Processo de fosfato de bismuto - Bismuth phosphate process

A planta U de Hanford foi o terceiro cânion de processamento de plutônio construído no local de Hanford . Como as plantas B e T podiam processar plutônio suficiente, ela se tornou uma instalação de treinamento.

O processo de fosfato de bismuto foi usado para extrair plutônio do urânio irradiado retirado de reatores nucleares . Ele foi desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial por Stanley G. Thompson , um químico que trabalhava para o Projeto Manhattan na Universidade da Califórnia, Berkeley . Este processo foi usado para produzir plutônio na unidade de Hanford . O plutônio foi usado na bomba atômica que foi usada no bombardeio atômico de Nagasaki em agosto de 1945. O processo foi substituído na década de 1950 pelos processos REDOX e PUREX .

Fundo

Durante a Segunda Guerra Mundial , o Projeto Allied Manhattan tentou desenvolver as primeiras bombas atômicas . Um método era fazer uma bomba usando plutônio , que foi primeiro produzido pelo bombardeio de deuteron de urânio no ciclotron de 60 polegadas (150 cm) no Laboratório de Radiação de Berkeley na Universidade da Califórnia, Berkeley . Foi isolado em 14 de dezembro de 1940 e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941, por Glenn T. Seaborg , Edwin McMillan , Joseph W. Kennedy e Arthur Wahl . Pensou-se que o plutônio-239 seria físsil como o urânio-235 e adequado para uso em uma bomba atômica.

O plutônio poderia ser produzido através da irradiação de urânio-238 em um reator nuclear , embora ninguém ainda tivesse construído um. Este não era o problema dos químicos do Projeto Manhattan; deles era desenvolver um processo em grande escala para separar produtos de fissão , alguns dos quais eram perigosamente radioativos; urânio, cuja química pouco se sabia; e plutônio, cuja química quase nada se conhecia e que a princípio só estava disponível em quantidades microscópicas.

Quatro métodos de separação foram perseguidos. Seaborg realizou a primeira separação bem-sucedida de uma quantidade considerável de plutônio em agosto de 1942, usando um processo envolvendo fluoreto de lantânio . Isadore Perlman e William J. Knox, Jr., examinaram a separação de peróxidos porque a maioria dos elementos formam peróxidos solúveis em solução neutra ou ácida . Eles logo descobriram que o plutônio era uma exceção. Depois de muita experimentação, eles descobriram que podiam precipitá-lo adicionando peróxido de hidrogênio a uma solução diluída de nitrato de uranila . Eles então conseguiram fazer o processo funcionar, mas ele produziu toneladas de precipitado, onde o processo de fluoreto de lantânio produziria quilogramas.

John E. Willard tentou uma abordagem alternativa, com base no fato de que alguns silicatos absorviam plutônio mais prontamente do que outros elementos; isso funcionou, mas com baixa eficiência. Theodore T. Magel e Daniel K. Koshland, Jr., pesquisaram um processo de extração por solvente e Harrison Brown e Orville F. Hill experimentaram a separação usando reações de volatilidade, com base em como o urânio poderia ser prontamente volatilizado pelo flúor . Eles e outros químicos do Laboratório de Radiação do Projeto Manhattan na Universidade da Califórnia, Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago e Laboratório Ames do Iowa State College , exploraram a química do plutônio. Uma descoberta crucial foi que o plutônio tinha dois estados de oxidação, um estado tetravalente (+4) e um estado hexavalente (+6). com diferentes propriedades químicas.

O processo de fluoreto de lantânio tornou-se o método preferido para uso nos semifrícios de separação de plutônio do Projeto Manhattan na Clinton Engineer Works e nas instalações de produção em Hanford, mas o trabalho posterior com o processo revelou dificuldades. Foi necessária grande quantidade de fluoreto de hidrogênio , que corroeu o equipamento e Charles M. Cooper da DuPont , que seria o responsável pelo projeto e construção das instalações, começou a ter problemas para estabilizar o plutônio em seu estado hexavalente na solução de fluoreto. Também houve dificuldades com a recuperação do precipitado por filtração ou centrifugação .

Enquanto os engenheiros químicos trabalhavam nesses problemas, Seaborg pediu a Stanley G. Thompson , um colega de Berkeley, que desse uma olhada na possibilidade de um processo de fosfato . Era sabido que os fosfatos de muitos metais pesados eram insolúveis em soluções ácidas. Thompson experimentou fosfatos de tório , urânio, cério , nióbio e zircônio sem sucesso. Ele não esperava fosfato de bismuto ( BiPO
4 ) para funcionar melhor, mas quando o experimentou em 19 de dezembro de 1942, ficou surpreso ao descobrir que transportava 98% do plutônio em solução. O fosfato de bismuto era semelhante em sua estrutura cristalina ao fosfato de plutônio e isso ficou conhecido como o processo de fosfato de bismuto. Cooper e Burris B. Cunningham conseguiram replicar os resultados de Thompson e o processo de fosfato de bismuto foi adotado como uma alternativa, caso o fluoreto de lantânio não funcionasse. Os processos foram semelhantes e o equipamento usado para fluoreto de lantânio pode ser adaptado para uso com o processo de fosfato de bismuto de Thompson. Em maio de 1943, os engenheiros da DuPont decidiram adotar o processo de fosfato de bismuto para uso nas semi-fábricas de Clinton e na unidade de produção de Hanford.

Processar

A Planta T foi a primeira planta de separação de plutônio. Foi apelidado de “Queen Mary” por sua semelhança com o transatlântico.

O processo de fosfato de bismuto envolveu a retirada dos blocos de combustível de urânio irradiado e a remoção de seu revestimento de alumínio. Como havia produtos de fissão altamente radioativos dentro, isso teve que ser feito remotamente atrás de uma barreira espessa de concreto. Isso foi feito nos "Canyons" (edifícios B e T) em Hanford. As lesmas foram despejadas em um dissolvedor, cobertas com solução de nitrato de sódio e levadas à ebulição, seguido pela adição lenta de hidróxido de sódio . Após a remoção dos resíduos e lavagem das lesmas, três porções de ácido nítrico foram utilizadas para dissolver as lesmas.

A segunda etapa foi separar o plutônio do urânio e os produtos da fissão. Nitrato de bismuto e ácido fosfórico foram adicionados, produzindo fosfato de bismuto, que se precipitou carregando o plutônio com ele. Isso era muito semelhante ao processo de fluoreto de lantânio, no qual o fluoreto de lantânio era usado como transportador. O precipitado foi removido da solução com uma centrífuga e o líquido descartado como resíduo. Livrar-se dos produtos da fissão reduziu a radiação gama em 90 por cento. O precipitado era um bolo contendo plutônio que foi colocado em outro tanque e dissolvido em ácido nítrico. Bismutato de sódio ou permanganato de potássio foi adicionado para oxidar o plutônio. O plutônio seria transportado pelo fosfato de bismuto no estado tetravalente, mas não no estado hexavalente. O fosfato de bismuto seria então precipitado como subproduto, deixando o plutônio na solução.

Esta etapa foi então repetida na terceira etapa. O plutônio foi reduzido novamente pela adição de sulfato de amônio ferroso . Nitrato de bismuto e ácido fosfórico foram adicionados e o fosfato de bismuto precipitou. Foi dissolvido em ácido nítrico e o fosfato de bismuto foi precipitado. Essa etapa resultou na redução da radiação gama em mais quatro ordens de magnitude, de modo que a solução com plutônio agora tinha 100.000 da radiação gama original. A solução de plutônio foi transferida dos 224 prédios para os 221 prédios, por meio de tubulações subterrâneas. Na quarta etapa, foi adicionado ácido fosfórico e o fosfato de bismuto precipitado e removido; permanganato de potássio foi adicionado para oxidar o plutônio.

Na etapa de "crossover", foi utilizado o processo de fluoreto de lantânio. Sais de lantânio e fluoreto de hidrogênio foram adicionados novamente e o fluoreto de lantânio foi precipitado, enquanto o plutônio hexavalente foi deixado em solução. Isso removeu lantanídeos como cério, estrôncio e lantânio , que o fosfato de bismuto não conseguiu. O plutônio foi novamente reduzido com ácido oxálico e o processo de fluoreto de lantânio foi repetido. Desta vez , foi adicionado hidróxido de potássio para metatizar a solução. O líquido foi removido com uma centrífuga e o sólido dissolvido em ácido nítrico para formar nitrato de plutônio. Nesse ponto, um lote de 330 galões americanos (1.200 litros) enviado teria sido concentrado em 30 litros (8 galões americanos).

A etapa final foi realizada no prédio 231-Z, onde peróxido de hidrogênio, sulfatos e nitrato de amônio foram adicionados à solução e o plutônio hexavalente foi precipitado como peróxido de plutônio . Este foi dissolvido em ácido nítrico e colocado em latas de transporte, que foram fervidas em ar quente para produzir uma pasta de nitrato de plutônio. Cada lata pesava cerca de 1 kg e foi enviada ao Laboratório de Los Alamos . Os embarques foram feitos em um caminhão que transportava vinte latas e o primeiro chegou a Los Alamos em 2 de fevereiro de 1945. O plutônio foi usado no projeto da bomba Fat Man testada no teste nuclear Trinity em 16 de julho de 1945 e no bombardeio de Nagasaki em 9 Agosto de 1945.

Descomissionamento

Em 1947, experimentos começaram em Hanford em um novo processo REDOX, que era mais eficiente. A construção de uma nova planta REDOX começou em 1949 e as operações começaram em janeiro de 1952, com o fechamento da planta B naquele ano. As melhorias na planta T resultaram em um aumento de 30 por cento na produtividade e melhorias foram feitas na planta B. Havia planos para reativar a planta B, mas a nova planta PUREX, inaugurada em janeiro de 1956, era tão eficiente que a planta T foi fechada em março de 1956 e os planos para reativar a planta B foram abandonados. Em 1960, a produção da planta PUREX ultrapassou a produção combinada das plantas B e T e da planta REDOX.

Notas

Referências