Imagens de átomos de césio radioativos capturadas pela primeira vez em amostras ambientais de Fukushima

Grandes sacos de resíduos radioativos empilhados na província de Fukushima — foto de 2016. 

Treze anos após o desastre nuclear na usina nuclear de Fukushima, no Japão, cientistas obtiveram pela primeira vez imagens diretas de átomos radioativos de césio em amostras ambientais, provavelmente de um ou mais reatores da usina de Fukushima-1. Esse resultado foi obtido através da análise de materiais radioativos chamados "polucitos", que se formam no interior de reatores danificados. Os resultados obtidos são dados valiosos que ajudarão a resolver os problemas associados ao descarte de resíduos nucleares.

Em março de 2011, um desastre nuclear ocorreu na usina nuclear de Fukushima-1 devido a um tsunami causado por um terremoto de magnitude 9,1. Uma onda de 15 metros atingiu diretamente a usina, desativando os sistemas de resfriamento do reator, as fontes de energia de emergência e as piscinas para armazenamento de combustível radioativo. Essas falhas levaram à fusão do núcleo em três reatores e ao superaquecimento do tanque de descontaminação do quarto reator.

Como resultado do acidente, uma enorme área de mais de um milhão de quilômetros quadrados foi submetida à contaminação radioativa, desde a parte da zona marítima adjacente à usina até o centro de Tóquio.

Após o acidente, inúmeros esforços de descontaminação foram feitos. No entanto, apesar da diminuição das doses radiológicas na maioria das áreas contaminadas, permanecem preocupações com a persistência e o conteúdo de césio radioativo (Cs) no ambiente. Atualmente, esse elemento domina em áreas contaminadas, pois sua meia-vida é de 30,1 anos.

Para otimizar o combate ao Cs radioativo, a pesquisa está focada na compreensão das propriedades dos resíduos de combustível (uma mistura de combustível nuclear fundido e materiais estruturais) encontrados no interior de reatores danificados. Grandes quantidades de Cs radioativos se acumulam na forma de partículas. Chamadas de micropartículas de alto Cs (CsMP), elas são semelhantes em composição ao vidro e são pouco solúveis. Eles são formados no fundo dos reatores quando o combustível fundido interage com o concreto.

Uma vez formados, os CsMPs são liberados dos reatores para o meio ambiente. Portanto, eles devem ser cuidadosamente removidos e descartados. No entanto, as propriedades físico-químicas dessas partículas permanecem obscuras, dificultando os esforços para recuperá-las.

Como parte de seu novo estudo, publicado recentemente no Journal of Hazardous Materials, uma equipe internacional de pesquisadores aprofundou significativamente nossa compreensão dos CsMPs ao visualizar os átomos de CsMP radioativos que eles contêm pela primeira vez. "Estamos confiantes em demonstrar o ressurgimento do Cs, associado a materiais emitidos pelos reatores de Fukushima", explica um dos autores do estudo, Gareth Lowe, da Universidade de Helsinque (Finlândia), em um comunicado à imprensa.

Esquerda: Modelos de estrutura pollucita. Direita: Imagem direta de átomos Cs aparecendo como pontos brilhantes (circulados na imagem). Cerca de metade dos átomos de Cs na estrutura são radioativos.

Comportamento diferente de outras precipitações radioativas de césio

A fim de avaliar o grau e os mecanismos de fusão, os pesquisadores realizaram previamente uma caracterização mais ou menos detalhada da CsMP. No entanto, nenhuma varredura direta em escala atômica foi realizada até o momento. "Isso significa que não temos informações completas sobre a forma química do Cs em partículas de combustível e detritos", diz Lowe.

Embora o Cs cubra essas partículas em concentrações relativamente altas, elas permanecem muito baixas para imagens em escala atômica baseadas em microscopia eletrônica. Por outro lado, quando Cs é detectado em concentrações suficientemente altas, os feixes de elétrons usados para a obtenção de imagens danificam as amostras.

Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa usou microscopia eletrônica de varredura de alta resolução, microscopia eletrônica de varredura circular de campo escuro de grande angular (HR-HAADF-STEM). Depois de analisar os CsMPs, eles descobriram que eles eram revestidos com um mineral do tipo zeólita (cristais formados por um esqueleto microporoso de aluminossilicato) chamado pollucita. Se na natureza a polucite é geralmente rica em alumínio, então na CsMP é rica em ferro.

"O polucito em CsMP foi claramente diferente do natural, indicando que ele foi formado em reatores. [E como sabíamos que a maior parte do Cs em CsMP é produzida por fissão, pensamos que a análise de polucitos poderia fornecer as primeiras imagens diretas de átomos de Cs radioativos", diz Lowe. Deve-se notar que as zeólitas tornam-se amorfas sob a influência de um feixe de elétrons, mas esse dano é devido à composição do mineral. Assim, algumas inclusões de polucito mantiveram sua estabilidade, o que possibilitou a obtenção de uma imagem dos átomos de Cs.

As imagens resultantes mostraram que o Cs não está uniformemente distribuído nos debris de CsMP. A presença de polucito indica que Cs reagiu com substâncias ricas em sílica durante a fusão do reator, provavelmente por volatilização ou condensação. Os poluentes continham Cs na quantidade de 27 a 36% do peso total.

De acordo com Bernd Grambou, da Universidade de Nantes, "agora precisamos começar a olhar para o comportamento da polucida Cs no meio ambiente e seus potenciais impactos. Provavelmente se comporta de forma diferente de outras formas de perda de Cs documentadas até o momento." É igualmente necessário avaliar os efeitos na saúde humana e animal, por exemplo, analisando a reactividade química dos poluentes com fluidos orgânicos. Segundo especialistas, esses efeitos podem ser radicalmente diferentes do que foi observado antes.