Dicas úteis

Enriquecimento de urânio

Enriquecimento de urânio é um dos principais passos na criação de armas nucleares. Apenas um certo tipo de urânio trabalha em reatores nucleares e bombas.

Separar esse tipo de urânio de uma variedade mais ampla exige grande habilidade de engenharia, apesar do fato de que a tecnologia necessária para isso existe há décadas. A tarefa não é descobrir como separar o urânio, mas construir e executar o equipamento necessário para concluir esta tarefa.

Átomos de urânio, como átomos de elementos encontrados na natureza em uma variedade, são chamados isótopos. (Cada isótopo tem um número diferente de nêutrons em seu núcleo.) O urânio-235, o isótopo que compõe menos de 1% de todo o urânio natural, fornece combustível para reatores nucleares e bombas nucleares, enquanto o urânio-238, o isótopo que compõe 99% urânio natural, não possui uso nuclear.

Graus de enriquecimento de urânio

Uma reação nuclear em cadeia implica que pelo menos um nêutron da decomposição de um átomo de urânio será capturado por outro átomo e, consequentemente, causará sua deterioração. Em uma primeira aproximação, isso significa que o nêutron deve "tropeçar" no átomo de 235 U antes de sair do reator. Isso significa que o projeto com urânio deve ser compacto o suficiente para que a probabilidade de encontrar o próximo átomo de urânio para o nêutron seja alta o suficiente. Porém, à medida que o reator 235 U opera, ele se queima gradualmente, o que reduz a probabilidade de um nêutron atingir o átomo de 235 U, o que os obriga a estabelecer uma certa margem dessa probabilidade nos reatores. Por conseguinte, a baixa proporção de 235 U em combustível nuclear requer:

  • um volume maior do reator para que o nêutron fique mais tempo
  • uma proporção maior do volume do reator deve ser ocupada por combustível, a fim de aumentar a probabilidade de colisão de um átomo de nêutron e urânio,
  • mais frequentemente, é necessário recarregar o combustível para fresco, a fim de manter uma determinada densidade aparente de 235 U no reator,
  • uma alta proporção de 235 U valiosos em combustível irradiado.

No processo de melhoria da tecnologia nuclear, foram encontradas soluções econômicas e tecnologicamente ótimas que exigiam um aumento no conteúdo de 235 U no combustível, ou seja, enriquecimento de urânio.

Nas armas nucleares, a tarefa de enriquecimento é quase a mesma: é necessário que, em um período extremamente curto de explosão nuclear, o número máximo de átomos de 235 U encontre seu nêutron, decaia e libere energia. Para isso, é necessária a densidade aparente máxima possível dos átomos de 235 U, o que é possível com o enriquecimento final.

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A chave para a separação

A chave para sua separação é que os átomos de urânio-235 pesam um pouco menos que os átomos de urânio-238.

Para separar a pequena quantidade de urânio-235 presente em todas as amostras naturais de minério de urânio, os engenheiros primeiro convertem o urânio em gás usando uma reação química.

Em seguida, o gás é introduzido em um tubo de centrífuga em formato cilíndrico do tamanho de uma pessoa ou mais. Cada tubo gira em seu eixo em velocidades incrivelmente altas, puxando moléculas de gás mais pesadas de urânio-238 para o centro do tubo, deixando as moléculas mais leves de gás-urânio-235 mais próximas das bordas do tubo, onde podem ser sugadas.

Cada vez que o gás é rotacionado em uma centrífuga, apenas uma pequena quantidade de gás urânio-238 é removida da mistura, de modo que os tubos são usados ​​em série. Cada centrífuga retira um pouco de urânio-238 e depois transfere a mistura de gás levemente purificada para o próximo tubo, etc.

Conversão de gás urânio

Após a separação do urânio gasoso-235 em muitos estágios das centrífugas, os engenheiros usam uma reação química diferente para converter o gás de urânio novamente em metal sólido. Mais tarde, esse metal pode ser formado para uso em reatores ou bombas.

Como cada passo limpa apenas uma pequena quantidade da mistura de gás urânio, os países só podem operar centrífugas projetadas com o mais alto nível de eficiência. Caso contrário, a produção de uma pequena quantidade de urânio puro 235 torna-se proibitivamente cara.

E o projeto e a fabricação desses tubos de centrífuga requerem um certo nível de investimento e conhecimento técnico além do alcance de muitos países. Os tubos requerem tipos especiais de aço ou misturas que suportam pressão significativa durante a rotação, devem ser completamente cilíndricos e fabricados por máquinas especializadas que são difíceis de construir.

Aqui está um exemplo de uma bomba que os Estados Unidos jogaram em Hiroshima. São necessários 62 kg de urânio-235 para fabricar uma bomba, de acordo com a "construção de uma bomba atômica" (Simon e Schuster, 1995).

A separação desses 62 kg de quase 4 toneladas de minério de urânio ocorreu no maior edifício do mundo e consumiu 10% da eletricidade do país. “Foram necessárias 20.000 pessoas para construir a instalação, 12.000 pessoas operaram a instalação e, em 1944, o equipamento custou mais de US $ 500 milhões.” Isso representa cerca de US $ 7,2 bilhões em 2018.

Por que o urânio enriquecido é tão terrível?

O urânio ou o plutônio de grau de armas é perigoso em sua forma pura por uma simples razão: a partir deles, com uma certa base técnica, um dispositivo nuclear explosivo pode ser fabricado.

A figura mostra uma representação esquemática de uma ogiva nuclear simples. Os tarugos 1 e 2 de combustível nuclear estão dentro da carcaça. Cada uma delas é uma das partes de toda a bola e pesa um pouco menos que a massa crítica do metal da arma usada na bomba.

Quando a carga detonante do TNT é detonada, os lingotes de urânio 1 e 2 são combinados em um, sua massa total certamente excede a massa crítica desse material, o que leva a uma reação em cadeia nuclear e, consequentemente, a uma explosão atômica.

Parece nada complicado, mas, na realidade, isso não é verdade. Caso contrário, haveria uma ordem de magnitude em mais países com armas nucleares no planeta. Além disso, o risco de tais tecnologias perigosas caírem nas mãos de grupos terroristas suficientemente poderosos e desenvolvidos aumentaria bastante.

O truque é que apenas potências muito ricas, com infraestrutura científica desenvolvida, são capazes de enriquecer urânio, mesmo com o desenvolvimento atual da tecnologia. Ainda mais difícil, sem o qual o dispositivo atômico não funcionaria, separe os 235 e 238 isótopos de urânio.

Minas de urânio: verdade e ficção

Na URSS, no nível filistino, havia uma hipótese de que criminosos condenados trabalham em minas de urânio, expiando assim sua culpa perante o partido e o povo soviético. Isso, é claro, não é verdade.

A mineração de urânio é uma indústria de mineração de alta tecnologia e é improvável que alguém tenha admitido trabalhar com equipamentos sofisticados e muito caros e assassinos inveterados com ladrões. Além disso, os rumores de que os mineradores de urânio necessariamente usam uma máscara de gás e roupas íntimas de chumbo também não passam de um mito.

O urânio é extraído em minas, às vezes até um quilômetro de profundidade. As maiores reservas desse elemento são encontradas no Canadá, Rússia, Cazaquistão e Austrália. Na Rússia, uma tonelada de minério produz uma média de cerca de um quilograma e meio de urânio. Este não é de forma alguma o maior indicador. Em algumas minas européias, esse número chega a 22 kg por tonelada.

O fundo de radiação na mina é quase o mesmo que na fronteira da estratosfera, onde aviões civis de passageiros estão sendo remendados.

Minério de urânio

Enriquecer o urânio começa imediatamente após a mineração, diretamente perto da mina. Além do metal, como qualquer outro minério, o urânio contém rochas residuais. O estágio inicial do enriquecimento se resume à triagem dos paralelepípedos levantados na mina: os ricos em urânio e os pobres. Literalmente, cada peça é pesada, medida por máquinas e, dependendo das propriedades, enviada para um fluxo específico.

Então um moinho entra em ação, moendo o minério rico em urânio em pó fino. No entanto, isso não é urânio, mas apenas seu óxido. Obter metal puro é a cadeia mais complicada de reações e transformações químicas.

No entanto, não basta isolar o metal puro dos compostos químicos iniciais. Do total de urânio contido na natureza, 99% é ocupado pelo isótopo 238 e seu 235º equivalente é inferior a um por cento. Separá-los é uma tarefa muito difícil, que nem todo país pode resolver.

Método de enriquecimento por difusão de gás

Este é o primeiro método pelo qual o urânio foi enriquecido. Ainda é usado nos EUA e na França. Com base na diferença de densidade dos 235 e 238 isótopos. O gás de urânio liberado pelo óxido é bombeado sob alta pressão para uma câmara separada por uma membrana. Os átomos 235 do isótopo são mais leves, portanto, da porção de calor recebida, eles se movem mais rápido que os átomos de urânio "lentos" 238, respectivamente, batendo com mais frequência e intensidade contra a membrana. De acordo com as leis da teoria das probabilidades, é mais provável que entrem em um dos microporos e estejam do outro lado dessa membrana.

A eficácia desse método é pequena, porque a diferença entre os isótopos é muito, muito pequena. Mas como tornar o urânio enriquecido adequado para uso? A resposta está aplicando esse método muitas e muitas vezes. Para obter urânio adequado para a fabricação de combustível a partir de um reator em uma usina, o sistema de tratamento por difusão de gás é repetido várias centenas de vezes.

Revisões de especialistas sobre esse método são variadas. Por um lado, o método de separação por difusão de gás é o primeiro a fornecer aos Estados Unidos urânio de alta qualidade, tornando-os temporariamente um líder na esfera militar. Por outro lado, acredita-se que a difusão de gás produz menos resíduos. A única coisa que falha nesse caso é o alto preço do produto final.

Método de centrifugação

Este é o desenvolvimento dos engenheiros soviéticos. Atualmente, além da Rússia, existem vários países onde o urânio é enriquecido pelo método descoberto na URSS. São Brasil, Grã-Bretanha, Alemanha, Japão e alguns outros estados. O método é semelhante à tecnologia de difusão de gás, pois usa a diferença de massa dos isótopos 235 e 238.

O gás de urânio gira em uma centrífuga a 1.500 rpm. Devido a diferentes densidades, os isótopos são afetados por forças centrífugas de diferentes tamanhos. O urânio 238, mais pesado, acumula-se perto das paredes da centrífuga, enquanto o 235º isótopo se reúne mais próximo do centro. A mistura de gás é bombeada para o topo do cilindro. Tendo passado o caminho para o fundo da centrífuga, os isótopos têm tempo para se separar parcialmente e são selecionados separadamente.

Apesar de o método também não fornecer 100% de separação de isótopos, e para alcançar o grau necessário de enriquecimento, ele deve ser usado repetidamente, é muito mais economicamente eficiente do que a difusão de gás. Assim, o urânio enriquecido na Rússia, usando a tecnologia de centrifugação, é cerca de três vezes mais barato que o obtido nas membranas americanas.

Aplicação de urânio enriquecido

Por que toda essa burocracia complicada e cara com purificação, separação de metais de óxidos, separação de isótopos? Uma arruela de urânio enriquecido 235, daqueles usados ​​em energia nuclear (dessas “pílulas” são barras montadas - barras de combustível), pesando 7 gramas, substitui cerca de três barris de 200 litros de gasolina ou cerca de uma tonelada de carvão.

O urânio enriquecido e empobrecido é usado de maneira diferente, dependendo da pureza e proporção dos 235 e 238 isótopos.

O isótopo 235 é um combustível que consome mais energia. O urânio enriquecido é considerado quando o conteúdo de 235 isótopos é superior a 20%. Essa é a base das armas nucleares.

As matérias-primas saturadas de energia enriquecidas também são usadas como combustível para reatores nucleares em submarinos e naves espaciais devido à massa e tamanho limitados.

O urânio empobrecido, contendo principalmente 238 isótopos, é um combustível para reatores nucleares civis estacionários. Reatores naturais de urânio são considerados menos explosivos.

A propósito, de acordo com os cálculos dos economistas russos, mantendo a atual taxa de produção de 92 elementos da tabela periódica, suas reservas em minas exploradas em todo o mundo já estarão esgotadas até 2030. É por isso que os cientistas estão ansiosos para a fusão como fonte de energia barata e acessível no futuro.