Uma esponja cintilante para monitorar as emissões de gases radioativos

Um aerogel cintilante que permite medições em tempo real e com excelente sensibilidade de alguns gases radioativos, essenciais para monitorar o bom funcionamento das centrais nucleares, acaba de ser desenvolvido por um grupo de físicos, químicos e metrologistas.

Este método propõe uma alternativa simultaneamente mais rápida e mais econômica do que os métodos atuais, muitas vezes complexos e dispendiosos. Este trabalho foi publicado na revista Nature Photonics no dia 2 de setembro de 2024.


O trítio (³H), o criptônio-85 (⁸⁵Kr) e o carbono-14 (¹⁴C) estão entre os gases radioativos mais liberados pela indústria nuclear durante a produção de eletricidade ou a reciclagem de resíduos radioativos [1].

Embora esses radionuclídeos [2] não apresentem um risco elevado, sua medição precisa é um indicador essencial para monitorar o bom funcionamento das centrais nucleares e prevenir acidentes. No entanto, esses radionuclídeos pertencem àqueles cujo decaimento radioativo não é acompanhado de emissão de raios gama, sendo emissores beta puros, o que exige processos específicos de detecção e medição.


Atualmente, as tecnologias empregadas baseiam-se nos princípios de mistura gás-líquido e gás-gás, mas são caras e complexas, não permitem distinguir rapidamente os radionuclídeos, geram resíduos e são muito pouco eficazes para alguns dos gases radioativos analisados.

Os trabalhos conduzidos pelos cientistas do Institut Lumière Matière (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), do Laboratoire de Chimie da ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) e do Laboratório Nacional Henri Becquerel (CEA) permitiram desenvolver uma tecnologia de detecção em tempo real confiável e de baixo custo, baseada numa mistura gás-sólido.

Ela baseia-se na síntese de um aerogel com cerca de um centímetro de espessura e alguns centímetros de diâmetro, a partir de nanopartículas de materiais cintilantes cujo tamanho está na ordem de 5 nanômetros. Este composto possui uma estrutura ultraporosa, semelhante a uma esponja, composta por apenas 15% de sólido, mantendo a transparência.

Essa arquitetura singular permite que os gases difundam-se com grande facilidade. Quando o gás penetra na célula de cintilação e entra em contato com o aerogel, este converte a energia produzida pela emissão de elétrons durante o decaimento dos radionuclídeos em luz visível. Esse flash luminoso é imediatamente captado por um sistema de detecção ultrassensível, capaz de medir cada fóton quase instantaneamente.

A análise detalhada dessas emissões de luz permitiu desenvolver um método inovador para distinguir e medir em tempo real as emissões beta puras de diferentes energias, como por exemplo, aquelas do trítio e do criptônio-85 em uma mesma amostra gasosa. Essas descobertas foram desenvolvidas e validadas tanto de maneira teórica quanto experimental, graças a uma experiência avançada com gases radioativos. Os rendimentos de detecção obtidos são de 20% para o trítio e quase 100% para o criptônio. Por fim, o cintilador inorgânico não é contaminado pelos gases radioativos, o que o torna reutilizável e limita a produção de resíduos, em contraste com outras técnicas.


Essa nova abordagem de detecção de gases radioativos permite vislumbrar uma ampla implementação de sensores dedicados à monitorização das atividades nucleares civis. Ela pode ser estendida a outros radionuclídeos emissores beta, também essenciais para a monitorização do território, como o carbono-14 (¹⁴C), o xenônio-133 (₁₃₃Xe) e o argônio-37 (³⁷Ar), o que ampliaria os campos de aplicação para os domínios civil, médico e militar.

Esta descoberta insere-se no âmbito do projeto europeu SPARTE [3] e é objeto de vários pedidos de patentes.

Notas:

[1] Uma média de 400 terabecquerel (ou seja, 400 x 10¹² becquerel), por gigawatt elétrico por ano para a produção de eletricidade.

[2] Átomo com núcleo instável.

[3] Financiado pela União Europeia no âmbito do programa Horizon 2020 FET - OPEN.

Fonte: CEA