Difusão gasosa - Gaseous diffusion

A difusão gasosa usa membranas semipermeáveis ​​para separar o urânio enriquecido

A difusão gasosa é uma tecnologia usada para produzir urânio enriquecido , forçando o hexafluoreto de urânio gasoso (UF 6 ) através de membranas semipermeáveis . Isso produz uma ligeira separação entre as moléculas que contêm urânio-235 ( 235 U) e urânio-238 ( 238 U). Com o uso de uma grande cascata de vários estágios, separações elevadas podem ser alcançadas. Foi o primeiro processo desenvolvido capaz de produzir urânio enriquecido em quantidades úteis industrialmente, mas hoje é considerado obsoleto, tendo sido suplantado pelo mais eficiente processo de centrifugação a gás.

A difusão gasosa foi planejada por Francis Simon e Nicholas Kurti no Laboratório Clarendon em 1940, encarregado pelo Comitê MAUD de encontrar um método para separar o urânio-235 do urânio-238 a fim de produzir uma bomba para o projeto British Tube Alloys . O próprio equipamento de difusão gasosa protótipo foi fabricado pela Metropolitan-Vickers (MetroVick) em Trafford Park , Manchester, a um custo de £ 150.000 por quatro unidades, para a MS Factory, Valley . Este trabalho foi posteriormente transferido para os Estados Unidos quando o projeto Tube Alloys foi incluído no projeto Manhattan posterior .

Fundo

Dos 33 nuclídeos primordiais radioativos conhecidos , dois ( 235 U e 238 U) são isótopos de urânio . Estes dois isótopos são semelhantes em muitos aspectos, excepto que apenas 235 L é cindível (capaz de sustentar uma reacção em cadeia nuclear de fissão nuclear com neutrões térmicos ). Na verdade, 235 U é o único núcleo físsil de ocorrência natural. Como o urânio natural tem apenas cerca de 0,72% 235 U em massa, ele deve ser enriquecido a uma concentração de 2–5% para ser capaz de suportar uma reação em cadeia nuclear contínua quando água normal é usada como moderador. O produto desse processo de enriquecimento é denominado urânio enriquecido.

Tecnologia

Base científica

A difusão gasosa é baseada na lei de Graham , que afirma que a taxa de efusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molecular . Por exemplo, em uma caixa com uma membrana semipermeável contendo uma mistura de dois gases, as moléculas mais leves sairão do recipiente mais rapidamente do que as moléculas mais pesadas. O gás que sai do recipiente é um pouco enriquecido nas moléculas mais leves, enquanto o gás residual é um pouco esgotado. Um único recipiente em que o processo de enriquecimento ocorre por meio de difusão gasosa é denominado difusor .

Hexafluoreto de urânio

O UF 6 é o único composto de urânio suficientemente volátil para ser usado no processo de difusão gasosa. Felizmente, o flúor consiste em apenas um único isótopo 19 F, de modo que a diferença de 1% nos pesos moleculares entre 235 UF 6 e 238 UF 6 se deve apenas à diferença nos pesos dos isótopos de urânio. Por essas razões, o UF 6 é a única escolha como matéria - prima para o processo de difusão gasosa. UF 6 , um sólido à temperatura ambiente, sublima a 56,5 ° C (133 ° F) a 1 atmosfera. O ponto triplo está em 64,05 ° C e 1,5 bar. Aplicação da Lei de Graham ao hexafluoreto de urânio:

Onde:

A taxa 1 é a taxa de efusão de 235 UF 6 .
A taxa 2 é a taxa de efusão de 238 UF 6 .
M 1 é a massa molar de 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g · mol −1
H 2 é a massa molar de 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × = 18,998403 352,041206 g · mol -1

Isso explica a diferença de 0,4% nas velocidades médias de 235 moléculas de UF 6 em relação às de 238 moléculas de UF 6 .

O UF 6 é uma substância altamente corrosiva . É um oxidante e um ácido de Lewis que é capaz de se ligar ao fluoreto , por exemplo, a reação de fluoreto de cobre (II) com hexafluoreto de urânio em acetonitrila é relatada para formar heptafluorouranato (VI) de cobre (II), Cu (UF 7 ) 2 . Ele reage com a água para formar um composto sólido e é muito difícil de manusear em escala industrial. Como consequência, as vias gasosas internas devem ser fabricadas em aço inoxidável austenítico e outros metais estabilizados por calor . Os fluoropolímeros não reativos , como o Teflon, devem ser aplicados como revestimento em todas as válvulas e vedações do sistema.

Materiais de barreira

As plantas de difusão gasosa normalmente usam barreiras de agregado (membranas porosas) construídas de níquel ou alumínio sinterizado , com um tamanho de poro de 10-25 nanômetros (isso é menos de um décimo do caminho livre médio da molécula de UF 6 ). Eles também podem usar barreiras do tipo filme, que são feitas por poros perfurados através de um meio inicialmente não poroso. Uma maneira de fazer isso é removendo um constituinte de uma liga, por exemplo, usando cloreto de hidrogênio para remover o zinco da prata-zinco (Ag-Zn).

Requisitos de energia

Como os pesos moleculares de 235 UF 6 e 238 UF 6 são quase iguais, muito pouca separação de 235 U e 238 U ocorre em uma única passagem por uma barreira, ou seja, em um difusor. Portanto, é necessário conectar um grande número de difusores em uma sequência de estágios, usando as saídas do estágio anterior como entradas para o próximo estágio. Essa sequência de estágios é chamada de cascata . Na prática, as cascatas de difusão requerem milhares de estágios, dependendo do nível de enriquecimento desejado.

Todos os componentes de uma instalação de difusão devem ser mantidos em temperatura e pressão adequadas para garantir que o UF 6 permaneça na fase gasosa. O gás deve ser comprimido em cada estágio para compensar a perda de pressão no difusor. Isso leva ao aquecimento do gás por compressão , que deve ser resfriado antes de entrar no difusor. Os requisitos de bombeamento e resfriamento tornam as usinas de difusão enormes consumidores de energia elétrica . Por causa disso, a difusão gasosa é o método mais caro atualmente usado para a produção de urânio enriquecido.

História

Os trabalhadores que trabalharam no Projeto Manhattan em Oak Ridge, Tennessee , desenvolveram vários métodos diferentes para a separação de isótopos de urânio. Três desses métodos foram usados ​​sequencialmente em três fábricas diferentes em Oak Ridge para produzir o 235 U para " Little Boy " e outras armas nucleares antigas . Na primeira etapa, a instalação de enriquecimento de urânio S-50 usou o processo de difusão térmica para enriquecer o urânio de 0,7% até quase 2% de 235 U. Este produto foi então alimentado no processo de difusão gasosa na planta K-25 , o produto do qual era cerca de 23% 235 U. Finalmente, esse material foi alimentado em calutrons no Y-12 . Essas máquinas (um tipo de espectrômetro de massa ) empregavam separação de isótopos eletromagnéticos para aumentar a concentração final de 235 U para cerca de 84%.

A preparação da matéria-prima de UF 6 para a planta de difusão gasosa K-25 foi a primeira aplicação para flúor produzido comercialmente, e obstáculos significativos foram encontrados no manuseio de flúor e UF 6 . Por exemplo, antes que a planta de difusão gasosa K-25 pudesse ser construída, primeiro foi necessário desenvolver compostos químicos não reativos que pudessem ser usados ​​como revestimentos, lubrificantes e gaxetas para as superfícies que entrariam em contato com o gás UF 6 ( uma substância altamente reativa e corrosiva). Os cientistas do Projeto Manhattan recrutados William T. Miller , professor de química orgânica na Universidade de Cornell , para sintetizar e desenvolver tais materiais, por causa de sua experiência em química organofluorine . Miller e sua equipe desenvolveram vários novos polímeros de clorofluorocarbono não reativos que foram usados ​​nesta aplicação.

Calutrons eram ineficientes e caros para construir e operar. Assim que os obstáculos de engenharia colocados pelo processo de difusão gasosa foram superados e as cascatas de difusão gasosa começaram a operar em Oak Ridge em 1945, todos os calutrons foram desligados. A técnica de difusão gasosa tornou-se então a técnica preferida para a produção de urânio enriquecido.

Na época de sua construção, no início dos anos 1940, as usinas de difusão gasosa eram alguns dos maiores edifícios já construídos. Grandes usinas de difusão gasosa foram construídas pelos Estados Unidos, União Soviética (incluindo uma usina que agora está no Cazaquistão ), Reino Unido , França e China . A maioria delas já fechou ou está prevista para fechar, incapazes de competir economicamente com as novas técnicas de enriquecimento. No entanto, parte da tecnologia usada em bombas e membranas ainda permanece secreta e alguns dos materiais usados ​​permanecem sujeitos a controles de exportação, como parte do esforço contínuo para controlar a proliferação nuclear .

Status atual

Em 2008, as usinas de difusão gasosa nos Estados Unidos e na França ainda geravam 33% do urânio enriquecido do mundo. No entanto, a planta francesa fechou definitivamente em maio de 2012, e a planta de difusão gasosa Paducah em Kentucky operada pela United States Enrichment Corporation (USEC) (a última instalação de enriquecimento de urânio em pleno funcionamento nos Estados Unidos a empregar o processo de difusão gasosa) cessou o enriquecimento em 2013. A única outra instalação desse tipo nos Estados Unidos, a planta de difusão gasosa de Portsmouth em Ohio, encerrou as atividades de enriquecimento em 2001. Desde 2010, a planta de Ohio é usada principalmente pela AREVA , um conglomerado francês , para a conversão de UF esgotado 6 para óxido de urânio .

À medida que as usinas de difusão gasosa existentes se tornaram obsoletas, elas foram substituídas pela tecnologia de centrífuga de gás de segunda geração , que requer muito menos energia elétrica para produzir quantidades equivalentes de urânio separado. A AREVA substituiu sua planta de difusão gasosa Georges Besse pela planta de centrifugação Georges Besse II.

Veja também

Referências

links externos