha acontecido. A explosão foi um sucesso.

Atualmente esta área pertence a um complexo militar do estado norte-americano do Novo México, conhecido como "White Sands Missile Range" ("Campo de Teste de Mísseis de White Sands", em português). E acreditem, cerca de duas vezes no ano eles interrompem as atividades para a visitação pública. Qualquer pessoa pode conferir de perto o local onde foi a primeira bomba atômica do mundo foi detonada!

Abaixo você pode ver a filmagem real dessa explosão.

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Hiroshima e Nagasaki

Enquanto a bomba era construída, os EUA sabiam que tinham que adaptar aviões para o lançamento das bombas em Guerra. O avião escolhido para modificação foi o bombardeio B-29 e o lider era Paul Tibbets. Durante meses, os pilotos treinaram os lançamentos, usando bombas simuladas. Quando chegou a hora do ataque, os aviões e equipe voaram para a ilha de Tinian no Pacífico, onde os EUA haviam construído o maior aeroporto do mundo, e que ficava no raio de ação para atacar o Japão e tinha longas pistas para pouso e decolagem.

Em 6 de agosto de 1945, o 393° Esquadrão do bombardeio B-29 Enola Gay, pilotado e comandado por Tibbets, decolou com Parsons como armador e a bordo a Little Boy em seu compartimento de bombas. Hiroshima, um importante depósito do exército e porto de embarque, foi o alvo principal da missão, com Kokura e Nagasaki como alternativas. A bomba foi detonada em uma altitude de 530 m, a explosão que mais tarde foi estimada em o equivalente a 13 quilotons de TNT. Uma área de aproximadamente de 12 km2 foram destruídos. As autoridades japonesas determinaram que 69% dos edifícios de Hiroshima foram destruídos e outros 6-7% danificados. Cerca de 70.000 à 80.000 pessoas, ou cerca de 30% da população de Hiroshima, foram mortos imediatamente, e outro 70.000 feridos.

Na manhã de 9 de agosto de 1945, o B-29 Bockscar, pilotado pelo comandante do 393° Esquadrão de Bombardeio, major Charles W. Sweeney, decolou com um Fat Man a bordo. Desta vez, Ashworth serviu como armador e Kokura era o alvo principal. Sweeney decolou com a arma já armada, mas com a segurança dos plugues de elétrica ainda não plugados. Quando eles chegaram a Kokura, eles encontraram cobertura de nuvens que tinham obscurecido a cidade, proibindo o ataque visual exigido por ordens. Após três voos sobre a cidade, e com o combustível acabando, eles se dirigiram para o alvo secundário, Nagasaki. A Fat Man foi lançada ao longo da zona industrial a meio caminho do vale da cidade entre a Mitsubishi Steel e Arms Works no sul e no Mitsubishi-Urakami Ordnance Works no norte. A explosão resultante teve um rendimento de explosão equivalente a 21 quilotons de TNT, aproximadamente o mesmo que a explosão da Trinity, mas foi confinada ao Vale de Urakami, e uma grande parte da cidade foi protegida pelas colinas intervenientes. Cerca de 44% da cidade foi destruída; 35.000 pessoas foram mortas e 60.000 feridos.

Existe muita discussão da necessidade do lançamento dessas bombas.

A nuvem de cogumelo sobre Hiroshima (esquerda) após a queda da Little Boy e sobre Nagasaki, após o lançamento de Fat Man



Fontes: (Acessadas em 27/04/2017)
- Wikipedia.pt: Projeto Manhattan
- Wikipedia.pt: Hanford Site
- Wikipedia.pt: Argonne National Laboratory
- Wikipedia.pt: Plutônio-239
- Wikipedia.pt: Enrico Fermi
- Wikipedia.pt: S-50
- Wikipedia.pt: Calutron
- Wikipedia.pt: Fat Man
- Wikipedia.pt: Little Boy
- Wikipedia.pt: Reator B
- Wikipedia.pt: Carta Einstein-Szilárd
- Wikipedia.pt: Bombardeamentos de Hiroshima e Nagasaki
- A Teoria de Tudo: Robert Oppenheimer o pai da Bomba atômica
- Brasil Escola: Fissão Nuclear
- atomcentral: Trinity Atomic Test complete takes
- AssombradO.com.br: Visite o Local da Queda da Primeira Bomba Atômica (#90 Minuto Assombrado)
- AssombradO.com.br: Reator Nuclear de 2 Bilhões de Anos no Gabão: Civilização Avançada ou Natural?
- Documentário: O Projeto Manhattan
- Documentário: Oppenheiner e a Bomba Atômica
- Documentário: As Fábricas Secretas da Bomba Atomica
- Documentário: As Cidades Secretas da Bomba Atomica
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