A prática da física nuclear é um fenômeno relativamente recente, com apenas 80 anos de existência. Embora muitos associem seu início à Segunda Guerra Mundial, quando as bombas nucleares foram utilizadas em Hiroshima e Nagasaki, a fissão nuclear foi aplicada pela primeira vez em 1942, com a construção do primeiro reator nuclear em Chicago, conhecido como CP-1.
A energia nuclear, considerada o próximo passo na evolução humana na era moderna, introduziu um novo tipo de energia que requer pequenas quantidades de recursos para gerar enormes quantidades de energia de forma contínua ao longo dos anos. A era nuclear pode ter tido sua origem na América, mas foi no Gabão que ocorreu o marco inicial da primeira reação de fissão do mundo. O Gabão destaca-se como um dos países mais prósperos da África Subsaariana, com uma renda per capita quatro vezes superior à de seus vizinhos.
Sua economia é primariamente impulsionada pelo petróleo, seguido pelas exportações de madeira e manganês. Em um curto período, o Gabão também desempenhou um papel na exportação de urânio, a valiosa matéria-prima utilizada em usinas nucleares e armamentos nucleares. Embora as minas tenham sido exauridas nos dias atuais, há quase dois bilhões de anos, a região possuía urânio em abundância, desencadeando reações de fissão nuclear espontânea nas rochas.
O urânio é naturalmente presente na Terra sob a forma de três isótopos, ou variantes que se distinguem pelo número de nêutrons em seus núcleos. A forma predominante é o urânio-238, representando cerca de 99% de todo o urânio do planeta. O urânio-235 constitui aproximadamente 0,72%, e uma parcela muito pequena, em torno de 0,006%, corresponde ao urânio-234. Os três isótopos de urânio são instáveis e exibem fraquíssima radioatividade, sendo que somente o urânio-238 e o urânio-235 são capazes de passar por fissão nuclear. Dentre esses isótopos, o urânio-238 é mais estável, enquanto o urânio-235 possui uma propensão maior para a fissão, tornando-se, consequentemente, o combustível mais comum utilizado nos reatores de energia nuclear.
Fonte da imagem: qaynarinfo.az
Os três isótopos de urânio estão distribuídos de maneira notavelmente uniforme na crosta terrestre, de modo que qualquer minério de urânio extraído atualmente conterá precisamente 0,72 por cento de urânio-235. No entanto, essa concentração é insuficiente para provocar fissão nuclear. O urânio necessita passar por um processo complexo de enriquecimento, que envolve centrífugas e difusão gasosa, para elevar sua concentração para pelo menos 3%. Um reator nuclear convencional requer uma concentração entre 3 e 5% de urânio-235, enquanto uma bomba nuclear exige 90%.
A proporção de urânio-235 em relação ao urânio-238 em minérios tem variado ao longo do tempo devido à radioatividade do urânio, que decai para outros elementos ao longo das eras geológicas. O urânio-238 decai a uma taxa muito mais lenta, com uma meia-vida de 4,5 bilhões de anos, enquanto o urânio-235 tem uma meia-vida de 700 milhões de anos. Isso implica que o urânio-235 estava disponível em concentrações muito mais elevadas no passado do que nos dias de hoje.
Utilizando a meia-vida do urânio-235, é possível estimar as concentrações em diferentes períodos geológicos. Por exemplo, há 700 milhões de anos, a concentração de urânio-235 era o dobro da atual (1,3%), e quatro vezes mais 1,4 bilhão de anos atrás (2,3%). Voltando mais no tempo, a concentração de urânio-235 era quase 4% há dois bilhões de anos e atingiu 17% na época da formação do sistema solar.
Na década de 1950, os cientistas levantaram a hipótese de que, devido à concentração de urânio-235 na crosta terrestre ao longo de milhões de anos, algumas regiões podem ter experimentado fissão nuclear de forma natural, desde que as condições fossem propícias. Em 1956, o físico nipo-americano Paul Kuroda expandiu essa ideia e teorizou sobre as condições necessárias para que a fissão nuclear ocorra espontaneamente e seja sustentada.
Kuroda propôs que, para que a fissão nuclear ocorra naturalmente, a região deve ter uma alta concentração de urânio, e a espessura do minério deve exceder o comprimento médio que os nêutrons indutores de fissão percorrem, cerca de dois terços de um metro. Além disso, deve haver um moderador, algo capaz de retardar os nêutrons produzidos durante as fissões de urânio. Por fim, não deve haver quantidades significativas de elementos absorventes de nêutrons, como prata ou boro, que inibiriam uma reação nuclear auto-sustentável.
Este reator natural foi descoberto dezesseis anos depois, em 1972, no Gabão, quando os franceses estavam realizando operações de mineração de urânio na região, que era uma ex-colônia francesa, para suprir suas usinas nucleares. Durante uma rotineira medição de minério de urânio em uma mina em Oklo, próxima à cidade de Franceville, na província de Haut-Ogooué, no sudeste do Gabão, os franceses notaram uma anomalia: o teor de urânio-235 no minério não era o esperado 0,72%, mas estava abaixo desse valor.
Existe alguma controvérsia sobre a exatidão dos números. Algumas publicações indicam que os minérios extraídos em Oklo tinham uma concentração de urânio-235 de 0,717%, uma diferença insignificante de apenas 0,003%. No entanto, outras fontes sugerem uma diferença mais substancial, com um artigo publicado no “International Journal of Modern Physics” afirmando que os minérios de Oklo continham apenas 0,60% de urânio-235.
Uma análise mais detalhada revelou a presença de vestígios de outros elementos incorporados no minério, cujas porcentagens se assemelhavam fortemente às encontradas no combustível usado gerado por usinas nucleares. Essas descobertas indicavam claramente uma coisa: a mina em Oklo, de onde o urânio foi extraído, experimentou fissão nuclear espontânea em algum momento do passado distante. O urânio-235 no minério foi esgotado porque parte desse urânio foi utilizado durante o processo de fissão.
Após essa descoberta surpreendente, os físicos iniciaram investigações mais aprofundadas nas minas de urânio em Oklo, buscando mais evidências, e eventualmente identificaram pelo menos dezesseis locais dentro dessa região onde a fissão nuclear espontânea havia ocorrido.
Ao longo dos anos subsequentes, os pesquisadores conseguiram desvendar os detalhes de como esses reatores pré-históricos poderiam ter operado. Cerca de 2,4 bilhões de anos atrás, devido à atividade biológica das cianobactérias, o teor de oxigênio na atmosfera da Terra aumentou cem vezes. Isso possibilitou que o urânio fosse convertido de sua forma insolúvel para seu óxido solúvel. A água proveniente de chuvas e fontes naturais dissolveu o urânio e o depositou em camadas de arenito, tornando-se suficientemente concentrado para iniciar uma reação em cadeia.
A água na própria mina desempenhou um papel crítico na manutenção da reação. Ao diminuir a velocidade dos nêutrons ejetados, a água permitiu que eles fossem absorvidos por outros núcleos, desencadeando a fissão. Sem a presença da água, os nêutrons teriam simplesmente escapado dos átomos.
Quando o calor gerado pela fissão nuclear se tornava excessivo, a água fervia, interrompendo a reação. Uma vez que a água retornava, o processo reiniciava. Esses períodos de atividade e inatividade eram provavelmente bastante curtos, com a matemática indicando que os reatores ligavam por cerca de 30 minutos e desligavam por aproximadamente 3 horas. Nesse período teriam sido capazes de gerar aproximadamente 100 quilowatts de energia, o suficiente para acender cerca de mil lâmpadas de uma só vez.
Os reatores no Gabão operaram intermitentemente dessa maneira por provavelmente um milhão de anos ou mais, até que a concentração de urânio se tornasse muito baixa para sustentar as reações. Com base na quantidade de urânio-235 consumido nos reatores, os cientistas estimam que a potência média desses reatores era provavelmente inferior a 100 quilowatts.
Devido à relativa estabilidade do cráton africano, esses antigos reatores naturais permaneceram praticamente inalterados em relação às suas posições originais. Em um caso notável, o plutônio, um dos subprodutos da reação, foi encontrado a menos de 3 metros de distância de onde se formou há dois bilhões de anos. Embora seja possível que reatores nucleares naturais tenham operado em outros locais da Terra ao longo de bilhões de anos, muitos podem ter sido erodidos ou submetidos a processos geológicos que os ocultaram. Os reatores nucleares naturais em Oklo, no Gabão, permanecem verdadeiramente únicos.
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