Você Nem Sabia – O Fenômeno de Oklo: Reatores nucleares de fissão na Natureza

O Fenômeno de Oklo é uma das mais surpreendentes descobertas do século XX nos campos das geociências e da física nuclear. Na década de 1970, quinze “fósseis” de reatores nucleares de fissão, já inativos há cerca de dois bilhões de anos, foram descobertos no Gabão, ex-colônia francesa na África. Quatorze estão localizados na mina de urânio de Oklo e em um no pequeno depósito de urânio de Bangombé, a 30 km de Oklo. Os reatores de Oklo foram total ou parcialmente minerados e estão alagados. Já o reator de Bangombé, o menor de todos, foi preservado junto com todo o seu depósito de urânio, para estudos científicos relacionados ao comportamento de rejeitos radioativos em ambientes geológicos.

Vista da mina de Oklo, no Gabão (África Ocidental). Ali, há cerca de dois bilhões de anos, um reator nuclear de fissão esteve ativo. Os veios amarelos que aparecem na foto são o minério de urânio. Foto: Robert D. Loss

Mas como se deu este impressionante achado? Em 1972, examinando o minério proveniente de Oklo, cientistas franceses descobriram que ele tinha fração um pouco menor de urânio-235 do que era esperado. O urânio na Terra atual contém 0,720% desse isótopo de massa 235, mas o urânio de Oklo continha 0,717% de urânio-235. Para onde teria ido esta fração de urânio-235, por mínima que seja? Como este isótopo do urânio é usado para fazer bombas atômicas, era muito importante explicar esse fenômeno.

     Foi aí que os cientistas franceses que investigavam o assunto se lembraram de um que antigo estudo (de 1956) do químico nipo-americano Paul Huroda. E veio a resposta: na mina de Oklo, há cerca de dois bilhões de anos atrás, estavam montadas as condições geológicas para que funcionasse um reator natural de fissão. O estoque inicial de urânio-235 teria sofrido um consumo maior que o normal por causa das reações nucleares que ocorreram naquela época remota. Isso explicava os 0,717% da fração em massa do urânio-235 em vez de 0,720%.

     Uma confusão aqui que não pode ser feita: uma coisa é o enriquecimento isotópico do urânio, que é a concentração em massa do urânio-235 em relação ao total do urânio na amostra, denominado abreviadamente de “enriquecimento do urânio”. Outra é o enriquecimento químico do urânio, que diz respeito ao total de urânio contido na amostra. Quando se diz que o minério de Oklo é de “alta qualidade”, isso se refere à alta concentração de urânio (com todos os seus isótopos) nesse minério.

     Há dois bilhões de anos atrás, o enriquecimento do urânio era da ordem de 3,5%, isto é, o urânio natural possuía aproximadamente a mesma percentagem de urânio-235 que o urânio usado em reatores nucleares de potência, como os de Angra dos Reis aqui no Brasil. E nessa época, dentro de uma era geológica denominada Proterozoico, houve um grande aumento do oxigênio na atmosfera, o que favorecia os complexos processos geoquímicos responsáveis pela concentração do urânio responsável pelo minério de urânio de alta qualidade encontrado em na região de Oklo. Foram esses dois fatores, ou seja, enriquecimento do urânio a 3,5% e urânio altamente concentrado, ao lado de outras condições secundárias, que possibilitaram o funcionamento de reatores nucleares na região há, mais precisamente, 1,95 bilhões de anos atrás.

     Embora o urânio fosse ainda mais enriquecido em épocas anteriores a dois bilhões de anos, todavia não estava presente uma concentração de oxigênio na atmosfera suficiente para favorecer os processos geoquímicos que geravam o minério com alta concentração de urânio; por isso não se consegue observar “fósseis” de reatores naturais naquele período. E como o enriquecimento do urânio vai diminuindo naturalmente, pois o urânio-235 se desintegra mais rapidamente que o urânio-238, também não poderiam ocorrer reatores mais recentes que os dois bilhões de anos.

     Esclarecendo: a diminuição da taxa de enriquecimento do urânio natural e aumento da taxa de concentração do oxigênio são processos antagonistas do ponto de vista da formação de reatores nucleares de fissão na Natureza. O seu ponto ótimo foi há cerca de dois bilhões de anos, a idade aproximada dos reatores de Oklo. Portanto, também é óbvio que estes reatores não poderiam operar novamente – mesmo com o minério de alta qualidade que ainda não foi extraído de Bangombé, a taxa de enriquecimento do urânio está muito abaixo da que permitiria a operação do reator.

     Os antigos reatores de Oklo contêm agora minério de urânio de alta qualidade com um alto conteúdo de rejeitos radioativos, os produtos da fissão do urânio-235 e do plutônio-239 em épocas remotas, e os membros finais do seu decaimento. Isso torna estes sítios geológicos semelhantes a locais onde combustíveis nucleares estivessem guardados em um ambiente geológico durante um período muito longo, i. e., dois bilhões de anos.

     Um dos grandes problemas da produção de energia elétrica pela via nuclear é qual deve ser o destino dos rejeitos altamente radioativos e de longuíssima duração. Cogita-se de depositá-los, com todas as medidas de segurança, em ambientes geológicos, como por exemplo cavernas escavadas em montanhas rochosas. A região de Oklo é um lugar onde a própria Natureza já experimentou isso, e portanto este depósito uranífero mereceu e ainda merece ser estudado.

Amostra do minério de urânio proveniente de Oklo. O urânio presente neste minério tem a peculiaridade de conter apenas 0,717% de urânio-235, em vez do normal, 0,720%, que seria esperado no período atual. Foto: Ludovic Ferrière

     Estudando cuidadosamente o que sobrou desses reatores, os cientistas podem dizer com uma boa dose de certeza como eram eles no passado. Durante 150 mil anos de operação, calcula-se que mais de cinco toneladas de urânio-235 foram consumidas e sua potência média era de 150 kW, equivalente à de um reator de pesquisa.

     Muito provavelmente o moderador desses reatores foi a água. (O moderador é que é o responsável pela diminuição da velocidade dos nêutrons – denominada, nesse contexto, “termalização” –, o que aumenta a chance deles serem absorvidos pelos núcleos de urânio-235 e induzirem a emissão de mais nêutrons, permitindo então a reação em cadeia.)

     E, muito provavelmente também, era essa mesma água que era responsável pelo mecanismo autorregulatório que fazia com que esses reatores não se desgovernassem. A temperatura ia aumentando até que a água se evaporava. Isso reduzia a termalização dos nêutrons e desliga a reação em cadeia; essa reação em cadeia era reassumida quando o reator se resfriava e a concentração de água aumentava novamente. Eram pulsos de atividade de 30 minutos intercalados por períodos de dormência de 2,5 horas, o que ficou registrado na “assinatura” que os isótopos de xenônio deixaram em minerais próximos ao núcleo do reator natural.

Por Henrique Davidovich

Setor de Comunicação Social do IEN/CNEN

O autor e o IEN agradecem ao Pesquisador do Serviço Geológico do Brasil (SGB/CPRM), Felipe Tavares, e ao Professor de Química da Escola ORT, Timmon Vargas, pela sua ajuda na elaboração dessa matéria.