Artigo ENEM Enriquecimento de Urânio Prof. Thiago Magalhães F. Menezes

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1 Artigo ENEM Enriquecimento de Urânio Prof. Thiago Magalhães F. Menezes 1. Justificativa do Tema: Irã não pretende paralisar enriquecimento de urânio, diz Ahmadinejad jornal Correio do Brasil 08 de junho de Enriquecimento de Urânio: Motivo do Enriquecimento: Figura 01 Processo de extração do minério de urânio. Os minérios de urânio apresentam em sua constituição uma combinação de óxidos ( UO2, UO3 e U3O8 ) que por sua vez possuem, em média, 99,3% de U e 0,7% de U. O U sofre fissão nuclear* sendo utilizado em reatores, submarinos, bombas atômicas e na medicina nuclear. Exemplo de fissão do urânio: U + n1 0 Ba Kr n1 + 4, Kcal Importante: observe que os nêutrons liberados poderão promover a fissão de outros átomos de urânio dando origem a uma reação em cadeia. Porém, para que essa cadeia ocorra deve se enriquecer ( aumentar a concentração ) de urânio de 0,7% ( como é

2 encontrado na natureza ) para 3 5% nos reatores nucleares, próximo de 20% nos submarinos e medicina nuclear e acima de 80% para uso militar. Obs: maior a concentração de urânio aumenta se a probabilidade de fissão. * Fissão Nuclear: divisão do núcleo de um átomo em dois núcleos menores, com liberação de uma quantidade enorme de energia. Figura 02 Reação em cadeia Figura 03 Urânio enriquecido para uso militar.

3 Já o urânio não sofre fissão nuclear, sendo utilizado na síntese no Plutônio. n1 U + 0 U* Np* U* Np* + 1β0 Pu + 1β0 Já o Plutônio possui aplicações semelhantes ao Urânio, já que sofre fissão nuclear, como representado abaixo: Pu + n1 0 Cs + 98Y + 50n1 137 Método de enriquecimento: Ao ser extraído, o minério passa por algumas etapas importantes: 1o Etapa: separação das impurezas por processos físicos; 2o Etapa: tratamento químico com ácidos o resultado é uma pasta amarela( Yellow Cake ) que contém 80% de U3O8 ; 3o Etapa: purificação do U3O8 anterior; 4o Etapa: redução do U3O8 a UO2: U3O8 + 2H2 3UO2 + 2H2O 5o Etapa: transformação do UO2 em UF6 gasoso: UO2 + 4HF UF4 + 2H2O UF4 + F2 UF6(g) O UF6 gasoso é constituído por UF6 e UF6, que por apresentarem massas moleculares diferentes e, conseqüentemente, densidades diferentes permite a separação dos mesmos, apesar de difícil e onerosa, por meios de quatro processos principais: Efusão através de placas porosas; Ultracentrifugação; Jato centrífugo; Laser.

4 Porém apenas os da efusão através de placas porosas e ultracentrifugação são utilizados em escala industrial: Efusão através de placas porosas: o processo de efusão consiste em passar um gás através de uma abertura de um orifício. Então o vapor de UF 6 experimenta a efusão através de uma série de barreiras porosas. As moléculas de UF 6 contendo urânio, que é mais leve que aquelas contendo urânio, experimentam a efusão mais rapidamente podendo assim ser separado do resto. Entretanto, a razão* entre o tempo que a mesma quantidade de UF 6 e UF 6 requerido para efusão é somente 1,004, assim uma separação muito pequena ocorre. Para melhor desempenho na separação, o vapor é passado através de vários estágios de efusão. * Figura 04 Processo de enriquecimento de urânio por efusão. Ultracentrifugação: o UF6 é inserido no interior da ultracentrífuga que atinge uma velocidade de 70 mil rotações por minuto. O UF6 contendo o isótopo de urânio tende a concentrar se mais no centro, enquanto que o UF6 contendo o isótopo fica mais próximo à parede do cilindro. Duas tubulações de saída recolhem o urânio, sendo que numa delas segue o UF6 ( uranio / urânio enriquecido), e na outra, o UF6 que

5 tiver mais do isótopo (chamado de subproduto). Dessa centrífuga o urânio é repassado para outra centrífuga o e assim com por diante, num de base processo em cascata. No final dessa cascata é recolhido urânio maior que nível na enriquecimento. Figura 05 Esquema representando o processo de ultracentrifugação Uma vez separadas ( parcialmente ) as moléculas UF6 e UF6, produz se o urânio metálico por meio da seguinte reação: UF6 + 3 Ca U + 3 CaF2 Esse Urânio metálico será então usado como combustível nos reatores, submarinos e bombas atômicos. Outro processo consiste em se transformar o UF6 novamente em UO2 ( processo chamado de reconversão), e usar o UO2, agora enriquecido, em forma de pastilhas, nas barras de combustível dos reatores nucleares. 3. Curiosidades: O Brasil utiliza o processo de ultracentrifugação desde o final da década de 70, a primeira ultracentrífuga foi construída em 1982 e a primeira cascata seis anos depois. As ultracentrífugas brasileiras empregam um sistema de rotação diferente de outros países, que utilizam um sistema sustentado por mancal mecânico, enquanto o rotor desenvolvido no Brasil gira levitando por efeito eletromagnético, o que reduz o atrito e, em conseqüência, os desgastes e o custo em manutenção. A ultracentrifugação possui um custo vinte e cinco vezes menor em ralação ao da efusão gasosa.

6 O processo de efusão molecular através de minúsculos poros no sentido de menor pressão, foi o principal método utilizado para enriquecer o urânio empregado na fabricação das primeiras bombas atômicas. Tal processo fundamenta se na lei de efusão de Graham, onde a velocidade de efusão é inversamente proporcional a raiz quadrada da sua massa molar. O País registra a sétima maior reserva geológica de urânio do mundo. Com cerca de t de U3O8 nos Estados da Bahia, Ceará, Paraná e Minas Gerais, entre outras ocorrências. 4. Exercícios Relacionados: Competência de área 5 Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicá los em diferentes contextos. H18 Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. 01. Coréia do Norte enfrenta reprimendas internacionais por causa do seu teste nuclear e ameaçou atacar a Coreia do Sul após o governo de Seul ter se unido a uma iniciativa norte americana de interceptar navios suspeitos de envolvimento com armas de destruição em massa. Agravando a tensão regional ainda mais a Coréia do Norte reativou sua usina que produz plutônio enriquecido para bombas atômicas, de acordo com a imprensa sul coreana. Com base no texto assinale a alternativa correta: a) O Pu é facilmente fissionável podendo ser utilizado na fabricação da bomba atômica. b) O enriquecimento de Plutônio ocorre por meio de difusão gasosa. c) O Plutônio não pode ser obtido por meio do Urânio natural. d) O plutônio pertence aos elementos cisurânicos. e) O plutônio apesar de possuir número atômico 94 o mesmo não é enquadrado como elemento radioativo. Gabarito: A item a) o Ueo Pu são utilizados como combustíveis nucleares; item b) a difusão gasosa é utilizada para enriquecer urânio; item c) o plutônio é obtido por meio do urânio ; item d) o Pu é transurânico uma vez que possui número atômico maior que o do urânio; item e) todo elemento com número atômico maior ou igual a 84 é radioativo.

7 02. O funcionamento da maioria dos reatores nucleares civis baseia se no isótopo do urânio, U. O urânio natural apresenta uma distribuição isotópica de aproximadamente 0,72% de U e 99,27% de U. Para sua utilização em reatores, o urânio deve ser enriquecido até atingir um teor de 3 a 5% em U. Um dos métodos utilizados nesse processo envolve a transformação do minério de urânio em U3O8 sólido (yellow cake), posteriormente convertido em UO2 sólido e, finalmente, em UF6 gasoso, segundo as reações representadas pelas equações: UO2(S) + 4HF(g) UF4(s) + 2H2O(g) (reação 1) UF4(S) + F2(g) UF6(g) (reação 2) UO2(S) + 4HF(g) + F2(g) UF6(g) + 2H2O(g) (reação global) Os compostos de flúor utilizados no processamento do urânio são formados exclusivamente pelo isótopo 19, com massa atômica igual a 18, O UF6 gasoso obtido no processamento do urânio é, portanto, uma mistura de UF6 e UF6, com massas moleculares de 349,0343 e 352,0412, respectivamente. Numa etapa subsequente do processamento, a mistura gasosa é reduzida a urânio metálico sólido por reação com magnésio. Com relação a essas informações e aos processos de separação da mistura dos fluoretos de urânio, são feitas as seguintes afirmações: I. No processo de obtenção de urânio metálico a partir da reação de UF6 com magnésio, a diferença entre as reatividades químicas de UF6 e UF6 permite a separação do urânio nas duas formas isotópicas puras; II. O UF6 pode ser separado do UF6 por destilação fracionada do líquido obtido, após resfriamento da mistura gasosa inicial; III. A ultracentrifugação da mistura gasosa é um método conveniente para se obter o enriquecimento do produto final em UF6. É correto o que se afirma em: a) I, apenas. b) II, apenas. c) III, apenas. d) II e III, apenas. e) I, II e III. Gabarito: C Os principais processos utilizados para enriquecer urânio são: efusão através de placas porosas e a ultracentrifugação.

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