Na semana passada escrevi sobre como a escassez de Pu-238 pode ter impacto na exploração do Sistema Solar exterior, mas não entrei muito na origem do plutónio. Afinal, embora existam vestígios de plutónio natural, certamente não há quase o suficiente para alimentar uma sonda espacial. Então esta semana pareceu-me que valeria a pena rever onde obtemos o nosso plutónio, quanto mais não fosse para entender porque é que a NASA (ou DOE) precisa de dezenas de milhões de dólares para o produzir.
Na Tabela Periódica o plutónio está dois pontos acima do urânio – o urânio tem um número atómico de 92 (ou seja, tem 92 prótons) e o plutónio está a 94. Para fazer plutónio temos, de alguma forma, de adicionar dois prótons a um átomo de urânio. A maneira como isso acontece é meio legal – e há diferentes rotas dependendo do isótopo de plutônio que está sendo produzido.
Para fazer Pu-239, o nuclídeo usado em armas nucleares, é um processo bastante simples. O urânio natural é mais de 99% U-238, o que não fissiona muito bem. Coloque o U-238 (que compõe um mínimo de 95% do combustível do reator) no meio de um reator, que está se infiltrando com nêutrons da fissão de urânio, e ele irá capturar um nêutron e se transformar em U-239. O U-239, por sua vez, decai ao emitir uma partícula beta para o neptúnio-239, que liberta outra partícula beta. Como cada decaimento beta transforma um nêutron em próton, estes dois decaimentos beta são suficientes para transformar um átomo de urânio em um de plutônio. Assim, um único átomo U-238 absorvendo um único nêutron e podendo ficar sentado o tempo suficiente para sofrer dois decaimentos beta (algumas semanas ou mais) se transformará em um único átomo de Pu-239. Fazer nuclídeos mais pesados de plutónio é igualmente fácil – quando o Pu-239 captura neutrões adicionais transforma-se em Pu-240, Pu-241, Pu-242, e muito mais. Não só é bastante fácil, mas acontece o tempo todo em qualquer reator nuclear em operação.
OK – assim podemos ver como a simples captura de nêutrons e paciência pode nos dar nuclídeos de plutônio mais pesados que o U-238, mas isso realmente não nos ajuda a fazer o Pu-238 necessário para alimentar uma espaçonave. Fazer o nuclídeo mais leve é um pouco mais arredondado.
Lembrar que, através da captura de nêutrons, um reator produz Pu-241. Acontece que o Pu-241 também decai por emissão beta, criando o Am-241 – o material que é usado em detectores de fumaça (entre outras coisas). O Am-241 é um emissor alfa e decai para uma variedade mais leve de neptúnio (Np-237) que, quando submetido à irradiação de neutrões, captura um nêutron para se tornar Np-238. Uma transformação final – um último decaimento beta – é o último passo para a produção de Pu-238. Esta é a razão pela qual o Pu-238 é tão caro – tornando-o requer duas explosões de irradiação (a primeira suficientemente longa para produzir o Pu-241), tempo suficiente para todos os decaimentos radioativos transformarem o plutônio em amerício e o amerício em neptúnio, e várias etapas de processamento químico para isolar os vários elementos de interesse que são formados.
Embora pareça convoluto (bem, acho que é convoluto), fazer o Pu-238 é bastante simples. A ciência e a engenharia são bem conhecidas e bem estabelecidas, e sua produção certamente não quebra nenhum novo fundamento científico ou técnico. Mas a política…isso é outra questão ao todo.
Como mencionei na semana passada, a linha de produção americana de Pu-238 fechou há mais de duas décadas. Desde então, temos comprado dos russos, mas eles têm o seu próprio programa espacial e têm estoques limitados para arrancar. Portanto, esta opção não vai funcionar por muito mais tempo, independentemente do futuro das relações internacionais EUA-Rússia.
Um recente blogue da Nuclear Watch sugeriu que os EUA poderiam ser capazes de atender às suas necessidades de Pu-238 através do desmantelamento de armas nucleares e da escavação do seu inventário de sucata Pu-238 – nota-se que os documentos do Laboratório Nacional Los Alamos (LANL) indicam que mais de 2000 RTGs do nuclídeo podem ser recuperados apenas de armas nucleares. Mas não tenho certeza se posso aceitar essa afirmação, principalmente porque colocar esse nuclídeo em uma arma nuclear não faz absolutamente nenhum sentido. Não posso comentar sobre os “restos” de Pu-238 que se diz que a LANL tem por aí, e infelizmente a Nuclear Watch não forneceu um link para os documentos da LANL que eles citaram, tornando difícil verificar ou comentar mais. Mas se existe uma reserva de Pu-238 na LANL certamente seria bom explorá-la para a exploração do espaço – sem mencionar a economia nos custos de descarte.
Yet outra maneira de fazer Pu-238 está em um reator de tório fluoreto líquido (LFTR) – um reator que usa tório natural (Th-232) para criar o U-233, que fissiona muito bem. Capturas adicionais de neutrões podem transformar o U-233 em Pu-238, que pode ser quimicamente separado do combustível. Há muito mais sobre o tema do que isto, mas eu cobri o tema dos reatores de tório bastante bem no ano passado (o primeiro destes posts está neste URL, e há outros três na mesma série) e também está coberto no site da Thorium Energy Alliance. Há muitas coisas legais sobre reatores de tório, além de poderem produzir Pu-238, e é uma tecnologia que foi trabalhada e testada – mas os EUA não mostram sinais de construir nenhum deles em breve. A Índia e a China podem desenvolver sistemas extensivos de reatores de tório – mas o que essas nações poderão fazer uma ou duas décadas no futuro não fará muito pela NASA nos próximos anos. O resultado final é que, por mais promissores que sejam para as necessidades futuras, os reatores de tório provavelmente não nos ajudarão a enviar mais naves espaciais para o Sistema Solar externo a qualquer momento.
Então é aqui que estamos. Os EUA pararam de produzir o Pu-238 necessário para executar nossas sondas de espaço profundo e nós praticamente esgotamos nossos estoques de material. Nos anos que se seguiram temos comprado Pu-238 russo, mas isso não estará disponível por muito mais tempo, deixando-nos altos e secos. Pode haver restos do material – possivelmente até reservas – em várias instalações da DOE, mas o desmantelamento de armas nucleares provavelmente não vai fazer o trabalho. A longo prazo, os reatores de ciclo de tório podem ser uma ótima maneira de fazer isso, mas esses reatores não estão operando em nenhum lugar do mundo hoje e não há planos americanos para construir nenhum deles em breve. Isso parece nos deixar apenas três opções – reiniciar nossa linha de produção Pu-238, encontrar outra maneira de fazer (ou obter) o material, ou nos confinarmos ao Sistema Solar interno. Como mencionei na semana passada, espero sinceramente que não vamos pelo último caminho. Então vamos ver o que podemos encontrar – e esperemos não deixar a solução (e as decisões) muito tempo.
O post De onde vem o plutónio? aparece no ScienceWonk, o blog da FAS para opiniões de especialistas e líderes convidados.