História da pesquisa em Materiais: Seis décadas de operação do reator nuclear de pesquisa IEA-R1.


O IEA-R1, primeiro reator nuclear do Brasil e primeiro reator de pesquisa da América Latina, completou 60 anos de operação ininterrupta e os comemorou com um workshop internacional sobre o uso de reatores de pesquisa. O evento foi realizado de 28 de novembro a 1º de dezembro do ano passado na cidade de São Paulo, no auditório do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), localizado no campus principal da Universidade de São Paulo (USP). Segundo os organizadores, cerca de 300 pessoas de diversos países participaram do evento.

O IEA-R1 é bastante conhecido por produzir isótopos radioativos que são usados em medicina, indústria e agricultura, suprindo parcialmente as necessidades nacionais. São exemplos o Iodo-131, que se produz no IEA-R1 desde 1959 e é utilizado no diagnóstico e tratamento de câncer de tireoide, e o Samário-153, utilizado como paliativo da dor em metástases ósseas.

Além de fornecer esses elementos a hospitais, indústrias e outras entidades, o IEA-R1 é utilizado, desde o início, em trabalhos de pesquisa em diversas áreas, inclusive a de Materiais. Nessas pesquisas são utilizados os feixes de nêutrons livres (nêutrons que foram separados dos núcleos dos átomos), gerados no núcleo do reator por meio do processo de fissão nuclear. A interação dos nêutrons com as amostras fornece informações únicas sobre a estrutura e composição dos materiais.

De acordo com de acordo com Frederico Genezini e Rajendra Narain Saxena, pesquisadores do IPEN e, respectivamente, gerente atual e ex-gerente do Centro do Reator de Pesquisas (CRPq), os nêutrons têm uma característica muito específica de interação com a matéria. É possível, por meio de seu espalhamento, fazer estudos de estruturas cristalinas, e como o nêutron possui momento magnético, ele também é usado para estudar propriedades magnéticas dos materiais.

IEA-R1: piscina, núcleo do reator e outros elementos vistos de cima.
IEA-R1: piscina, núcleo do reator e outros elementos vistos de cima.

Localizado no próprio IPEN, o reator é formado por uma piscina de 9 metros de profundidade de águas de um azul intenso, cor originada pelo chamado “efeito Cherenkov”, no qual partículas carregadas (no caso, íons gerados pela fissão nuclear) atravessam o meio (no caso, a água) a uma velocidade superior à da luz nesse meio, emitindo a chamativa radiação azul. A água da piscina é contida por paredes de 1 a quase 3 metros de espessura construídas com um concreto muito resistente. O fundo da piscina alberga o núcleo do reator, no qual o urânio é bombardeado com nêutrons, gerando reações de fissão nuclear. Como resultado, os núcleos dos átomos de urânio são divididos em dois, enquanto são liberados dois ou três nêutrons e uma grande quantidade de energia (aquela fortíssima energia capaz de manter unidos os prótons e nêutrons no núcleo do átomo). Enquanto nas usinas nucleares aproveita-se a energia liberada, nos reatores de pesquisa o produto mais importante são os nêutrons, motivo pelo qual os componentes do reator visam a preservar os nêutrons livres.

A água e o concreto em torno do núcleo cumprem importantes funções de segurança, que impedem que níveis nocivos de radiação passem para as proximidades da piscina, nas quais circulam pesquisadores, a equipe responsável pelo reator e os visitantes (cerca de 2.000 pessoas visitam cada ano o IEA-R1).

O processo de produção do urânio para o IEA-R1 é totalmente realizado no Brasil. O minério é extraído e processado na Bahia, enriquecido até pouco menos de 20% no Centro Tecnológico da Marinha de Iperó (SP), e, finalmente, acondicionado dentro dos “elementos combustíveis” que depois são colocados no núcleo do reator. O Brasil pertence ao grupo de apenas 12 países que podem enriquecer urânio.

Nêutrons para investigar a matéria

box exemplosEm torno da piscina, na parte inferior, o reator IEA-R1 possui 12 estações experimentais, nas quais feixes de nêutrons extraídos do reator são disponibilizados para serem usados em conjunto com diversas técnicas experimentais.

De acordo com Genezini e Saxena, no momento, apenas três das estações têm equipamentos instalados: o difratômetro de nêutrons de alta resolução, os sistemas de imageamento por nêutrons em tempo real, e o sistema experimental para estudos de terapia por captura de nêutrons com boro (BNCT). Entretanto, as outras estações estão disponíveis para instalação de instrumentos sob demanda. As duas primeiras facilidades são muito úteis para o estudo de materiais, e apresentam vantagens com relação a equipamentos equivalentes que usam raios-X em vez de nêutrons. Segundo Genezini e Saxena, o difratômetro permite estudos de estruturas cristalográficas de materiais que um difratômetro de raios-X nem sempre consegue observar, além do estudo das estruturas magnéticas.

“Enquanto que os raios-X interagem com a matéria mediante forças eletromagnéticas, os nêutrons interagem basicamente via forças nucleares”, explica Reynaldo Pugliesi, pesquisador do IPEN e responsável pelos equipamentos de imageamento por nêutrons, projetados e construídos no IPEN e instalados em uma das estações o IEA-R1. Para se ter uma ideia, uma amostra de 1 cm2 sendo analisada nessa estação experimental pode receber cerca de 8 milhões de nêutrons por segundo.

O imageamento por nêutrons fornece, sem destruir nem danificar as amostras, imagens em duas ou três dimensões (esta última chamada de tomografia por nêutrons) de detalhes que de outro modo seriam imperceptíveis aos olhos humanos. Em particular, materiais ricos em hidrogênio (como óleo, água adesivos e borrachas) são particularmente bem captados nas imagens obtidas por nêutrons, mesmo quando encapsulados em alguns metais como aço, alumínio e chumbo. De fato, os nêutrons conseguem penetrar vários centímetros nos metais e revelar o que há dentro deles. Também nesse sentido, a imagem por nêutrons é complementar da imagem por raios-X: enquanto os nêutrons revelam materiais leves que se encontram por trás de materiais pesados (como uma fita crepe no interior de uma estrutura de alumínio), os raios-X revelam materiais pesados por trás de materiais leves (como os ossos da mão).

Aplicações da tomografia com nêutrons: inspeção de uma restauração feita num vaso cerâmico para conferir o grau de perfeição do trabalho.
Aplicações da tomografia com nêutrons: inspeção de uma restauração feita num vaso cerâmico para conferir o grau de perfeição do trabalho.

O IEA-R1 é aberto à comunidade científica e empresarial por meio de colaborações com pesquisadores do CRPq, centro que coordena a operação do reator e as pesquisas que se realizam com ele. “Nesse modelo temos muitos exemplos de instituições e empresas que usaram os feixes de nêutrons do IEA-R1 e outros instrumentos nos laboratórios do CRPq para medidas”, diz Genezini. De acordo com ele, outros modelos (como o de prestação de serviços) não são possíveis por não haver técnicos dedicados a cada instrumento. “Entretanto, esse modelo tem se mostrado pouco eficiente e estamos investindo em instrumentação e regulamentos para tornar os equipamentos de feixes de nêutrons mais acessíveis ao uso de pessoas externas”, conclui o gerente do CRPq.

História

As origens do reator nuclear IEA-R1 se remontam a meados da década de 1950, quando os Estados Unidos, sob a presidência de Dwight Eisenhower, lançaram o programa “Atoms for Peace”, o qual divulgava e incentivava em nível mundial os usos pacíficos e civis da tecnologia nuclear. Nesse contexto, o Brasil e os Estados Unidos firmaram acordos visando à descoberta e pesquisa de urânio no Brasil e ao desenvolvimento e uso no Brasil de isótopos radioativos para a agricultura e a indústria. Para isso, era necessário contar com um reator nuclear no território nacional.

Assim, em agosto de 1956, o governo brasileiro decretou a criação do Instituto de Energia Atômica (IEA), que mais tarde passaria a ser chamado IPEN, para supervisionar a construção e operação do IEA-R1. A construção ficou a cargo da empresa estadunidense The Babcock & Wilcox Company, acompanhada por uma equipe brasileira liderada pelo primeiro diretor do IEA-R1, o físico nuclear Marcelo Damy de Souza Santos, também considerado fundador do IEA. Em agosto de 1957, a construção do reator foi concluída e, em 16 de setembro do mesmo ano, o reator alcançou as condições necessárias para entrar em funcionamento. A cerimônia de inauguração do IEA-R1 foi realizada em 25 de janeiro de 1958, com a presença do Presidente Juscelino Kubitschek e do Governador do Estado de São Paulo Jânio Quadros.

A partir do IEA-R1, o Brasil pôde desenvolver conhecimento nacional para produzir combustível nuclear, instrumentos para pesquisa com nêutrons e radioisótopos, os quais tem sido usados nos segmentos de saúde, agricultura e diversas indústrias. O reator também foi utilizado para produzir, por meio da técnica de transmutação induzida por nêutrons, semicondutores para componentes eletrônicos que foram exportados. Além disso, foi usado para treinar operadores de reatores e para realizar trabalhos acadêmicos.  De acordo com Genezini e Saxena, mais de 250 teses de doutorado e dissertações de mestrado foram defendidas durante o período nas áreas de Física Nuclear e de Matéria Condensada, e mais de mil artigos científicos foram publicados em periódicos indexados.

Proximamente…

Mais um capítulo da história dos reatores de pesquisa no Brasil está sendo escrito. Está em andamento o projeto do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), um reator nuclear mais moderno e com 30 MW de potência (contra 5 MW do IEA-R1). Em conjunto com suas estações experimentais, o RMB será um laboratório nacional aberto à comunidade para pesquisa e para produção radioisótopos, instalado num terreno de 2 milhões de m2 em Iperó (SP).

De acordo com José Augusto Perrotta, coordenador técnico do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), o reator RMB ainda está na fase de projeto. Os projetos conceitual e básico já foram concluídos, e está sendo executado o projeto detalhado. Além disso, já foram emitidas a licença prévia do IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis) e a licença de local da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear). Entretanto, o cronograma inicial foi afetado por problemas com os recursos financeiros. “O MCTIC não passou os recursos em 2017”, diz Perrota. “O projeto continuou apenas com os recursos designados em 2014. Cada ano sem recursos é um ano de atraso! ”, lamenta.

 

Saiba mais

Interviews with plenary speakers of the XV Brazil-MRS Meeting: Lei Jiang (Chinese Academy of Science, China).


By studying spider webs, fish scales, lotus leaves and cactus, the Chinese scientist Lei Jiang (Technical Institute of Physics and Chemistry – Chinese Academy of Science) and his group have developed artificial systems that can be extremely useful for human being. For example, surfaces that exhibit superphobic or superphilic properties concerning water, oil and air. Professor Jiang´s surfaces and interfaces can also be intelligent and switch from superhydrophilicity to superhydrophobicity.

Prof. Jiang will come to Brazil at the end of September to present all these discoveries, and also the concept of “binary cooperative complementary nanomaterials” (BCCNMs), in a plenary lecture of the XV Brazil-MRS Meeting.

Lei Jiang obtained a B.S. in solid-state physics in 1987 and a M.S. in physical chemistry in 1990 from Jilin University of China. Then, he embraced doctoral studies in the same university. After a period in the University of Tokyo (Japan), he obtained his Ph.D. diploma in physical chemistry from Jilin University of China. From 1994 to 1996, he was postdoctoral fellow in the Akira Fujishima‘s group at Tokyo University of Science. Then, he remained in Japan as a researcher of Kanagawa Academy of Sciences and Technology. In 1999, he joined, as a Professor, the Institute of Chemistry at CAS. From 2004 to 2006, he also served as Chief Scientist of the National Center for Nanoscience and Technology of China.

Prof. Jiang (H index=92) is author of two books, 8 review papers and book chapters, and over 500 papers including articles in Nature, Nature Nanotechnology, Nature Materials, among many other high-impact journals. He holds dozens of granted patents and patent applications. His publications have been cited more than 38,000 times.

Lei Jiang is academician of CAS since 2009, foreign member of the US National Academy of Engineering since 2016, fellow of the Royal Society of Chemistry since 2010, and fellow of The World Academy of Sciences (TWAS) since 2012. Jiang acts in the boards of scientific journals Small, Advanced Functional Materials, Advanced Materials Interfaces, NPG Asia Materials, Journal of Inorganic Biochemistry and Materials Research Innovations. He has received many awards and honors granted by Chinese entities. His contributions have also been recognized with the TWAS Chemistry Award in 2011 and the MRS Mid-Career Researcher Award in 2014.

Here follows an interview with Professor Jiang.

SBPMat newsletter: – Explain in a few words your approach to learning from nature.

Lei Jiang: – We learn from nature mainly focusing on biological interfaces with superwettability, and then we investigated the correlation between the multiscale structures and superwettability. After that we design target molecules to prepare bioinspired functional materials with promising applications, such as self-cleaning coatings, water/oil separation, water collection, and energy conversion. Finally, by combining two complementary properties and achieving reversible switching between them, we were able to develop bioinspired smart interfacial materials with superwettability.

SBPMat newsletter: – Do you and your group perform nature observation by yourselves?

Lei Jiang: – Yes, we perform nature observation by ourselves.

SBPMat newsletter: – Do you search for specific plants or animals having in mind specific applications?

Lei Jiang: – Yes, we mainly focus on specific plants or animals with superwettability.

SBPMat newsletter: – Do you work in collaboration with biologists and materials engineers from other groups to understand nature and produce the artificial materials systems?

Lei Jiang: – Yes, we always work in collaboration with other groups, who are focused on materials, mechanics, biology etc., to understand nature and produce the artificial materials systems.

SBPMat newsletter: – Are there products in the market, or almost there, based on your discoveries? How were they created (through patent licensing, spinoff companies, joint development)?

Lei Jiang: – We have transferred several research findings in the laboratory to practical products in the market. Until now, we have cofounded 3 technology companies.  As one of the very first commercially available bioinspired material produced in large scale, our superhydrophilic coatings have been applied to landmark buildings such as the China National Grand Theatre, and the Beijing International Airport. Our oil/water separation system has also been applied to more than 630 ships travelling around the world. Based on the materials with special wettability, a bioinspired green printing technology is also currently being used to print newspapers by many publishers.

SBPMat newsletter: – To those readers who may be very curious about your concept of “binary cooperative complementary nanomaterials”, please say a couple of words about it. Is there a philosophical idea behind that concept?

Lei Jiang: – Binary cooperative complementary materials, consisting of two components with entirely opposite physiochemical properties at the nanoscale, are presented as a novel principle for the design and construct of functional materials. By summarizing recent achievement in materials science, it can be found that the cooperative interaction distance between the pair of complementary properties must be comparable with the scale of related physical or chemical parameter. When the binary components are in the cooperative distance, the cooperation between these building blocks becomes dominant and endows the macroscopic materials with unique properties and advanced functionalities that cannot be achieved by either of building blocks. The law of unity and interpenetration of opposites was proposed in “Dialectics of Nature,” an unfinished 1883 work by Friedrich Engels. He stated “Everywhere we look in nature, we see the dynamic co-existence of opposing tendencies. This creative tension is what gives life and motion.” Dialectic was derived from the works of philosophers G. W. F. Hegel (1831) and Heraclitus (500 BC), who thought that everything was constantly changing and that all things consisted of two opposite elements that could change into each other. Ancient Chinese philosophers also utilized “Yin” and “Yang” as two basic polarities of the universe to interpret the binary cooperative complementary phenomenon in nature and the universe. However, Engels simply thought the idea of “Yin” and “Yang” was just an embryo of dialectics in ancient China. However, Chinese philosophers had already studied the evolution process and unity of two opposite elements quantitatively. For example, “I Ching” (1000–750 BC), an ancient Chinese book of changes, stated that 64 Yin-Yang combinations known as “64-gua” are possible with hexagrams (patterns of 6 broken and unbroken lines).

Please find the details about “binary cooperative complementary materials” in ” Science China Materials, 2016, 59, 239–246, http://link.springer.com/article/10.1007/s40843-016-5051-6 ”

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Link to the abstract of the XV Brazil-MRS Meeting plenary talk “Smart Interfacial Materials from Super-Wettability to Binary Cooperative Complementary Systems”: http://sbpmat.org.br/15encontro/speakers/abstracts/5.pdf