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Reportagem

Mecanismos de um reator nuclear natural

Há 2 bilhões de anos, partes de um depósito de urânio na África sofreram fissão nuclear espontânea. Os detalhes desse fenômeno notável só agora são esclarecidos.

Alex P. Meshik
A vala escavada na mina de urânio de Oklo, no Gabão, revelou uma dúzia de áreas onde a fissão nuclear ocorreu.
Em maio de 1972, o funcionário de uma usina de processamento de combustível nuclear da França percebeu algo suspeito. Ele fazia uma análise rotineira do urânio proveniente de uma fonte aparentemente normal de minério. Como é o caso com qualquer urânio natural, o material em estudo continha três isótopos, ou seja, três formas do mesmo elemento com diferentes massas atômicas: urânio-238, a variedade mais abundante; urânio-234, a mais rara; e urânio-235, a mais cobiçada, pois pode sustentar uma reação nuclear em cadeia. Em todos os outros lugares da crosta terrestre, na Lua e mesmo em meteoritos, os átomos de urânio-235 perfazem 0,72% do total. Mas nessas amostras, que vinham do depósito de Oklo, no Gabão (ex-colônia francesa na África equatorial), o urânio-235 constituía 0,717%. Essa pequena discrepância, porém, foi o bastante para intrigar os cientistas franceses. Outras análises mostraram que o minério de pelo menos uma parte da mina tinha bem pouco urânio-235: pareciam estar faltando cerca de 200 quilos do material, suficientes para produzir meia dúzia de bombas nucleares.

Durante semanas, os especialistas da Comissão de Energia Atômica (CEA) da França permaneceram perplexos. A resposta veio apenas quando alguém se lembrou de uma previsão publicada 19 anos antes. Em 1953, George W. Wetherill, da Universidade da Califórnia em Los Angeles, e Mark G. Inghram, da Universidade de Chicago, alertaram que alguns depósitos naturais de urânio poderiam ter operado como versões naturais dos reatores de fissão nuclear que estavam então se tornando populares.

Pouco depois, Paul K. Kuroda, químico da Universidade do Arkansas, especulou sobre o que seria preciso para que um corpo de minério de urânio sofresse espontaneamente a fissão nuclear. Nesse processo, um nêutron livre ocasiona a quebra no núcleo de um átomo de urânio-235, o que gera mais nêutrons, fazendo com que outros desses átomos se quebrem, em uma reação nuclear em cadeia.

A primeira condição definida por Kuroda era a de que o tamanho do depósito de urânio deveria superar a distância padrão que os nêutrons indutores de fissão viajam, entre 60 cm e 70 cm. Esse pré-requisito seria necessário para que os nêutrons liberados por um núcleo em fissão fossem absorvidos por outro antes de escaparem do veio de urânio.

Um segundo pré-requisito seria o urânio-235 estar presente em abundância suficiente. Hoje, mesmo o maior depósito de urânio não pode se transformar em um reator nuclear, pois a concentração de urânio-235 é muito baixa. Mas o isótopo é radioativo e decai cerca de seis vezes mais rápido que o urânio-238, o que significa que a fração fissionável era muito maior no passado distante. Por exemplo, há dois bilhões de anos, o urânio-235 deveria constituir cerca de 3%, aproximadamente o nível conseguido de modo artificial no urânio enriquecido para abastecer a maior parte das usinas nucleares.
O terceiro ingrediente importante é um "moderador" de nêutrons, uma substância que possa reduzir a velocidade dos nêutrons liberados quando um núcleo de urânio se cinde, de maneira que fiquem mais aptos a induzir outros núcleos de urânio a quebrar. Por último, não deve haver grandes quantidades de boro, lítio ou outras substâncias absorventes de nêutrons, que fazem qualquer reação nuclear parar rapidamente.

Surpreendentemente, as condições que de fato prevaleciam dois bilhões de anos atrás em 16 áreas separadas determinadas por pesquisadores dentro das minas de Oklo e da vizinha Okelobondo eram muito parecidas com o que Kuroda tinha descrito. Essas áreas foram todas identificadas décadas atrás, mas só recentemente meus colegas e eu esclarecemos detalhes fundamentais sobre o que acontecia em um desses reatores antigos.

Provas Sutis
Os físicos confirmaram a idéia básica de que reações naturais de fissão eram as responsáveis pela escassez de urânio-235 em Oklo logo após a descoberta da quantidade anômala. Uma prova irrefutável veio da verificação dos elementos mais leves que são gerados quando um núcleo pesado se quebra em dois. A abundância desses produtos de fissão se mostrou tão alta que não era possível tirar nenhuma outra conclusão. Uma reação nuclear em cadeia, similar à que Enrico Fermi e seus colegas demonstraram em 1942, tinha acontecido. Mas dessa vez, por si só, e uns 2 bilhões de anos atrás.

Pouco depois dessa descoberta surpreendente, físicos de todo o mundo estudaram as evidências sobre o aparecimento desses reatores nucleares naturais e mostraram seu trabalho conjunto sobre o "fenômeno de Oklo" em uma conferência especial realizada em 1975, em Libreville, capital do Gabão. No ano seguinte, George A. Cowan, que representara os Estados Unidos na conferência, escreveu um artigo para a SCIENTIFIC AMERICAN.

Em A natural fission reactor (Um reator de fissão natural), na edição de julho de 1976, ele explicava o que os cientistas supunham sobre a operação desses antigos reatores.
Cowan descreveu, por exemplo, como alguns dos nêutrons liberados durante a fissão do urânio-235 seriam capturados pelo urânio-238, mais abundante, que se tornaria urânio-239 e, depois de emitir dois elétrons, viraria plutônio-239. Mais de duas toneladas desse isótopo de plutônio foram formadas dentro do depósito de Oklo. Embora quase todo esse material, com meia-vida de 24 mil anos, já tenha desaparecido (sobretudo por meio de decaimento radioativo natural), uma parte do próprio plutônio foi fissionada, como pôde ser atestado pela presença dos produtos característicos dessa fissão. A abundância desses elementos mais leves permitiu que os cientistas deduzissem que as reações de fissão continuaram por centenas ou milhares de anos. Com a quantidade de urânio-235 consumida, calcularam a energia total liberada: 15 mil megawatts-ano. A partir dessa e de outras evidências, puderam chegar à média de potência produzida, provavelmente menos de 100 quilowatts - digamos, o suficiente para aquecer algumas dúzias de torradeiras.

É realmente impressionante pensar que mais de uma dezena de reatores naturais surgiram espontaneamente e conseguiram manter uma produção de potência modesta por talvez alguns milênios. Por que é que essas partes do veio de minério não explodiram e foram destruídas logo depois que as reações em cadeia começaram? Que mecanismo conseguiu prover o sistema com a necessária auto-regulação? Essas reações aconteciam de maneira contínua ou em períodos isolados? As soluções desses enigmas surgiram aos poucos, depois da descoberta inicial do fenômeno de Oklo não respondida. De fato, a última questão permaneceu não respondida por mais de três décadas antes que meus colegas e eu, da Universidade de Washington, começamos a examinar um pedaço desse enigmático minério africano.

Gás Nobre e Revelador
Nosso trabalho recente sobre um dos reatores de Oklo se concentrou na análise do xenônio, um gás inerte e pesado, que pode ficar aprisionado dentro de minerais por bilhões de anos. O xenônio tem nove isótopos estáveis, produzidos em várias proporções por diferentes processos nucleares.

Sendo um gás nobre, ele evita se ligar a outros elementos e, portanto, é fácil de ser purificado para análise isotópica. O xenônio é extremamente raro, o que permite que os cientistas o usem para detectar e rastrear reações nucleares, mesmo aquelas que ocorreram nos meteoritos primitivos antes que o Sistema Solar viesse a existir.
Para analisar a composição isotópica do xenônio, é necessário um espectrômetro de massa, instrumento que pode separar átomos de acordo com sua massa atômica. Tive o privilégio de poder usar um espectrômetro de massa de xenônio extremamente preciso, construído por meu colega da Universidade de Washington Charles M. Hohenberg. Mas, antes de usar o aparelho, tínhamos de extrair o xenônio de nossa amostra. Os cientistas normalmente aquecem o material hospedeiro, muitas vezes acima de seu ponto de fusão, para que a rocha perca sua estrutura cristalina e não consiga mais segurar o depósito escondido de xenônio. Para obter mais informações sobre a gênese e a retenção desse gás, adotamos uma estratégia mais delicada, chamada de extração a laser, que libera seletivamente o xenônio de cada grão mineral, deixando intactas as áreas vizinhas.

Aplicamos essa técnica a muitos pequenos pontos no nosso único fragmento disponível da rocha de Oklo, que tinha apenas 1 mm de largura e 4 mm de comprimento. Obviamente, precisávamos primeiro decidir o local exato onde miraríamos o raio laser. Aqui, Hohenberg e eu contamos com a ajuda de nossa colega Olga Pravdivtseva, que tinha construído um mapa detalhado de nossa amostra com raios X e identificado os minerais constituintes. Depois de cada extração, purificamos o gás resultante e passamos o xenônio no espectrômetro de massa de Hohenberg.

Nossa primeira surpresa foi a localização do xenônio. Ele não foi encontrado, como esperávamos, em quantidade significativa nos grãos minerais ricos em urânio. Em vez disso, a maior parte estava aprisionada em minerais de fosfato de alumínio, que não contêm urânio nenhum. Impressionantemente, esses grãos mostravam a concentração mais alta de xenônio já encontrada em qualquer material natural. A segunda revelação foi que o gás extraído tinha um padrão isotópico de forma significativa, diferente daquele que normalmente é produzido em reatores nucleares. Ele tinha, ao que parecia, perdido uma porção grande de xenônio-136 e 134, que certamente teria resultado da fissão. Ao mesmo tempo, possuía apenas pequenas alterações de quantidade nas variedades mais leves do elemento.

Como poderia ter aparecido uma mudança como essa na composição isotópica? As reações químicas não dariam conta do recado, já que todos os isótopos são quimicamente idênticos. Talvez fossem reações nucleares, como a captura de nêutrons, mas uma análise cuidadosa permitiu que rejeitássemos essa possibilidade também. Pensamos ainda em um rearranjo físico de diferentes isótopos que às vezes acontece: os átomos mais pesados movem-se um pouco mais lentamente que seus correspondentes mais leves e podem, portanto, separar-se deles. Usinas de enriquecimento de urânio - instalações industriais cuja construção requer certa habilidade técnica - tiram proveito dessa propriedade para produzir combustível nuclear. Mas mesmo se a Natureza pudesse criar por milagre um processo similar em escala microscópica, os isótopos de xenônio nos grãos de fosfato de alumínio estariam diferentes da situação medida. Por exemplo, comparado com a quantidade de xenônio-132 presente, o xenônio-134 (sendo duas unidades de massa mais pesado) seria duas vezes mais abundante do que o xenônio-136 (quatro unidades de massa mais pesado) se tivesse ocorrido esse rearranjo físico, mas não notamos esse padrão no mineral.
Nosso entendimento da composição anômala do xenônio só veio depois de nos concentrarmos em como esse gás apareceu ali. Nenhum dos isótopos de xenônio que medimos era o resultado direto de fissão do urânio. Em vez disso, eram o produto do decaimento de isótopos radioativos de iodo, que por sua vez foram formados a partir de telúrio radioativo e assim por diante, de acordo com uma seqüência bem conhecida de reações nucleares que dá origem ao xenônio estável.

Nossa principal sacada foi perceber que os diferentes isótopos de nossa amostra de Oklo foram criados em diversas épocas - seguindo um padrão que dependia das meias-vidas dos "pais" de iodo e dos "avós" de telúrio. Quanto mais um determinado precursor radioativo vive, mais ele adia a formação do xenônio. Por exemplo, a produção do xenônio-136 começou em Oklo apenas um minuto depois do começo da fissão auto-sustentada.

Uma hora depois, o isótopo leve mais próximo, xenônio-134, apareceu. Então, alguns dias após o início da fissão, os xenônios 132 e 131 vieram à tona. Por último, alguns milhões de anos mais tarde (e bem depois que as reações nucleares em cadeia terminaram), formou-se o xenônio-129.

Se o depósito de Oklo tivesse permanecido um sistema fechado, o xenônio acumulado durante a operação de seus reatores naturais teria preservado a composição isotópica normal produzida pela fissão. Mas os cientistas não têm razão para crer que o sistema fosse fechado. Na verdade, há bons motivos para acreditar no contrário. A evidência vem da consideração do simples fato de que os reatores de Oklo regulavam a si mesmos. O mecanismo mais provável envolve a ação de lençóis freáticos, que presumidamente evaporaram depois que a temperatura atingiu um dado nível crítico. Sem a água para atuar como moderador natural, reações nucleares em cadeia teriam cessado temporariamente. Apenas depois que as coisas tivessem esfriado o suficiente, e a água subterrânea novamente permeasse a área de reação, voltaria a acontecer a fissão.

Essa hipótese sobre como os reatores de Oklo provavelmente funcionavam ressalta dois pontos importantes: provavelmente eles se ligavam e se desligavam periodicamente de alguma maneira, e grandes quantidades de água devem ter se movimentado através dessas rochas - o suficiente para levar alguns dos precursores do xenônio, telúrio e iodo, que são solúveis em água.
A presença de água também ajuda a explicar por que a maior parte do xenônio agora se encontra em grãos de fosfato de alumínio, em vez de estar nos minerais ricos em urânio nos quais a fissão criou esses precursores radioativos em primeiro lugar. O xenônio não migrou simplesmente de um conjunto de minerais preexistentes para outro - é improvável que minerais de fosfato de alumínio estivessem presentes antes que os reatores de Oklo começassem a funcionar. Ao contrário, esses grãos de fosfato de alumínio provavelmente se formaram no local por meio da ação de água aquecida pela reação nuclear, uma vez que ela tivesse se resfriado a cerca de 300oC.

Durante cada período ativo de operação de um reator de Oklo e durante algum tempo depois, enquanto a temperatura permanecia alta, foi expelida boa parte do gás xenônio (incluindo xenônio-136 e 134, que foram gerados relativamente rápido). Quando o reator esfriava, os precursores de xenônio mais longevos (aqueles que no fim criariam o xenônio-132, 131 e 129) eram incorporados de preferência por grãos de fosfato de alumínio que se formavam. Então, quando mais água retornava à zona de reação, nêutrons tornavam-se moderados e a fissão voltava a acontecer, permitindo que o ciclo de aquecimento e resfriamento se repetisse. O resultado foi a segregação dos isótopos de xenônio que revelamos.

As forças que mantiveram o xenônio dentro dos minerais de fosfato de alumínio por quase metade da vida do planeta não são totalmente claras. Por que, em particular, o xenônio gerado durante um dado pulso operacional não foi liberado durante o pulso seguinte? Presumidamente, ficou aprisionado na estrutura em forma de gaiola dos minerais de fosfato de alumínio, que conseguiram segurar gás em seu interior mesmo sob altas temperaturas. Os detalhes continuam nebulosos, mas sejam quais forem as respostas finais, uma coisa está clara: a capacidade do fosfato de alumínio de capturar xenônio é realmente impressionante.

Agenda da Natureza
Depois que já tinhamos pensado de maneira geral sobre como o conjunto de isótopos de xenônio foi criado dentro dos grãos de fosfato de alumínio, tentamos modelar o processo matematicamente. Esse exercício revelou muito sobre a regulagem de tempo da operação do reator, com todos os isótopos dando mais ou menos a mesma resposta. O reator de Oklo que estudamos se "ligava" por 30 minutos e ficava desligado por pelo menos duas horas e meia. O padrão não é muito diferente do que se vê em alguns gêiseres, que lentamente se aquecem, fervem sua cota de água subterrânea de maneira espetacularmente visível, reenchem-se e repetem o ciclo, dia e noite, ano após ano. Essa semelhança dá suporte à noção de que o lençol freático, passando através do depósito de Oklo, não era apenas um moderador de nêutrons, mas também que sua ebulição nos momentos necessários para a auto-regulação protegeu os reatores naturais da autodestruição. A água impediu que houvesse sequer uma explosão por centenas de milhares de anos.

Alguém poderia questionar se os engenheiros da indústria energética nuclear podem aprender uma ou duas coisas com o caso de Oklo. Na verdade podem, embora não necessariamente sobre projetos de reatores.
É provável que as lições mais importantes sejam sobre como lidar com lixo nuclear. Afinal, Oklo serve como uma boa analogia de um depósito geológico de longo prazo. Por isso cientistas examinaram em grande detalhe como os vários produtos da fissão migraram para longe desses reatores naturais com o tempo. Também observaram uma zona similar de fissão nuclear antiga encontrada em poços de perfuração em um sítio chamado Bangombe, a cerca de 35 km dali. O reator de Bangombe merece especial atenção, porque estava enterrado em profundidades menores do que as das minas de Oklo e Okelobondo, e recebeu mais fluxo de água em tempos recentes. De modo geral, as observações aumentam a confiança no processo de seqüestro subterrâneo de muitos tipos diferentes de lixo nuclear perigoso.

Oklo também demonstra uma maneira de guardar algumas formas de lixo nuclear cuja contaminação ambiental era antes tida como inevitável.

Desde o advento da geração de energia nuclear, grandes quantidades de xenônio-135, criptônio-85 e outros gases inertes radioativos foram liberados na atmosfera. Os reatores naturais de fissão sugerem a possibilidade de prender esses dejetos em minerais de fosfato de alumínio, que têm capacidade única de capturar e reter esses gases por bilhões de anos.

Os reatores de Oklo ainda podem proporcionar aos cientistas o estudo de mudanças em uma constante física fundamental, chamada ? (alfa), que controla quantidades universais como a velocidade da luz. Por três décadas, o fenômeno de Oklo, de dois bilhões de anos, foi utilizado contra a idéia de que ? tinha mudado. Mas, no ano passado, Steven K.

Lamoreaux e Justin R. Torgerson, do Laboratório Nacional Los Alamos, citaram Oklo para afirmar que essa constante, na verdade, variou de maneira significativa (estranhamente, ao contrário do que outros propuseram há pouco). Os cálculos de Lamoreaux e Torgenson se apóiam em certos detalhes sobre como Oklo operava e, a esse respeito, o trabalho que meus colegas e eu fizemos pode ajudar a elucidar esse assunto intrigante.

Seriam esses reatores antigos no Gabão os únicos a se formar na Terra? Dois bilhões de anos atrás, as condições necessárias para a fissão auto-sustentada não eram tão raras, e portanto talvez outros reatores naturais ainda sejam descobertos. Imagino que um pouquinho de xenônio possa ajudar nessa busca.

Para conhecer mais

On the nuclear physical stability of the uranium minerals. Paul Kazuo Kuroda, em Journal of Chemical Physics, vol. 25, no 4, págs. 781-782, 1956.

A natural fission reactor. George A. Cowan, em SCIENTIFIC AMERICAN, vol. 235, no 1, págs. 36-47, julho de 1976.

Neutron moderation in the Oklo natural reactor and the time variation of alpha. S. K. Lamoreaux e J. R. Torgerson, em Physical Review D, vol. 69, no 12, Artigo 121701(R), junho de 2004. Prévia disponível em arxiv.org/abs/nucl-th/0309048

Record of cycling operation of the natural nuclear reactor in the Oklo/Okelobondo area of Gabon. A. P. Meshik, C. M. Hohenberg e O. V. Pravdivtseva, em Physical Review Letters, vol. 93, no 18, Artigo 182302, 29 de outubro de 2004.