Uma solução vítrea para o lixo nuclear

O vidro antigo não é apenas de interesse de historiadores e arqueólogos – ele também pode ser a chave para entender a durabilidade do lixo nuclear vitrificado. Rachel Brasil investiga

A máscara mortuária de ouro do faraó Tutancâmon é um dos artefatos históricos mais famosos do mundo. O rosto brilhante do jovem rei remonta a cerca de 1325 aC e apresenta faixas azuis que às vezes são descritas como lápis-lazúli. No entanto, em vez de ser a pedra semipreciosa preferida no antigo Egito, a impressionante decoração é, na verdade, de vidro colorido.

Um material cobiçado e altamente valorizado considerado digno da realeza, o vidro já foi visto em pé de igualdade com as pedras preciosas, com exemplos de vidro antigo que remontam ainda mais a Tutancâmon. De fato, amostras escavadas e analisadas por arqueólogos e cientistas permitiram entender melhor como e onde começou a produção de vidro. Mas, surpreendentemente, o vidro antigo também está sendo estudado por outro grupo de cientistas – aqueles que estão encontrando maneiras seguras de armazenar lixo nuclear.

No ano que vem, os EUA começarão a vitrificar partes de seu lixo nuclear herdado atualmente alojado em 177 tanques de armazenamento subterrâneo em Hanford Site, uma instalação desativada no estado de Washington que produziu plutônio para armas nucleares durante a Segunda Guerra Mundial e a Guerra Fria. Mas a ideia de transformar o lixo nuclear em vidro, ou vitrificá-lo, surgiu já na década de 1970, como forma de manter os elementos radioativos trancados e evitar que vazassem.

Os resíduos nucleares são normalmente classificados como sendo de baixo, intermediário ou alto nível, dependendo de sua radioatividade. Enquanto alguns países vitrificam resíduos de nível baixo e intermediário, o método é usado principalmente para imobilizar resíduos líquidos de alto nível, que contém produtos de fissão e elementos transurânicos com meias-vidas longas que são gerados no núcleo de um reator. Esse tipo de resíduo requer resfriamento e proteção ativos porque é radioativo o suficiente para aquecer significativamente a si mesmo e ao seu redor.

Antes do processo de vitrificação, os resíduos líquidos são secos (ou calcinados) para formar um pó. Este é então incorporado ao vidro fundido em grandes fundições e despejado em vasilhas de aço inoxidável. Depois que a mistura esfria e forma um vidro sólido, os recipientes são fechados por solda e preparados para o armazenamento, que hoje ocorre em instalações subterrâneas profundas. Mas o vidro não é apenas uma barreira, segundo Clare Thorpe, pesquisadora da Universidade de Sheffield, no Reino Unido, que estuda a durabilidade do lixo nuclear vitrificado. "É melhor que isso. O lixo se torna parte do vidro."

O vidro não fornece apenas uma barreira. É melhor do que isso. O lixo torna-se parte do vidro

No entanto, sempre houve pontos de interrogação sobre a estabilidade a longo prazo desses óculos. Como, em outras palavras, saber se esses materiais permanecerão imobilizados por milhares de anos? Para entender melhor essas questões, os pesquisadores de lixo nuclear estão trabalhando com arqueólogos, curadores de museus e geólogos para identificar análogos de vidro que possam nos ajudar a entender como o lixo nuclear vitrificado mudará com o tempo.

Os vidros mais estáveis ​​são feitos de dióxido de silício puro (SiO2), mas vários aditivos – como carbonato de sódio (Na2CO3), trióxido de boro (B2O3) e óxido de alumínio (Al2O3) – são frequentemente incorporados para alterar as propriedades do vidro, como como viscosidade e ponto de fusão. Por exemplo, o vidro borosilicato (contendo B2O3) tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo, portanto não racha sob temperaturas extremas. "O Reino Unido e outros países, incluindo os EUA e a França, optaram por vitrificar seus resíduos em vidro borosilicato antes de serem armazenados", explica Thorpe.

Quando elementos como aditivos ou resíduos nucleares são incluídos, eles se tornam parte da estrutura do vidro como formadores de rede ou modificadores (figura 1). Os íons formadores de rede agem como substitutos do silício, tornando-se parte integrante da rede quimicamente ligada altamente reticulada (o boro e o alumínio fazem isso, por exemplo). Enquanto isso, os modificadores interrompem as ligações entre o oxigênio e os elementos formadores de vidro, ligando-se frouxamente aos átomos de oxigênio e causando um oxigênio "sem ponte" (sódio, potássio e cálcio se incorporam dessa maneira). O último causa uma ligação geral mais fraca no material, o que pode reduzir o ponto de fusão, a tensão superficial e a viscosidade do vidro em geral.