Diversos

Você sabia que a Terra já teve reatores de fissão nuclear naturais em funcionamento? Essa é a mina de Oklo, em foto de 1997.

[Photo by Andreas Mittler]

Esta é uma das histórias mais fascinantes da ciência atual, especialmente da tão jovem Física Nuclear. Em 1972, os restos muito bem preservados de vários reatores nucleares naturais antigos foram descobertos no meio do depósito de minério de urânio de Oklo, no Gabão.

Desde sua descoberta, os reatores de Oklo foram estudados por muitos cientistas ao redor do mundo que acreditam ter descoberto as respostas para…

ONDE?

Reatores fósseis naturais (até agora) só foram encontrados no Gabão, na África equatorial. Todos, exceto um dos reatores, estão localizados em um local conhecido como depósito de urânio Oklo, localizado no canto sudeste do país. Outro reator fóssil também foi descoberto no Gabão em outro depósito em Bangombe, cerca de 35 km a sudeste da mina de Oklo.

O Planalto Gabonês

Embora o Gabão seja um país equatorial, a paisagem ao redor de Oklo consiste em terras altas gramadas, como mostrado nesta imagem. Durante a década de 1960, a exploração geoquímica por interesses minerários dessas terras altas no limite do que é conhecido como a Bacia de Franceville revelou extensos depósitos de urânio altamente enriquecido. Em um lugar chamado Oklo, um grande corpo de minério de urânio foi descoberto. Descobriu-se posteriormente que o corpo de minério principal tinha vários quilômetros de comprimento e continha bolsões de urânio altamente enriquecido (até 70% puro) como UO2, que eles começaram a minerar logo depois.

Para processar o minério, construiu-se uma usina de processamento de minério (centro da imagem) e uma vila para abrigar funcionários da empresa e mineradores próximos ao local.

Este mapa mostra o layout da mina de Oklo e a localização de 15 das zonas de reatores fósseis. O corpo de minério em si tem vários quilômetros de comprimento e cerca de metade da largura. O minério economicamente viável varia em espessura de metros a dezenas de metros.

A mineração de Urânio começou a partir do extremo norte do depósito logo após a descoberta do minério na década de 1960. Em 1972, quando os reatores foram descobertos, a mineração foi interrompida enquanto um levantamento geoquímico detalhado e amostragem (perfuração de furos para obter núcleos de rocha) do depósito e rochas circundantes ou hospedeiras foram realizadas.

Durante este tempo, as primeiras 6 zonas do reator foram descobertas. Uma vez que a pesquisa foi concluída, a mineração recomeçou. Muitas das zonas do reator estão agora completamente transformadas. No entanto, amostras de rochas desses locais de reatores são armazenadas em Saclay, na França.

Cinco dos reatores ainda estão praticamente intactos e subterrâneos e vários poços isotopicamente anormais foram descobertos em Oklobondo, ao sul do Depósito Oklo. A outra grande zona do reator está localizada em Bangombe, cerca de 35 km ao sul do depósito.

A mina hoje

A maior parte do urânio extraído existia como uma camada de minério que cobria o lado direito do poço.

Dos primeiros 9 reatores, apenas cerca de um terço de um reator (zona do reator 2) permanece e agora está fixado em concreto na lateral do poço da mina. Isso foi feito não porque a zona do reator é perigosa para a vida, mas para impedi-la de deslizar pela encosta do poço. As próprias zonas do reator eram camadas espessas de centímetros a metros de Urânio altamente enriquecido, enterradas no minério.

Os restos da zona 2 do Reator são claramente visíveis como um bloco de concreto retangular. À direita está a entrada de um túnel que leva a uma das zonas remanescentes e relativamente não estudadas do reator subterrâneo (zona 15).

QUANDO?

Usando vários relógios radioativos, os reatores fósseis de Oklo foram datados radioativamente como tendo cerca de 2.000 milhões de anos. Acredita-se que o urânio nesses reatores tenha vindo de pequenas quantidades de urânio originalmente espalhadas pelas rochas da crosta terrestre durante sua formação.

A história dos reatores fósseis de Oklo abrange quase toda a história da Terra. O ‘Oklotime’ pode ser dividido em quatro etapas:
1 – Fase de mobilização de Urânio: Iniciada há aproximadamente 3,5 bilhões de anos atrás.
2 – Formação de minério reator de Urânio: Começou há aproximadamente 2,8 bilhões de anos atrás.
3 – Operação do reator: Começou há 2 bilhões de anos (e funcionou por cerca de um milhão de anos).
4 – Movimento de resíduos: Os últimos 2 bilhões de anos.

1. Fase de mobilização U (iniciada ~ 3,5 bilhões de anos atrás)
   
   A mudança na atmosfera da Terra provocada pela evolução das plantas a partir de cerca de 3500 milhões de anos atrás mudou lentamente a atmosfera da Terra de uma grande quantidade contínua de dióxido de carbono para uma contendo quantidades significativas de oxigênio. Esse aumento no oxigênio atmosférico deu lentamente às águas superficiais uma natureza “oxidante” que dissolveu alguns dos vestígios de urânio das rochas da crosta em córregos e rios.

2. Formação de minério/reator de U (iniciada ~2800 milhões de anos atrás)
   
   
   
   Água da chuva rica em oxigênio lixiviando urânio e ferro das rochas superficiais e depois depositando-a em pântanos e deltas de rios.
   
   Quando rios e córregos fluem para pântanos e deltas de rios ou oceanos, eles diminuem a velocidade do depósito de areia, matéria orgânica e outros produtos químicos nos chamados sedimentos, lamas e lodos. Estes, por sua vez, reagem com qualquer Urânio solúvel e o depositam como uma fina camada de concentração relativamente baixa sobre uma grande área. Existem muitos depósitos de minério de Urânio na terra hoje nos EUA, África e Ásia que foram formados dessa maneira. Mais detalhes sobre a formação desse minério podem ser encontrados em um artigo sobre este assunto no Uranium Information Council.
   
   Ao longo de milhões de anos, alguns milhares de metros de areia foram então depositados no topo da camada de urânio. Eventualmente, os movimentos da crosta terrestre levantaram a areia foi convertida em rochas de arenito, levantadas acima do nível do mar e inclinadas em um ângulo de cerca de 45 graus. A água da chuva (agora ainda mais oxidante) percolada através de rachaduras e fissuras remobilizou o U e o “empurrou” ainda mais para o subsolo. Eventualmente, o U solúvel encontrou condições químicas “redutoras” para depositar novamente parte do U em “bolhas” de alta concentração (mais de 50% UO2) variando de pedaços do tamanho de um punho até o tamanho de um carro grande.
   
   
3. Operação do reator (há 2 bilhões de anos)
   
   Um close-up dos locais do reator 7, 8 e 9A close-up dos locais do reator 7, 8 e 9. Cada reator operou de forma intermitente por um período que variava de alguns anos a centenas de milhares de anos. O período de tempo total durante o qual os reatores operaram é estimado em cerca de um milhão de anos.
   
   
   
   
4. Movimento de resíduos (os últimos 2 bilhões de anos até o planalto Gabonês de hoje)
   
   Cerca de dois bilhões de anos se passaram desde a última operação dos reatores. Isso é tanto tempo que todos os produtos residuais radioativos (mesmo aqueles com meia vida de um milhão de anos) decaíram. De fato, pode-se mostrar que de todo o resíduo radioativo, produtos como o Iodo 129, Césio 137 e Paládio 107 (meias-vidas de 17 milhões, 3 milhões 7 milhões de anos respectivamente) já decaíram, e mesmo se todo o Urânio em Oklo tivesse sido convertido em iodo radioativo, restaria menos de um átomo desse isótopo hoje.
   
   
   
   
   
5. Relógios radioativos
   
   Portanto, para realizar a datação dos eventos, foi necessário utilizar um laboratório. Os relógios radioativos desempenham papéis importantes na decifração do fenômeno Oklo. Até a data da idade do depósito, relógios de urânio-chumbo, rubídio-estrôncio e samário-neodímio têm sido usados. O fato de que estava presente nos reatores 235U suficiente em relação a 238U está relacionado à diferença nas taxas de decaimento desses dois isótopos.
   
   
6. Usando relógios radioativos em Oklo
   
   Durante a vida útil dos reatores, uma vasta gama de relógios radioativos foi iniciada pelas reações de fissão. Praticamente todos os isótopos de produtos de fissão produzidos eram um relógio radioativo. A maioria desses isótopos são muito curtos para serem de qualquer benefício real no estudo do fenômeno Oklo, mas ainda existem várias dezenas com meias-vidas de vários anos a milhões de anos ou mais que foram usadas para determinar muitos parâmetros do reator, incluindo:
   
   Qual o período de tempo durante o qual cada um dos reatores individuais funcionou? Quanto 235U cada um dos reatores individuais “criou” de 238U? Quanto tempo levou para que alguns produtos de fissão mais móveis saíssem das zonas do reator? E quanto de cada um dos produtos de fissão foi retido dentro dos reatores?
   
   

O QUE?

O que causou a inicialização dos reatores?

O processo de fissão

A fissão é a divisão de um núcleo atômico. Os núcleos mais fáceis de dividir são os núcleos muito pesados como o Urânio 235 (235U) e o Plutônio 239 (239Pu) que, se absorverem uma pequena partícula subatômica como um nêutron, podem se dividir em dois fragmentos de fissão (ou produtos de fissão) e produzir 2 ou 3 nêutrons.

Os nêutrons ejetados podem, por sua vez, ser absorvidos por outros núcleos de U para produzir ainda mais eventos de fissão (uma reação em cadeia). Essa reação autossustentável pode ser controlada como é feito em um reator de fissão nuclear feito pelo homem, onde as hastes de controle (feitas de materiais absorventes de nêutrons, como o cádmio metálico) são inseridas nos reatores. Se ocorrer uma reação descontrolada, pode ocorrer uma explosão nuclear – mas isso não ocorreu em Oklo, onde as reações também foram auto-reguladas.

Isótopos de Urânio Hoje

O urânio existe na natureza na forma de dois isótopos: 235U e 238U. Ambos os isótopos são radioativos, mas têm meias-vidas tão longas que cerca de metade do urânio que foi incorporado à Terra original (e também ao resto do sistema solar) há 4.500 milhões de anos ainda existe hoje. Para cada 100.000 átomos de U, apenas 720 são átomos de 235U. Uma vez que 235U é o isótopo de mais fácil fissão, a maioria dos reatores feitos pelo homem requerem ‘urânio enriquecido’ – em que a quantidade relativa de 235U é aumentada para cerca de 3.000 átomos por 100.000 átomos (ou seja, 3%).

Isótopos de Urânio 2 bilhões de anos atrás

Evidência de reações nucleares na rocha de Oklo.

POR QUE?

Por que esses reatores fósseis naturais são importantes?
Além de serem objetos raros e fascinantes, até o momento, reatores fósseis naturais só foram encontrados no Gabão, na África equatorial.

Eles nos ajudam a entender a terra antiga

A escala de tempo geológico é um esquema cronológico (ou modelo idealizado) relacionando a estratigrafia ao tempo que é usado por geólogos, paleontólogos e outros cientistas da terra para descrever o tempo e as relações entre os eventos que ocorreram durante a história da Terra.

Eles são o único exemplo natural de contenção de resíduos radioativos
Oklo é o único análogo natural em escala real para a eliminação geológica de resíduos radioativos.

Contenção de resíduos radioativos naturais

Este é o estado do poço de minério de urânio Oklo hoje. A maior parte do urânio extraído existia como uma camada de minério de urânio que cobria o lado direito do poço.

Dos primeiros 9 reatores, apenas cerca de um terço de um reator (zona do reator 2) permanece e agora está fixado em concreto na lateral do poço da mina. Isso foi feito não porque a zona do reator é perigosa para a vida, mas para impedi-la de deslizar pela encosta do poço. As próprias zonas do reator eram camadas espessas de centímetros a metros de urânio altamente enriquecido, enterradas no minério.

Contenção de resíduos radioativos naturais

Estudos isotópicos de reatores fósseis de Oklo mostram que os parâmetros do reator podem ser determinados e que a maioria dos elementos do produto de fissão foram retidos dentro das zonas do reator por 2 bilhões de anos. Há evidências de produtos móveis de fissão sendo retidos perto das zonas do reator no ferro e nas argilas, mesmo em um ambiente altamente poroso.

O fóssil de Oklo demonstra muitas das características do que ficou conhecido como o conceito de “múltipla barreira” de eliminação de resíduos radioativos. Isso significa construir no meio de armazenamento e no repositório o maior número possível de barreiras que impedem perda de resíduos radioativos. Mesmo se os resíduos escaparem do recipiente imediato, uma sequência apropriada de barreiras externas e produtos químicos é organizada de modo a “capturar” os resíduos radioativos em uma forma química que reterá os resíduos o máximo possível dentro do local de contenção.

QUEM?

Menos de 15 anos após o primeiro reator de fissão feito pelo homem, os cientistas estavam pensando na possibilidade de reatores nucleares de ocorrência natural. O primeiro estudo detalhado publicado pelo professor Paul Kuroda (1956), um físico japonês, que determinou os requisitos detalhados para quaisquer reatores naturais prováveis. No que se tornou reconhecido como um dos melhores conjuntos de previsões da física nuclear, Paul Kuroda expôs em detalhes:

– Faixa etária aproximada para um reator natural
– A concentração de urânio
– Requisitos de proporção 235U/238U
– Os requisitos de forma natural do reator.

A caminho de uma reunião da AGU em 1964 em Washington, DC. A partir da esquerda: Oliver Manuel, DD Bogard, Marvin Rowe e Professor Paul Kuroda.
[Foto: Dr. Pentti Kauranen da Universidade de Kuopio, Finlândia. Fonte: Essays in Nuclear, Geo- e Cosmochemistry, Proceedings of the 1987 SW Regional ACS Society]

Apesar desse trabalho detalhado, Paul Kuroda não conseguiu encontrar uma correspondência para seu modelo de reator natural entre os minérios da Terra então conhecidos. Um pequeno mas crítico detalhe que Paul Kuroda ignorou foi a possibilidade de que a água pudesse atuar como um moderador útil e que certos minérios de urânio pudessem ser porosos o suficiente para conter água suficiente para moderar os nêutrons e sustentar a reação.

Durante o final da década de 1950 e início da década de 1960, a proporção 235U/235U em centenas de minérios de urânio de todo o mundo foi medida para detectar qualquer mudança nessa proporção. Qualquer redução nessa proporção indicaria que cerca de 235U haviam se fissionado em algum momento no passado. Das centenas de minérios investigados, nenhum tinha uma relação 235U/235U fora do valor geralmente aceito de 0,007202 +/- 0,00006.

Descoberta dos Reatores de Fissão Oklo

Os restos radioativos de uma reação de fissão nuclear naturalOs restos radioativos de uma reação de fissão nuclear natural que aconteceu há 1,7 bilhão de anos no Gabão, na África, foram mantidos no lugar pela geologia circundante.
[Fonte: Wikipedia CCL]

Os reatores fósseis naturais de Oklo foram descobertos em 2 de junho de 1972 por um analista francês (Bougzigues) enquanto trabalhava na usina de processamento de combustível nuclear Pierrelatte. Durante medições de espectrometria de massa de rotina do valor da razão 235U/235U em amostras de minério de U, ele observou uma pequena mudança na razão (0,00717, comparado a um valor normal de 0,00720). Essa proporção é tão precisamente conhecida que essa pequena diferença foi suficiente para sugerir que algo estranho havia ocorrido.

A princípio, pensou-se que algum combustível nuclear usado havia inadvertidamente caído na planta de processamento. No entanto, isso foi rapidamente descartado devido à falta de radiação intensa normalmente encontrada em tal combustível “gasto”.

Outras possibilidades levantadas incluíam combustível usado de uma nave espacial extraterrestre ou de um antigo depósito de lixo nuclear, talvez até de uma civilização passada. Uma verificação cuidadosa dos materiais de origem rastreou o minério até um depósito de alta concentração presente em uma mina no Gabão, um país do sudoeste da África.

Uma investigação detalhada detectou a presença de todas as condições necessárias e grandes quantidades de resíduos de produtos de fissão antigos (não mais radioativos) incorporados no minério natural de urânio, confirmando que as reações naturais de fissão nuclear ocorreram em Oklo cerca de 2 bilhões de anos atrás.

Os primeiros reatores de fissão feitos pelo homem

Cientistas Atômicos, Reunião do 20º Aniversário, 1962 Cientistas Atômicos, Reunião do 20º Aniversário, 1962. O grupo que participou com Enrico Fermi no experimento de 2 de dezembro de 1942 para criar o primeiro reator de fissão do mundo. [Fonte: Wikipedia GFDL]

Quando o primeiro reator de fissão nuclear feito pelo homem do mundo atingiu a criticidade em 2 de dezembro de 1942, os cientistas e técnicos que trabalharam por um período considerável de tempo não perceberam que a natureza os havia vencido por cerca de 2 bilhões de anos. Essa conquista foi realizada em segredo durante a Segunda Guerra Mundial como parte do desenvolvimento (conhecido como projeto Manhattan) da bomba atômica. Liderada pelo físico vencedor do prêmio Nobel, a equipe montou o primeiro reator de fissão autossustentável feito pelo homem dentro de uma quadra de squash sob as arquibancadas do estádio esportivo da Universidade de Chicago.

Ambos os reatores usavam urânio natural como combustível nuclear, mas Oklo era em grande parte um reator moderado a água, enquanto o reator de Chicago era moderado a carbono (grafite). O reator de Fermi usou hastes de cádmio para controlar a reação, enquanto os reatores de Oklo não eram “controlados” no sentido convencional, mas perdiam o moderador por superaquecimento, o que desacelerou (e provavelmente até parou temporariamente) a reação por períodos de dias e anos.

Enrico Fermi

Enrico Fermi foi um indivíduo e físico notável. Durante a construção da primeira ‘pilha atômica’ (reator), ele supervisionou pessoalmente a colocação das esferas de combustível e foi capaz de prever -felizmente- exatamente quando o reator sofreria fissão auto-sustentável.

Fermi estava igualmente à vontade com a literatura clássica, em uma sala de aula de física (como ele era um professor consumado), no laboratório (realizando uma tarefa mundana ou uma que exigia considerável habilidade manual) ou trabalhando nos mais recentes aspectos teóricos da física. Depois de anos trabalhando com equipamentos relativamente primitivos na Universidade de Roma, Fermi recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1938 pela produção de elementos transurânicos por irradiação de nêutrons.

A maior vantagem de Fermi talvez tenha sido sua capacidade de simplificar problemas aparentemente complexos a um ponto em que ele pudesse resolvê-los em um guardanapo de mesa ou no verso do envelope. Muitos estudantes de física hoje também tentam imitar e praticar essa habilidade extremamente útil. Fermi morreu em 1954 em seu 53º ano, quem sabe o que ele faria. O elemento Férmio (número atômico 100) foi posteriormente nomeado em sua homenagem.

(veja a matéria original em https://web.archive.org/web/20110302110225/http://oklo.curtin.edu.au/ )
Site da IAEA sobre Oklo: Meet Oklo, the Earth’s Two-billion-year-old only Known Natural Nuclear Reactor | IAEA

Esperamos que tenha gostado!
O CONHECIMENTO EXPANDE SUA MENTE!