Enzo Rocha Fotografia: Urânio Enriquecido

O Urânio enriquecido é o urânio com maior abundância de isótopos físseis do que o urânio natural. O urânio enriquecido é considerado um material fissionável especial.

O Urânio enriquecido com uma quantidade muito maior do que o normal do isótopo físsil U²³⁵; usado em reatores nucleares e armas nucleares.

O que é

O urânio enriquecido teve a concentração de um isótopo específico, urânio 235 ou U²³⁵, aumentado acima dos níveis naturais.

O urânio possui pelo menos três isótopos na natureza e o U²³⁵ é particularmente útil como combustível para reatores nucleares e como base para armas nucleares.

O urânio é naturalmente composto por uma porcentagem muito alta de U238 e uma porcentagem muito pequena de outros isótopos, sendo o U²³⁵ o próximo mais comum, em torno de 0,7%.

Ao separar os isótopos, podem ser criadas amostras de urânio enriquecido com maior concentração de isótopos U²³⁵.

O urânio pode ser enriquecido de várias maneiras e em graus variados, dependendo do uso pretendido.

O U²³⁵ é importante para combustível de reator nuclear e armas nucleares devido à sua capacidade de sofrer fissão ou divisão.

Cada átomo U²³⁵ que é dividido libera uma tremenda quantidade de energia, além de uma partícula atômica de alta energia chamada nêutron. O nêutron atinge outro átomo U²³⁵, causando a sua divisão, desencadeando uma reação em cadeia. Quando a reação é lenta e controlada, ela pode ser aproveitada, como é o caso de um reator nuclear. Quando a reação é violenta e descontrolada, o resultado é uma explosão nuclear, o processo que serviu de base para as bombas lançadas pelos Estados Unidos no Japão no final da Segunda Guerra Mundial.

Dependendo do uso pretendido, o urânio enriquecido é produzido com concentrações variadas de átomos de U²³⁵.

O grau mais baixo é conhecido como urânio levemente enriquecido e tem uma concentração de até aproximadamente 2% de U²³⁵.

O próximo nível é conhecido como urânio com baixo enriquecimento e geralmente possui uma concentração de aproximadamente 3% ou 4% de U²³⁵, que é a concentração padrão mais alta para combustível de reator, embora possa chegar a 20%.

Urânio altamente enriquecido, também conhecido como urânio com grau de armas, é o urânio com uma concentração de aproximadamente 80% de U²³⁵.

O urânio enriquecido até esse nível é usado na fabricação das armas que compõem os arsenais nucleares de muitos países, embora níveis de enriquecimento tão baixos quanto 20% sejam suficientes para produzir as armas nucleares mais simples.

Esse grau de urânio enriquecido é altamente controlado e regulamentado por governos e agências reguladoras nacionais e internacionais, a fim de promover seu uso seguro e impedir a criação de armas nucleares por entidades que as civilizações do mundo como um todo consideram ser potencialmente perigosas ou irresponsáveis.

Processos de enriquecimento do Urânio

O urânio encontrado na natureza consiste basicamente de dois isótopos, o U-235 e o U-238.

A produção de energia nos reatores nucleares é da ‘fissão’ ou divisão dos átomos do U-235, um processo que libera energia na forma de calor. O U-235 é o principal isótopo físsil do urânio.

O urânio natural contém 0,7% do isótopo U-235. Os 99,3% restantes são principalmente o isótopo U-238, que não contribui diretamente para o processo de fissão (embora indiretamente pela formação de isótopos físseis de plutônio).

A separação de isótopos é um processo físico para concentrar (‘enriquecer’) um isótopo em relação a outros. A maioria dos reatores são reatores de água leve (de dois tipos – PWR e BWR) e exigem que o urânio seja enriquecido de 0,7% a 3-5% de U-235 em seu combustível. Este é o urânio com baixo enriquecimento normal.

Existe algum interesse em elevar os níveis de enriquecimento para cerca de 7% e até perto de 20% para certos combustíveis especiais de reatores de potência, como o com baixo enriquecimento de alto ensaio.

O urânio-235 e o U-238 são quimicamente idênticos, mas diferem em suas propriedades físicas, notadamente em sua massa. O núcleo do átomo U-235 contém 92 prótons e 143 nêutrons, dando uma massa atômica de 235 unidades. O núcleo do U-238 também possui 92 prótons, mas possui 146 nêutrons – três a mais que o U-235 – e, portanto, possui uma massa de 238 unidades.

A diferença de massa entre o U-235 e o U-238 permite que os isótopos sejam separados e permite aumentar ou “enriquecer” a porcentagem de U-235. Todos os processos de enriquecimento atuais e históricos, direta ou indiretamente, fazem uso dessa pequena diferença de massa.

Alguns reatores, por exemplo, os reatores Candu, projetados no Canadá, e o Magnox britânico, usam urânio natural como combustível. (Para comparação, o urânio usado para armas nucleares teria que ser enriquecido em plantas especialmente projetadas para produzir pelo menos 90% de U-235.)

Os processos de enriquecimento exigem que o urânio esteja em uma forma gasosa a uma temperatura relativamente baixa; portanto, o óxido de urânio da mina é convertido em hexafluoreto de urânio em um processo preliminar, em uma instalação de conversão separada.

Existe um excesso de oferta significativa de capacidade de enriquecimento em todo o mundo, grande parte da qual tem sido usada para diminuir a demanda de urânio ou complementar a oferta de urânio.

A capacidade do enriquecimento para substituir o urânio tornou-se mais significativa à medida que a tecnologia das centrífugas assumiu o controle, uma vez que isso significa custos mais baixos da SWU (Unidade de Trabalho Separado), e a necessidade de manter as centrífugas funcionando, para que a capacidade permaneça on-line, mesmo que a demanda cai fora.

Como o urânio é enriquecido para fabricar bombas?

O urânio enriquecido é o urânio com uma alta porcentagem do isótopo U-235, que representa apenas 0,72% do urânio natural.

O urânio normal é conhecido como U-238, onde o número significa a quantidade de núcleons (prótons e nêutrons) em seu núcleo atômico. O U-235 possui uma quantidade desigual de prótons e nêutrons, tornando-o levemente instável e suscetível à fissão (divisão) dos nêutrons térmicos.

Conseguir que o processo de fissão prossiga como uma reação em cadeia é a base da energia nuclear e das armas nucleares.

Como o U-235 tem propriedades químicas idênticas ao urânio normal e é apenas 1,26% mais leve, separar os dois pode ser um grande desafio. Os processos geralmente são bastante intensivos em energia e dispendiosos, e é por isso que apenas alguns países conseguiram alcançá-lo em escala industrial até agora. Para produzir urânio com grau de reator, são necessárias porcentagens de U-235 de 3-4%, enquanto o urânio com grau de armas deve consistir em 90% de U-235 ou mais. Existem pelo menos nove técnicas para a separação de urânio, embora algumas definitivamente funcionem melhor que outras.

Durante a Segunda Guerra Mundial, nos Estados Unidos, quando os pesquisadores buscavam a separação isotópica, uma série de técnicas foi usada. O primeiro estágio consistiu em difusão térmica.

Ao introduzir um fino gradiente de temperatura, os cientistas poderiam persuadir partículas mais leves do U-235 em direção a uma região de calor e moléculas mais pesadas de U-238 em direção a uma região mais fria.

Isso foi apenas a preparação do material de alimentação para o próximo estágio, a separação isotópica eletromagnética.

A separação eletromagnética de isótopos envolve vaporizar o urânio e depois ionizá-lo para produzir íons com carga positiva. O urânio ionizado foi então acelerado e dobrado por um forte campo magnético. Os átomos U-235 mais leves foram desviados um pouco mais, enquanto os átomos U-238 um pouco menos. Repetindo esse processo muitas vezes, o urânio pode ser enriquecido.

Essa técnica foi usada para fazer parte do urânio enriquecido da bomba Little Boy, que destruiu Hiroshima.

Durante a Guerra Fria, a separação de isótopos eletromagnéticos foi abandonada em favor da técnica de enriquecimento por difusão gasosa.

Essa abordagem empurrou o gás hexafluoreto de urânio através de uma membrana semi-permeável, que separou levemente os dois isótopos um do outro. Como a técnica anterior, esse processo precisaria ser realizado várias vezes para isolar uma quantidade substancial de U-235.

As técnicas modernas de enriquecimento usam centrífugas. Os átomos mais leves do U-235 são empurrados ligeiramente preferencialmente em direção às paredes externas das centrífugas, concentrando-as onde podem ser extraídas. Como todas as outras técnicas, ela deve ser executada várias vezes para funcionar.

Sistemas completos que purificam o urânio dessa maneira utilizam muitas centrífugas e são chamados de cascatas de centrífugas.

A centrífuga Zippe é uma variante mais avançada da centrífuga tradicional que utiliza calor e força centrífuga para separar o isótopo.

Outras técnicas de separação de urânio incluem processos aerodinâmicos, vários métodos de separação por laser, separação por plasma e uma técnica química, que aproveita uma diferença muito pequena na propensão dos dois isótopos para alterar a valência nas reações de oxidação/redução.

O urânio pode ser usado para criar armas nucleares