domingo, 11 de outubro de 2015

O funcionamento de um reator nuclear antiga

Dois bilhões de anos atrás partes de um depósito de urânio Africano sofreu espontaneamente a fissão nuclear. Os detalhes desse fenômeno notável só agora estão se tornando claro
Em maio de 1972, um trabalhador em uma fábrica de processamento de combustível nuclear na França percebeu algo suspeito. Ele tinha vindo a realizar uma análise de rotina de urânio a partir de uma fonte derivada aparentemente normal de minério. Como é o caso com todas urânio natural, o material sob estudo continha três isotopes- isto é, com três formas diferentes massas atómicas: Urânio 238, a variedade mais abundante; de urânio 234, o mais raro; e urânio 235, o isótopo que é cobiçada, pois pode sustentar uma reação nuclear em cadeia
Tradução Google
Em maio de 1972, um trabalhador em uma fábrica de processamento de combustível nuclear na França percebeu algo suspeito.
Ele tinha vindo a realizar uma análise de rotina de urânio a partir de uma fonte derivada aparentemente normal de minério. Como é o caso com todas urânio natural, o material sob estudo continha três isotopes- isto é, com três formas diferentes massas atómicas: Urânio 238, a variedade mais abundante; de urânio 234, o mais raro; e urânio 235, o isótopo que é cobiçada, pois pode sustentar uma reação nuclear em cadeia. Em outros lugares da crosta terrestre, na Lua e mesmo em meteoritos, urânio 235 átomos compõem 0,720 por cento do total. Mas nessas amostras, que vinham do depósito de Oklo no Gabão (uma antiga colônia francesa na África Ocidental equatorial), urânio 235 constituído apenas 0,717 por cento. Essa pequena discrepância foi suficiente para alertar os cientistas franceses que algo estranho havia acontecido. Outras análises mostraram que o minério de pelo menos uma parte da mina tinha bem pouco urânio 235: alguns 200 kg parecia ser faltando- suficiente para fazer meia dúzia de bombas nucleares.

Durante semanas, especialistas do Atomic Comissão Francesa de Energia (CEA) manteve-se perplexo. A resposta veio apenas quando alguém se lembrou de uma previsão publicada 19 anos antes. Em 1953, George W. Wetherill, da Universidade da Califórnia em Los Angeles e Mark G. Inghram da Universidade de Chicago apontou que alguns depósitos de urânio poderiam ter operado uma vez que as versões naturais dos reatores de fissão nuclear que foram, então, tornar-se popular. Pouco tempo depois, Paul K. Kuroda, um químico da Universidade de Arkansas, calculado que seria necessário para um corpo uraniumore espontaneamente a sofrer fissão selfsustained. Neste processo, um neutrão estática provoca um núcleo de urânio 235 para dividir, o que dá mais neutrões, fazendo com que os outros destes átomos para quebrar numa reacção em cadeia nuclear.

Primeira condição de Kuroda era que o tamanho do depósito de urânio deve exceder o comprimento médio que neutrões de fissão de indução de viajar, cerca de dois terços de um metro. Este requisito ajuda a assegurar que os neutrões emitidos por um núcleo de fissão são absorvidos por outro antes de escapar da veia urânio.

Um segundo requisito é que o urânio 235 deve estar presente em abundância suficiente. Hoje mesmo o depósito mais maciço e concentrado de urânio não pode se tornar um reator nuclear, porque a concentração de urânio 235, a menos de 1 por cento, é muito baixa. Mas este isótopo é radioativo e decai cerca de seis vezes mais rápido do que o urânio 238, o que indica que a fração físsil foi muito maior no passado distante. Por exemplo, dois bilhões de anos atrás (sobre quando o depósito de Oklo formada) de urânio 235 deve ter constituído aproximadamente 3 por cento, o que é aproximadamente o nível previsto artificialmente no urânio enriquecido usado para abastecer a maioria das centrais nucleares.

O terceiro ingrediente importante é um "moderador", nêutron uma substância que pode retardar os nêutrons liberados quando um núcleo de urânio se divide de modo que eles são mais propensos a induzir outros núcleos de urânio a quebrar. Finalmente, não deve haver quantidades significativas de boro, lítio ou outros chamados venenos, que absorvem nêutrons e seria, portanto, trazer qualquer reação nuclear a uma parada rápida.

Surpreendentemente, as reais condições que prevaleciam dois bilhões de anos atrás, em que os pesquisadores finalmente determinado a ser de 16 áreas separadas dentro do Oklo e minas de urânio Okelobondo adjacentes foram muito próximo ao que Kuroda delineado. Estas zonas foram todos identificados décadas atrás. Mas só recentemente fez os meus colegas e eu finalmente esclarecer os principais detalhes do que exatamente se passava dentro de um desses reatores antigos.

Prova no Elements Luz
Os físicos confirmou a idéia básica de que reações de fissão naturais foram responsáveis ​​pela depleção de urânio 235 em Oklo bastante logo após o urânio anômalo foi descoberto. Prova indiscutível veio de um exame dos novos elementos mais leves, criados quando um núcleo pesado é quebrado em dois. A abundância desses produtos de fissão se mostrou tão alta que nenhuma outra conclusão pode ser tirada. A reacção em cadeia nuclear muito parecido com o que Enrico Fermi e seus colegas demonstraram famosa em 1942 tinha certamente ocorrido, tudo por conta própria e cerca de dois mil milhões de anos antes.

Pouco depois dessa descoberta surpreendente, os físicos de todo o mundo estudaram as evidências para esses reatores nucleares naturais e juntaram-se para partilhar o seu trabalho sobre "o fenômeno de Oklo" em um 1975 conferência especial realizada em Libreville, capital do Gabão. No ano seguinte, George A. Cowan, que representou os EUA nessa reunião (e que, aliás, é um dos fundadores do renomado Instituto Santa Fé, onde ele ainda é filiado), escreveu um artigo para o Scientific American [ver "A Natural Cisão Reactor ", de George A. Cowan, julho 1976] em que explicava o que os cientistas já havia presumido sobre o funcionamento destes reactores antigos.

Cowan descreveu, por exemplo, como alguns dos nêutrons liberados durante a fissão do urânio 235 foram capturados pelo urânio mais abundante 238, que tornou-se o urânio 239 e, depois de emitir dois elétrons, transformado em plutônio 239. Mais de duas toneladas de plutónio este isótopo foram gerados dentro do depósito de Oklo. Embora quase todo esse material, que tem uma meia-vida de 24.000 anos, desapareceu desde então (principalmente através do decaimento radioativo natural), alguns do próprio plutônio fissão foram submetidos, como atestado pela presença de seus produtos de fissão característicos. A abundância desses elementos mais leves permitiu aos cientistas deduzir que reações de fissão deve ter ido por centenas de milhares de anos. A partir da quantidade de urânio 235 consumida, eles calcularam a energia total liberada, 15.000 megawatts-ano, e deste e outros elementos de prova foram capazes de exercitar a saída de potência média, o que foi, provavelmente, a menos de 100 quilowatts-dizer, o suficiente para executar um algumas dezenas de torradeiras.

É verdadeiramente surpreendente que mais de uma dezena de reatores naturais surgiram espontaneamente à existência e que conseguiu manter uma potência modesta por talvez algumas centenas de milênios. Por que é que essas partes do depósito não explodir e destruir-se logo após as reações nucleares em cadeia começou? O mecanismo previsto a necessária auto-regulação? Será que esses reatores funcionar firmemente ou aos trancos e barrancos? As soluções para esses enigmas emergiu lentamente após a descoberta inicial do fenômeno Oklo. Na verdade, a última pergunta permaneceu por mais de três décadas antes de eu e meus colegas da Universidade de Washington em St. Louis começou a dirigir-se ao examinar um pedaço desse minério Africano enigmático.

Noble-Gas Epiphanies
Nosso trabalho recente sobre um dos reatores de Oklo centradas em uma análise de xenônio, um gás inerte pesado, que pode ficar preso dentro de minerais por bilhões de anos. Xenon possui nove isótopos estáveis, produzidas em várias proporções por diferentes processos nucleares. Sendo um gás nobre, que resiste a ligação química com outros elementos e é, portanto, fácil de purificar para análise isotópica. Xenon é extremamente rara, que permite que os cientistas usam para detectar e rastrear reações nucleares, mesmo aqueles que ocorreram em meteoritos primitivos antes do sistema solar entrou em existência.

Para analisar a composição isotópica do xenônio requer um espectrômetro de massa, um instrumento que pode separar átomos de acordo com o seu peso atômico. Tive a sorte de ter acesso a um espectrômetro de massa xenon extremamente precisa, uma construída pelo meu colega Charles M. Washington Hohenberg. Mas antes de usar o seu aparelho, tivemos que extrair o xenon da nossa amostra. Os cientistas geralmente apenas aquecer o material hospedeiro, muitas vezes acima do ponto de fusão, de modo que a rocha perde a sua estrutura cristalina e não pode manter a sua esconderijo de xénon. Para recolher uma maior informação sobre a gênese ea retenção desse gás, adotamos uma abordagem mais delicada chamado extração a laser, que libera xenon seletivamente a partir de um único grão mineral, deixando áreas adjacentes intacta.

Nós aplicamos essa técnica para muitos pequenos pontos em nosso fragmento disponível solitário de Oklo rock, apenas um milímetro de espessura e quatro milímetros de diâmetro. Claro, primeiro precisava decidir onde exatamente para apontar o feixe de laser. Aqui Hohenberg e eu confiei em nosso colega Olga Pravdivtseva, que havia construído um mapa detalhado raio-X da nossa amostra e identificados os minerais constituintes. Após cada extracção, que o gás purificado resultante e passou o xénon dentro do espectrómetro de massa Hohenberg, que indicado o número de átomos de cada isótopo presente.

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A primeira surpresa foi o local do xénon. Não era, como esperávamos, encontrado de forma significativa nos grãos minerais ricos em urânio. Em vez a parte do leão foi preso em minerais de fosfato de alumínio, que não contêm urânio em tudo. Notavelmente, estes grãos mostrou a mais elevada concentração de xenon já encontrada em qualquer material natural. A segunda epifania era que o gás extraído tinha uma composição isotópica significativamente diferente do que normalmente é produzido em reatores nucleares. Ele tinha aparentemente perdido uma grande parte do xenônio-136 e 134 que certamente teria sido criada a partir da cisão, que as variedades mais leves do elemento foram modificadas, em menor medida.

Como pode tal mudança na composição isotópica surgiram? As reacções químicas não faria o truque, porque todos os isótopos são quimicamente idênticos. Talvez reações nucleares, tais como captura de nêutrons? A análise cuidadosa permitiu meus colegas e me rejeitar essa possibilidade também. Consideramos também a classificação física dos diferentes isótopos que às vezes acontece: átomos mais pesados ​​mover um pouco mais lentamente do que suas contrapartes mais leves e podem, assim, separar, por vezes, a partir deles. Plantas-industriais de enriquecimento de urânio instalações que requerem habilidade considerável para fabricada para tirar proveito dessa propriedade para produzir combustível de reator. Mas mesmo que a natureza poderia milagrosamente criar um processo semelhante em escala microscópica, a mistura de isótopos de xenônio nos grãos de fosfato de alumínio que estudamos teria sido diferente do que encontramos. Por exemplo, medida em relação à quantidade de xénon 132 presente, a depleção de xénon 136 (sendo quatro unidades de massa atómica mais pesado) teria sido duas vezes superior à de xénon 134 (duas unidades de massa atómica mais pesado) se triagem física tinha operado. Nós não vimos esse padrão.

Nosso entendimento da composição anômala do xenônio só veio depois nós pensamos mais sobre como este gás nasceu. Nenhum dos isótopos de xenônio que medidas foram o resultado direto de fissão do urânio. Ao contrário, eles eram os produtos da decomposição de isótopos radioactivos de iodo, que por sua vez foram formados a partir de telúrio radioactivos e assim por diante, de acordo com uma sequência conhecida de reacções nucleares que dá origem a xenon estável.

A nossa visão fundamental foi a percepção de que diferentes isótopos de xenônio na nossa amostra de Oklo foram criados em vezes- diferente seguindo um cronograma que dependia das meias-vidas de seus pais e avós de iodo telúrio. Quanto mais tempo um precursor radioativo vive especial, a formação mais xenon partir dele é realizada fora. Por exemplo, a produção de xénon 136 começou a Oklo apenas cerca de um minuto após o início da fissão auto-sustentada. Uma hora mais tarde o próximo isótopo estável mais leve, xenônio 134, apareceu. Então, alguns dias após o início da fissão, xenônio 132 e 131 entrou em cena. Finalmente, depois de milhões de anos, e bem depois que as reações nucleares em cadeia terminada, xenônio 129 formados.

Tinha o depósito de Oklo permaneceu um sistema fechado, o xénon acumulada durante a operação dos seus reactores naturais teria preservado a composição isotópica normais produzidos por fissão. Mas os cientistas não têm razão para pensar que o sistema foi fechado. De fato, há bons motivos para suspeitar o contrário. A evidência vem de uma consideração do simples fato de que os reatores de Oklo de alguma forma-se regulamentada. O mecanismo mais provável envolve a acção das águas subterrâneas, a qual presumivelmente evaporou depois da temperatura ter atingido um certo nível crítico. Sem água presente para agir como um moderador de neutrões, as reações nucleares em cadeia teria cessado temporariamente. Somente depois que as coisas esfriaram e das águas subterrâneas suficiente, uma vez mais permeado a zona de reacção poderia fissão currículo.

Este retrato de como os reatores de Oklo provavelmente trabalhou destaca dois pontos importantes: muito provável que pulsava dentro e fora de alguma forma, e grandes quantidades de água devem ter sido movendo-se através destas rochas, o suficiente para lavar alguns dos precursores de xenônio, telúrio e iodo, que são solúveis em água. A presença de água também ajuda a explicar por que a maior parte do xenon agora reside em grãos de fosfato de alumínio em vez de nos minerais de urânio rico, onde a fissão criados primeira esses precursores radioativos. O xenônio não simplesmente migrar de um conjunto de minerais preexistentes para outro, é improvável que minerais de fosfato de alumínio estavam presentes antes dos reactores Oklo começou a operar. Em vez disso, esses grãos de fosfato de alumínio provavelmente formado no lugar através da acção da água nuclear-aquecida, uma vez que tinha arrefecido para cerca de 300 graus Celsius.

Durante cada período de funcionamento activo de um reactor Oklo e durante algum tempo depois disso, enquanto a temperatura se manteve elevado, a maior parte do gás de xenon (incluindo xénon 136 e 134, que foram gerados de forma relativamente rápida) foi expelida. Quando o reactor arrefecido, os precursores de xenônio de vida mais longa (aqueles que mais tarde iria desovar xenon 132, 131 e 129, que encontramos em abundância relativa) foram preferencialmente incorporados em grãos crescentes de fosfato de alumínio. Então, à medida que mais água devolvida à zona de reacção, tornou-se adequadamente moderadas neutrões de fissão e retomou, permitindo que o ciclo de aquecimento e arrefecimento para repetir. O resultado foi a segregação de isótopos de xenônio peculiar nós descoberto.

Não é totalmente óbvio que forças mantido este xenon dentro dos minerais de fosfato de alumínio por quase metade da vida do planeta. Em particular, foi por isso que o xenônio gerado durante um determinado pulso operacional não expulso durante o próximo? Presumivelmente, ele ficou preso na estrutura cagelike dos minerais de fosfato de alumínio, que foram capazes de segurar o gás xenônio criado dentro deles, mesmo em altas temperaturas. Os detalhes permanecem distorcido, mas o que quer que as respostas finais são, uma coisa é clara: a capacidade de fosfato de alumínio para capturar xenônio é realmente incrível.

Horário de funcionamento da natureza
Depois de meus colegas e eu tinha trabalhado para fora de uma forma geral como o conjunto observado de isótopos de xenônio foi criado dentro dos grãos de fosfato de alumínio, buscou-se modelar o processo matematicamente. Este exercício revelou muito sobre o tempo de operação do reator, com todos os isótopos de xenônio fornecendo praticamente a mesma resposta. O reactor Oklo foram estudados tinham "ligado" durante 30 minutos, e "off" para, pelo menos, 2,5 horas. O padrão não é diferente o que se vê em alguns gêiseres, que lentamente se aquecer, ferver fora de seu suprimento de água subterrânea em uma exibição espetacular, de recarga, e repetir o ciclo, dia após dia, ano após ano. Esta semelhança apoia a noção de que não só as águas subterrâneas que passa através do depósito de Oklo era um moderador de nêutrons, mas também que a sua ebulição de distância, às vezes responsável pela auto-regulação que protegia esses reatores naturais da destruição. A este respeito, foi extremamente eficaz, permitindo que nem um único colapso ou explosão durante centenas de milhares de anos.

Alguém poderia imaginar que os engenheiros que trabalham na indústria de energia nuclear poderiam aprender uma coisa ou duas de Oklo. E eles certamente podem, mas não necessariamente sobre o projeto do reator. As lições mais importantes podem ser sobre como lidar com os resíduos nucleares. Oklo, afinal, serve como uma boa analogia para um repositório geológico de longo prazo, razão pela qual os cientistas examinaram em detalhes como os vários produtos de fissão migraram longe destes reatores naturais ao longo do tempo. Eles também examinaram uma zona similar de fissão nuclear antiga encontrada em poços exploratórios perfurados em um local chamado Bangombe, localizado a cerca de 35 km de distância. O reator Bangombe é de especial interesse porque foi mais rasa do que aqueles enterrados desenterrados nas minas de Oklo e Okelobondo e, portanto, teve mais se movendo através dele nos últimos tempos água. Ao todo, as observações aumentar a confiança que muitos tipos de resíduos nucleares perigoso pode ser seqüestrado com sucesso subterrâneo.

Oklo também demonstra uma maneira de armazenar algumas formas de resíduos nucleares que já foram pensadas para ser quase impossível para evitar que contaminem o meio ambiente. Desde o advento da geração de energia nuclear, enormes quantidades de xenônio 135 radioativo, criptônio 85 e outros gases inertes que as usinas nucleares geram ter sido liberado para a atmosfera. Reatores de fissão da natureza sugerem a possibilidade de bloquear os resíduos de produtos de distância em minerais de fosfato de alumínio, que têm uma capacidade única de capturar e reter esses gases por bilhões de anos.

Os reatores de Oklo também podem ensinar os cientistas sobre possíveis mudanças no que foi anteriormente pensado para ser uma constante física fundamental, a um chamado _ (alfa), que controla tais quantidades universais como a velocidade da luz [ver "Inconstant Constantes", de John D. Barrow e John K. Webb; Scientific American, Junho]. Durante três décadas, o de dois bilhões de anos de idade Oklo fenômeno tem sido usado para argumentar contra _ ter mudado. Mas no ano passado Steven K. Lamoreaux e Justin R. Torgerson de Los Alamos National Laboratory baseou-se em Oklo a posição de que esta "constante" tem, de fato, variou significativamente (e, curiosamente, no sentido oposto do que outros propuseram recentemente ). Cálculos Lamoreaux e Torger filho de depender de certos detalhes sobre como Oklo operado e, nesse contexto, o trabalho os meus colegas e eu tenho feito pode ajudar a elucidar esta questão desconcertante.

Foram estes reatores antigos no Gabão os únicos nunca ter se formado sobre a terra? Dois bilhões de anos atrás as condições necessárias para a fissão auto-sustentável não deve ter sido, por isso, talvez outros reactores naturais muito raros, um dia, ser descoberto. Espero que algumas mechas reveladores de xenon poderia ajudar imensamente nessa busca.
Fonte:Scientifc American

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