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O reator nuclear que funcionou sozinho por centenas de milhares de anos
Em Oklo, no Gabão, veios de urânio sustentaram fissão em cadeia 1,7 bilhão de anos atrás, com água de chuva no papel de moderador.
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Veio de urânio exposto na mina de Oklo
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Em maio de 1972, o químico Francis Perrin e a equipe do Comissariado de Energia Atômica da França mediram a composição de um lote de hexafluoreto de urânio na usina de Pierrelatte e encontraram 0,717% de urânio-235. Todo urânio natural já medido até ali, na crosta terrestre, nas rochas trazidas da Lua e nos meteoritos, trazia 0,7202%. O desvio aparecia na terceira casa decimal, e mesmo assim disparou uma investigação: parte do urânio-235 daquele carregamento tinha desaparecido antes de chegar à França.
O material vinha da mina de Oklo, na província do Haut-Ogooué, no sudeste do Gabão. A equipe francesa voltou ao depósito, mediu veio por veio e achou amostras com 0,44% de urânio-235. Faltavam cerca de 200 quilos do isótopo no minério do lugar, e nenhuma explicação geológica comum dava conta do sumiço.
A resposta apareceu quando alguém procurou os restos. Nas amostras empobrecidas estavam neodímio, samário, rutênio e criptônio em proporções isotópicas que não existem na natureza e são a assinatura de urânio partido. O urânio-235 de Oklo tinha sido queimado num reator nuclear, e o reator era o próprio depósito.
Nenhum ser humano estava por perto quando aquilo aconteceu. O evento é datado em 1,7 bilhão de anos, uma época em que a vida na Terra ainda se resumia a organismos unicelulares e o oxigênio atmosférico tinha acabado de aparecer. Um físico da Universidade de Arkansas chamado Paul Kuroda tinha calculado essa possibilidade em 1956, no Journal of Chemical Physics, e listado as condições exatas para uma jazida de urânio virar reator sem ajuda de ninguém. Dezesseis anos depois, o Gabão entregou a jazida que cumpria a lista inteira.
O que torna Oklo mais estranho que um acidente afortunado é a mecânica dela. A reação não rodou em regime constante. Ela pulsava, com um ciclo cronometrado por um relógio químico que ficou preso na rocha e só foi lido em 2004.
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I O Mecanismo
A água de chuva que ligava e desligava o veio
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Um reator precisa de três ingredientes: combustível físsil concentrado, um moderador que freie os nêutrons até a velocidade em que eles quebram novos núcleos, e ausência de substâncias que engulam nêutrons sem devolver nada. Oklo reuniu os três por acidente geológico, e a janela de tempo em que isso era possível já fechou.
O primeiro ingrediente é uma questão de calendário. O urânio-235 decai com meia-vida de 704 milhões de anos, e o urânio-238 com meia-vida de 4,47 bilhões. O isótopo que interessa some seis vezes mais rápido, então o urânio da crosta vai ficando pobre com o passar do tempo. Rebobinando 1,7 bilhão de anos, o urânio natural da Terra tinha por volta de 3,1% de urânio-235, praticamente a mesma dosagem do combustível enriquecido que abastece as usinas comerciais de hoje. Qualquer jazida daquela época já saía do chão com grau de reator.
O segundo ingrediente foi entregue pela atmosfera. O Grande Evento de Oxidação encheu o ar de oxigênio livre algumas centenas de milhões de anos antes, e o urânio oxidado se dissolve na água em forma de íon uranila. A água subterrânea passou a lavar o urânio disperso pelo arenito da região e a carregá-lo. Onde o fluxo encontrou matéria orgânica e um ambiente sem oxigênio, o urânio voltou a precipitar e se acumulou em camadas de poucos metros de espessura, com teores que chegam a 20% e, em pontos isolados do delta fóssil de Oklo, ultrapassam metade da massa da rocha.
O terceiro ingrediente é a mesma água. Nêutron recém-nascido de uma fissão viaja rápido demais para partir outro núcleo de urânio-235 com eficiência: precisa colidir várias vezes com átomos leves e perder energia antes. O hidrogênio da água que encharcava os poros do arenito fez esse trabalho, exatamente como a água pressurizada faz no circuito primário de uma usina moderna. Os veios de Oklo eram porosos e permanentemente inundados.
Com os três reunidos, o depósito atingiu a criticalidade e começou a esquentar. Daí em diante entra a parte que ninguém tinha previsto. A água aquecida acabou fervendo e saiu dos poros na forma de vapor, o moderador desapareceu junto, os nêutrons voltaram a viajar rápido demais e a reação parou sozinha. A rocha então esfriou, a água subterrânea encharcou os poros de novo, e a reação recomeçou. O sistema oscilava em torno da própria temperatura, com um mecanismo de segurança que nenhum engenheiro instalou.
O ritmo desse pulso foi cronometrado. Alex Meshik, Charles Hohenberg e Olga Pravdivtseva, da Universidade Washington em St. Louis, publicaram em 2004 na Physical Review Letters a medição dos isótopos de xenônio presos em grãos de fosfato de alumínio do núcleo de Oklo. O padrão de retenção do gás só fecha com um regime de aproximadamente 30 minutos de reação seguidos de cerca de 2 horas e 30 minutos de pausa para o resfriamento. Cada núcleo respirava.
A potência era modesta e a duração não. As estimativas colocam a operação média em torno de 100 quilowatts, sustentada por algo entre 150 mil e algumas centenas de milhares de anos, até o urânio-235 local cair abaixo do limiar que mantém a cadeia de pé.
Os números do fenômeno:
| U-235 no urânio de hoje: | 0,7202% | | Medido em Oklo: | até 0,44% | | U-235 há 1,7 bilhão de anos: | cerca de 3,1% | | Ciclo ligado: | cerca de 30 minutos | | Ciclo desligado: | cerca de 2h30 | | Potência média: | cerca de 100 kW | | Núcleos conhecidos: | 16 |
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II Por que Importa
O depósito que virou banco de ensaio do lixo nuclear
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O caso de Oklo mudou a discussão sobre armazenamento de resíduo radioativo porque entregou um experimento com duração que nenhum laboratório consegue reproduzir. A pergunta central de um repositório geológico é simples de formular e impossível de testar em escala humana: o plutônio e os produtos de fissão enterrados hoje vão continuar onde foram colocados daqui a dezenas de milhares de anos?
Oklo respondeu com dados de 1,7 bilhão de anos de arquivo. François Gauthier-Lafaye, Philippe Holliger e Paul-Louis Blanc publicaram em 1996, na Geochimica et Cosmochimica Acta, o mapeamento dos elementos gerados pela fissão nos núcleos gaboneses. A maior parte dos produtos pesados, incluindo o plutônio formado dentro dos veios, ficou retida na própria estrutura mineral e nas argilas ao redor, deslocando-se poucos metros ao longo de toda a idade do depósito, sob água corrente e clima tropical.
"Uma reação em cadeia autossustentada pode ocorrer numa jazida de urânio quando as dimensões do corpo de minério excedem o percurso médio de escape dos nêutrons." Paul K. Kuroda, The Journal of Chemical Physics, 1956 |
A retenção não foi total, e o que vazou também informa o projeto de repositório. Elementos que não entram bem na rede cristalina dos minerais, como iodo e gases nobres, escaparam cedo. Estrôncio e césio migraram. O que ficou traça uma linha entre a família de resíduos que a geologia segura e a família que exige barreira de engenharia, e essa linha veio de medição, não de simulação.
Há um segundo uso, mais abstrato e mais ambicioso. Alexander Shlyakhter propôs em 1976, na Nature, tratar Oklo como um relógio para testar se as constantes fundamentais da física mudaram ao longo do tempo. O argumento passa pelo samário-149, que captura nêutrons numa ressonância nuclear estreitíssima. Se a constante de estrutura fina fosse diferente naquela época, a ressonância estaria em outra posição, e a proporção de samário-149 queimado no minério de Oklo seria outra. Thibault Damour e Freeman Dyson refizeram a conta em 1996, no Nuclear Physics B, e chegaram a um limite estreito para qualquer variação.
Oklo também encerra uma pretensão. A fissão em cadeia é uma configuração de matéria que a natureza montou antes de existir qualquer engenheiro: Enrico Fermi acendeu a pilha de Chicago em dezembro de 1942 e recriou, com grafite e blocos de urânio, um arranjo que a crosta terrestre já tinha executado sozinha.
O que não se repete é a matéria-prima. O urânio-235 da crosta caiu para 0,72% e nenhuma jazida do planeta consegue mais sustentar uma cadeia com água comum como moderador. Oklo foi possível numa janela geológica que já se fechou, e o Gabão guarda o único registro conhecido dela.
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