Primeira imagem direta de átomos de césio radioativos em amostras ambientais
Os átomos de Cs na imagem aparecem como pontos brilhantes (circulados na imagem). Aproximadamente metade dos átomos de Cs na estrutura são radioativos. Crédito:Diário de Materiais Perigosos (2024). DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.134104 Treze anos após o desastre nuclear na Central Nuclear de Fukushima Daiichi (FDNPP), um avanço na análise permitiu uma inovação mundial:imagens diretas de átomos radioativos de césio (Cs) em amostras ambientais.
A análise, concluída por uma equipa de investigadores no Japão, Finlândia, América e França, analisando materiais emitidos pelos reactores FDNPP danificados, revela informações importantes sobre os persistentes desafios ambientais e de gestão de resíduos radioactivos enfrentados no Japão.
O estudo, intitulado "Átomos de césio radioativos 'invisíveis' revelados:inclusão de polucita em micropartículas ricas em césio (CsMPs) da Usina Nuclear de Fukushima Daiichi" acaba de ser publicado no Journal of Hazardous Materials .
Em 2011, após o Grande Terremoto e Tsunami de Tōhoku, 3 reatores nucleares no FDNPP sofreram colapsos devido à perda de energia de reserva e resfriamento. Desde então, extensos esforços de investigação concentraram-se na compreensão das propriedades dos restos de combustível (a mistura de combustíveis nucleares derretidos e materiais estruturais), encontrados dentro dos reactores danificados. Esses detritos devem ser cuidadosamente removidos e descartados.
No entanto, permanecem muitas incertezas relativamente ao estado físico e químico dos restos de combustível e isto complica enormemente os esforços de recuperação.
As tentativas de compreender a química do césio radioativo resultam em algo inédito no mundo
Uma quantidade significativa de Cs radioativo foi liberada dos reatores danificados de Fukushima Daiichi na forma de partículas. As partículas, denominadas micropartículas ricas em Cs (CsMPs), são pouco solúveis, pequenas (<5 µm) e possuem uma composição semelhante a vidro.
O professor Satoshi Utsunomiya da Universidade de Kyushu, Japão, liderou o estudo atual. Ele explicou que os CsMPs “se formaram no fundo dos reatores danificados durante os colapsos, quando o combustível nuclear derretido impactou o concreto”.
Após a formação, muitos CsMPs foram perdidos da contenção do reator para o ambiente circundante.
Como a imagem foi criada?
A caracterização detalhada dos CsMPs revelou pistas importantes sobre os mecanismos e a extensão dos colapsos. No entanto, apesar do Cs abundante nas micropartículas, a imagem direta em escala atômica do Cs radioativo nas partículas provou ser impossível.
O professor Gareth Law, colaborador do estudo da Universidade de Helsinque, explicou que “isso significa que não temos informações completas sobre a forma química do Cs nas partículas e nos detritos de combustível”.
Utsunomiya disse:"Embora o Cs nas partículas esteja presente em concentrações razoavelmente altas, muitas vezes ainda é muito baixo para imagens bem-sucedidas em escala atômica usando técnicas avançadas de microscopia eletrônica. Quando o Cs é encontrado em uma concentração alta o suficiente, descobrimos que o feixe de elétrons danifica a amostra, tornando os dados resultantes inúteis."
No entanto, no trabalho anterior da equipe, usando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura anular de campo escuro de alto ângulo e alta resolução de última geração (HR-HAADF-STEM), eles encontraram inclusões de um mineral chamado polucita (um zeólito) dentro dos CsMPs.
Law explicou que "em análises anteriores, mostramos que as inclusões de polucita ricas em ferro nos CsMPs continham> 20% em peso de Cs. Na natureza, a polucita é geralmente rica em alumínio. A polucita nos CsMPs era claramente diferente daquela na natureza, indicando formou-se nos reatores.
"Como sabíamos que a maior parte do Cs nos CsMPs é derivada da fissão, pensamos que a análise da polucita poderia produzir as primeiras imagens diretas de átomos radioativos de Cs."
As zeólitas podem se tornar amorfas quando submetidas à irradiação por feixe de elétrons, mas esse dano está relacionado à composição da zeólita, e a equipe descobriu que algumas inclusões poluidoras eram estáveis no feixe de elétrons.
Aprendendo isso e informada pela modelagem, a equipe iniciou uma análise meticulosa que viu Utsunomiya, a estudante de graduação Kanako Miyazaki e a equipe finalmente criar imagens de átomos de Cs radioativos.
Utsunomiya explicou:"Foi incrivelmente emocionante ver o belo padrão de átomos de Cs na estrutura polucita, onde cerca de metade dos átomos na imagem correspondem a Cs radioativo. Esta é a primeira vez que os humanos têm imagens diretas de átomos de Cs radioativos em um ambiente amostra.
"Encontrar concentrações de Cs radioativos altas o suficiente em amostras ambientais que permitiriam imagens diretas é incomum e apresenta problemas de segurança. Embora tenha sido emocionante fazer uma imagem científica pela primeira vez no mundo, ao mesmo tempo é triste que isso só tenha sido possível devido a uma explosão nuclear. acidente."
Mais do que uma inovação em imagem
Utsunomiya enfatizou que as descobertas do estudo são mais amplas do que a mera imagem de átomos radioativos de Cs. "Nosso trabalho lança luz sobre a formação de poluentes e a provável heterogeneidade da distribuição de Cs dentro dos reatores FDNPP e no meio ambiente."
Law disse:"Demonstramos inequivocamente uma nova ocorrência de Cs associada aos materiais emitidos pelos reatores FDNPP. Encontrar Cs contendo polucita em CsMPs provavelmente significa que ele também permanece nos reatores danificados; como tal, suas propriedades agora podem ser consideradas no descomissionamento do reator e estratégias de gestão de resíduos”.
O colaborador emérito Prof. Bernd Grambow da Subatech, IMT Atlantique Nantes University, acrescentou:"Devemos agora também começar a considerar o comportamento ambiental ou a poluição por Cs e seus possíveis impactos. Provavelmente se comporta de maneira diferente de outras formas de precipitação radioativa de Cs documentadas até agora.
"Além disso, o efeito sobre a saúde humana pode ter que ser considerado. A reatividade química da poluição no meio ambiente e nos fluidos corporais é certamente diferente daquela de outras formas de Cs radioativo depositado."
Finalmente, reflectindo sobre a importância do estudo, o Prof. Rod Ewing da Universidade de Stanford sublinhou a necessidade premente de investigação contínua para informar estratégias de remoção de detritos e remediação ambiental. “Mais uma vez, vemos que os meticulosos esforços analíticos dos cientistas internacionais podem realmente desvendar os mistérios dos acidentes nucleares, ajudando os esforços de recuperação a longo prazo”.
