Artigo ENEM Enriquecimento de Urânio Prof. Thiago Magalhães F. Menezes thiagobiofarma@hotmail.com 1. Justificativa do Tema: Irã não pretende paralisar enriquecimento de urânio, diz Ahmadinejad jornal Correio do Brasil 08 de junho de 2011. 2. 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 + 142 Kr 91 + 3 0 n1 + 4,6. 109 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
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.
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.
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
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.
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 309.000t 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.
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 18,99840. 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.