Por que só um isótopo serve para a fissão?
O urânio natural tem três isótopos: urânio 238, com 99,27 %; urânio 235, com 0,72 %; e um vestígio de urânio 234.
Só o 235 é físsil com neutrões lentos, e a razão está na paridade de neutrões.
O urânio 235 tem 143 neutrões, um número ímpar. Ao capturar mais um forma urânio 236 com 144, um número par, e os núcleos com neutrões emparelhados estão mais ligados. Essa energia de emparelhamento liberta-se ao formar-se o núcleo composto e basta por si só para superar a barreira de fissão: o núcleo parte-se mesmo que o neutrão incidente chegue quase sem energia.
O urânio 238 tem 146 neutrões, um número par. Ao capturar um forma um número ímpar e não ganha essa energia extra. Precisa que o neutrão traga mais de um megaeletrão-volt para sofrer fissão, e num reator os neutrões são deliberadamente travados abaixo disso.
Daí que os 0,72 % sejam o número que governa toda a indústria nuclear.
⚠️ O urânio 238 não é inútil: ao capturar um neutrão converte-se em plutónio 239, que é físsil. Esse processo ocorre continuamente dentro de um reator, e no final do ciclo uma parte apreciável da energia produzida provém de plutónio formado no próprio local.
Por que é tão difícil enriquecê-lo?
Porque os dois isótopos são quimicamente idênticos. Têm 92 eletrões, formam os mesmos compostos e reagem da mesma maneira. Nenhuma separação química funciona.
A única diferença aproveitável é a massa: 235 contra 238, 1,3 %.
O método atual é a centrifugação. O urânio é convertido em hexafluoreto, UF₆, único composto de urânio que é gasoso a temperatura moderada. O gás é introduzido em cilindros que giram a dezenas de milhares de rotações por minuto; as moléculas mais pesadas deslocam-se ligeiramente mais para a parede.
O efeito por centrifugadora é minúsculo. Para passar de 0,72 % a 4 % são precisas milhares de máquinas ligadas em cascata, e para chegar aos 90 % muitas mais.
Essa dificuldade é a principal barreira técnica à proliferação nuclear, e a razão de os programas de enriquecimento estarem sujeitos a vigilância internacional. O fluoreto foi escolhido além disso porque o flúor tem um único isótopo estável: qualquer outro elemento acrescentaria a sua própria variação de massa e arruinaria a separação.
O método anterior, a difusão gasosa, consumia quantidades enormes de eletricidade e foi abandonado.
O que aconteceu em Oklo?
Em 1972, uma análise de rotina de urânio proveniente de uma mina do Gabão mostrou 0,717 % de urânio 235 em vez dos 0,720 % universais. A diferença era pequena mas impossível: a composição isotópica do urânio natural é constante em toda a Terra e nos meteoritos.
A explicação acabou por ser que aquele urânio já tinha sido usado.
Há cerca de 1 700 milhões de anos, o urânio 235 — cujo período de 704 milhões de anos é muito mais curto do que o do 238 — representava perto de 3 % do urânio natural, a mesma proporção que hoje se procura artificialmente num reator.
Em Oklo, um jazigo excecionalmente rico foi infiltrado por água subterrânea. A água atuou como moderador, travando os neutrões o suficiente para sustentar uma reação em cadeia.
O sistema autorregulou-se. Quando a reação aquecia a água até a fazer ferver, perdia-se o moderador e a reação parava; ao arrefecer e voltar a água, recomeçava. As análises sugerem ciclos de cerca de três horas, mantidos de forma intermitente durante centenas de milhares de anos.
⚠️ Oklo é também uma experiência natural sobre armazenamento de resíduos: os produtos de fissão ali gerados quase não migraram em dois mil milhões de anos, o que fornece informação sobre o confinamento geológico a muito longo prazo.
Que relação tem com o calor da Terra?
O interior do planeta está quente por dois motivos: o calor residual da sua formação e a desintegração radioativa.
A contribuição radioativa provém quase inteiramente do urânio 238, do tório 232 e do potássio 40, os três isótopos com períodos comparáveis à idade da Terra. Os de vida curta esgotaram-se há muito.
O fluxo de calor geotérmico total ronda os 47 terawatts, e as estimativas atribuem aproximadamente metade à desintegração radioativa.
Sem essa fonte contínua, o interior ter-se-ia arrefecido até solidificar. Sem manto convectivo não há tetónica de placas, e sem núcleo externo líquido não há dínamo nem campo magnético.
A deteção de geoneutrinos — antineutrinos emitidos nas desintegrações beta do interior terrestre — por detetores como o KamLAND e o Borexino permitiu medir diretamente essa contribuição, confirmando a ordem de grandeza.
Como se extrai e em que estado está a indústria?
O urânio está disperso na crosta a cerca de 2,7 partes por milhão, mais abundante do que a prata ou o mercúrio. Os jazigos exploráveis têm teores que vão de 0,1 % até, excecionalmente, mais de 15 % na bacia de Athabasca, no Canadá.
O Cazaquistão é hoje o maior produtor, seguido pelo Canadá, pela Namíbia e pela Austrália. Boa parte da produção cazaque emprega lixiviação in situ: bombeia-se solução para o jazigo, dissolve-se o urânio e recupera-se à superfície sem escavar.
O urânio é processado até se obter concentrado — o chamado bolo amarelo —, convertido em hexafluoreto, enriquecido, reconvertido em óxido e fabricado em pastilhas cerâmicas empilhadas dentro de bainhas metálicas.
⚠️ Uma pastilha de cerca de sete gramas contém aproximadamente a energia de uma tonelada de carvão. Essa densidade energética é a razão de a fissão continuar relevante apesar dos problemas de resíduos, de custo de capital e de perceção pública que arrasta desde Chernobil e Fukushima.