ENRIQUECIMENTO DE URÂNIO

Enriquecimento de Urânio

O enriquecimento de urânio permite a produção de combustível para alimentar uma central nuclear, assim como material para a carga de fissão de uma bomba atômica. Entenda abaixo como funciona o processo de enriquecimento do mineral.
Inicialmente, o urânio é extraído de pedreiras ou de minas. Ele não é encontrado em sua forma natural, mas misturado a outros elementos diferentes. O mineral bruto contém apenas 0,3% de urânio.

Em seguida, o urânio é separado dos outros elementos minerais e o que sobra é o óxido de urânio, conhecido como "yellow cake" ("bolo amarelo", em tradução literal). Depois, o óxido de urânio é convertido em um composto gasoso, o hexafluorido de urânio.
Para ser enriquecido e transformado em combustível, o hexafluorido de urânio é processado em centrífugas nucleares.

O gás é submetido a rotação em velocidades extremas. Os átomos de urânio mais pesados (U-238) se concentram no alto da centrífuga, e os mais leves (U-235) ficam no centro. O gás recuperado no centro é enviado para uma nova centrífuga, que repete o processo sucessivamente, aumentando o grau de concentração de urânio. As usinas que fazem esse processo possuem milhares de centrífugas.

Para alimentar um reator nuclear de uso civil, é necessário que a taxa de enriquecimento de urânio esteja entre 3% e 5%. Para construir uma bomba atômica, é necessário ter urânio enriquecido em ao menos 90%.

Funcionamento de uma Ultracentrífoga

Do minério de urânio até a obtenção do metal urânio vai um longo trabalho. Foram desenvolvidos vários processos de enriquecimento de urânio, entre eles o da difusão gasosa e da ultracentrifugação (em escala industrial), o do jato centrífugo (em escala de demonstração industrial) e um processo a Laser (em fase de pesquisa). Por se tratarem de tecnologias sofisticadas, os países que as detêm oferecem empecilhos para que outras nações tenham acesso a elas.

O processo de coletar o urânio natural, contendo 0,7% de U235, 99,3% de U238 e traços de U234, e retirar uma quantidade de 238 para aumentar a concentração de 235, é conhecido como enriquecimento. O melhor processo é aquele que envolve o menor custo de produção. Para a produção de 1 kg de U235 enriquecido entre 3 e 3,5 % é necessário o consumo de cerca de 2.300 KWh.

Para separar o isótopo de U-235 do U-238, o método mecânico se mostrou eficiente, utilizando uma máquina centrífuga para separação. A taxa de conversão é da ordem de 500 partes de minério para se obter 1 parte de metal. Desta parte, mais de 99% é de U238, sem finalidade na indústria nuclear.

Em termos simples, a ultracentrífuga segue o mesmo princípio das centrífugas domésticas, usadas para preparar alimentos: propicia a separação do material de maior peso, que é jogado para a parede do recipiente, daquele de menor peso, que fica mais concentrado no centro. No processo chamado de enriquecimento acontece algo semelhante.

O U235 é apenas ligeiramente mais leve que o U238, adiciona-se flúor ao metal, formando o gás hexafluoreto de urânio. Para o combustível nuclear interessa apenas o isótopo 235, que é físsil. E como no urânio natural há uma quantidade muito pequena de U235, é preciso fazer essa separação, ou aumentar a concentração do urânio físsil.

Dentro da centrífuga, o isótopo de urânio 235 tende a concentrar-se mais no centro, e o 238 fica mais próximo à parede do cilindro. Duas tubulações de saída recolhem o urânio, sendo que numa delas segue o urânio que tiver maior concentração de isótopos 235 (urânio enriquecido), e na outra, o que tiver mais 238 (chamado de subproduto).

Dessa centrífuga o urânio é repassado para outra centrífuga e assim por diante, num processo em cascata. No final dessa cascata é recolhido o urânio com maior nível de enriquecimento, enquanto que na base permanece o subproduto. Através de uma tubulação, o hexafluoreto de urânio (UF6) é aquecido em uma autoclave a 100°C, adicionam-se outras substâncias, dando origem ao tricarbonato de amônia uranila. Quando o gás passa por um filtro o pó de dióxido de urânio (UO2) fica retido e é prensado e aquecido a 1.750°C.

O aproveitamento unitário das centrífugas é muito pequeno, sendo portanto necessário uma bateria de máquinas para permitir a obtenção de maior quantidade de urânio enriquecido.
Enquanto não dominava o processo de enriquecimento, que aumenta a porcentagem do isótopo 235, este era feito, na Alemanha e Holanda, pelo consórcio europeu URENCO.

A conversão de urânio é o processo que consiste na transformação de concentrados de urânio, o chamado "yellow cake". O material volta ao país como hexafluoreto de urânio (UF6). Com ele, as Indústrias Nucleares do Brasil fabricam, em Resende (RJ), as pastilhas de dióxido de urânio (UO2), que abastecem o reatores de Angra.

FUNCIONAMENTO DAS USINAS NUCLEARES

Funcionamento das usinas nucleares

O urânio usado em usinas nucleares não é o natural, sendo obtido a partir dele pelo processo de enriquecimento. Na natureza existem vários "tipos" de urânio, chamados isótopos, que diferem apenas pelo número de nêutrons existentes no núcleo. Os vários isótopos usualmente são identificados pela soma do número de prótons e de nêutrons existentes em seu núcleo. Assim, o urânio mais comum na Natureza é o urânio-238. O processo de enriquecimento consiste em adicionar urânio-235, obtendo-se uma mistura dos dois isótopos, cuja proporção depende da aplicação.

Isto é feito porque o urânio-235 (U-235) é altamente fissionável, enquanto o urânio-238 (U-238) é bem mais estável, o que permite controlar a energia produzida na reação em cadeia através da proporção entre eles. Usinas nucleares usam uma proporção de 3% de U-235 e 97% de U-238. Reatores nucleares para pesquisa, como os do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), usam cerca de 20% de U-235. Já as bombas atômicas usam 90% de U-235. O urânio natural possui somente 0,7% de U-235.

O núcleo de um reator consiste de um conjunto de vários tubos longos com pastilhas de dióxido de urânio, substância que contém átomos de urânio. No urânio ocorre uma reação em cadeia causada pelas fissões do urânio-235, e a energia liberada é absorvida pelo material do reator na forma de calor - a energia nuclear contida nos núcleos atômicos é transformada em energia térmica. A temperatura da água usada para refrigerar o reator nuclear de Angra chega a 320 ºC.

Como em qualquer usina termoelétrica (no caso, termonuclear), o calor é usado para vaporizar água. O vapor é forçado a passar pelas pás de uma turbina e a girá-la - a energia térmica é transformada em energia mecânica de rotação. O eixo da turbina comunica-se com um gerador, que transforma a energia mecânica em energia elétrica. A energia elétrica é então conduzida, através de fios e torres de transmissão, até as casas, indústrias, etc.

O processo de geração de energia elétrica a partir da energia nuclear, então, pode ser esquematizado em três passos:

1 - No reator: transformação da energia nuclear em energia térmica, através da reação nuclear em cadeia.

2 - Na turbina: transformação da energia térmica em energia mecânica, através da ação do vapor d'água aquecido.

3 - No gerador: transformação da energia mecânica em energia elétrica

À medida que o tempo passa, o urânio do reator vai sendo "gasto". Após 3 anos, cerca de 75% do urânio-235 desaparece, sendo substituído pelos produtos de fissão (como o estrôncio-90 e o famoso césio-137) e por outros elementos químicos (como o plutônio, o netúnio e outros isótopos do urânio), originados quando o urânio emite radioatividade ao invés de sofrer fissão. Essas substâncias são conhecidas como "rejeitos radioativos" ou "lixo atômico", e algumas são extremamente radioativas.

HISTÓRIA DA ENERGIA NUCLEAR

Energia Nuclear

Energia nuclear é a energia liberada numa reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos. Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares, emitindo energia durante esse processo. Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa (observado por Albert Einstein), segundo a qual durante reações nucleares ocorre transformação de massa em energia. Foi descoberta por Hahn, Straßmann e Meitner com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.

A tecnologia nuclear tem a finalidade de aproveitar a energia nuclear, convertendo o calor emitido na reação em energia elétrica. Isso pode acontecer controladamente em reator nuclear ou descontroladamente em bomba atômica. Em outras aplicações aproveita-se da radiação ionizante emitida.

A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento, podendo transformar-se em outro ou outros elementos. Esse processo ocorre espontaneamente em alguns elementos. O caso mais interessante é a possibilidade de provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras particulas.

Reações Nucleares

Existem duas formas de reações nucleares: a fissão nuclear, onde o núcleo atômico subdivide-se em duas ou mais partículas; e a fusão nuclear, na qual ao menos dois núcleos atômicos se unem para formar um novo núcleo.

Descoberta do Núcleo Atômico

Ernest Rutherford, ao descobridor do núcleo atômico, já sabia que esses poderiam ser modificados através de bombardeamento com partículas rápidas. Com a descoberta do nêutron ficou claro que deveriam existir muitas possibilidades dessas modificações.

Enrico Fermi suspeitava que o núcleo ficaria cada vez maior acrescentando neutrons. Ida Noddack foi a primeira a suspeitar que "durante o bombardeamento de núcleos pesados com nêutrons, esses poderiam quebrar em pedaços grandes, que são isótopos de elementos conhecidos, mas não vizinhos dos originais na tabela periódica"

A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 e explicada por Lise Meitner e Otto Frisch (ambos em exílio na Suécia) logo depois, com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.


Otto Hahn e Lise Meitner no laboratórioA primeira reação em cadeia foi realizada em dezembro de 1942 em um reator de grafite de nome Chicago Pile 1 (CP-1), no contexto do projeto "Manhattan" com a finalidade de construir a primeira bomba atômica, sob a supervisão de Enrico Fermi na Universidade de Chicago.

USINAS NUCLEARES

Definição de Usinas

Usinas geradoras de energia podem ser definidas como um conjunto industrial de obras e equipamentos que têm por finalidade a geração de energia elétrica, através de aproveitamento do potencial energético de qualquer fonte energética. São também chamadas de estações geradoras.

Princípios das Usinas

Usinas geradoras de energia elétrica, como o próprio nome já diz, visam à geração de energia elétrica. O que as usinas fazem para gerar a energia sob a forma elétrica, é a transformação de energias existentes em outras formas, tais como a queima de combustíveis, transformando energia térmica em elétrica, ou a utilização do potencial dos rios, nas hidrelétricas, que transforma energia mecânica em energia elétrica (neste blog abordaremos especificamente as usinas nucleares).

Usinas Nucleares

Se caracterizam pelo uso de materiais radioativos que através de uma reação nuclear produzem calor, que mais tarde será transformado em energia elétrica. O fato de utilizar materiais radioativos, e com isso, sinônimo de perigo para a saúde e constituição de todos os seres vivos, é necessário medidas de cautela.

É uma fonte de energia extremamente limpa, e ao contrário do que muitos pensam, é extremamente segura. Dentro de uma usina nuclear, há um rígido controle sobre este material radioativo, além de é claro, de equipamentos e tecnologias muito avançadas para manter a segurança.

O único perigo que este tipo de usina representa é a falha durante alguma operação, ou no controle das reações nucleares. Apesar de falhas serem extremamente raras, ao ocorrerem, as consequências são desastrosas. Exemplos claros dos danos causados por radiação de vazamentos por falta de controle em estação geradora de energia nuclear é o caso de Chernobyl.

As usinas nucleares podem ser instaladas próximo aos centros consumidores, e produzem uma grande quantidade de energia. Os resíduos produzidos devem ser isolados em barris de chumbo e concreto para não ocorrer vazamentos dos resíduos e da radiação.