_Hinrichs_Kleinback

Cap. 13
Energia Nuclear fissão
Enriquecimento do Combustível
O enriquecimento é um empreendimento principal no ciclo do combustível nuclear. A separação
de diferentes elementos não é muito difícil, por causa de suas diferentes proprie-
. químicas. Porém, não se pode usar as diferenças químicas entre isótopos do mesmo
elemento, uma vez que as propriedades químicas são determinadas pelos elétrons ao
redor do núcleo, que são idênticos em número nos isótopos. Assim, métodos físicos de extração
devem ser utilizados.
O principal método de enriquecimento do urânio até 3% de 2 3 5 U é o processo de difusão
gasosa. Neste método, o óxido de urânio é tratado com fluoreto de hidrogênio para
que seja convertido em hexafluoreto de urânio (UF 6
), que é um gás a altas temperaturas. O
UF 6
gasoso é forçado através de uma série de barreiras porosas delgadas. A energia cinénca,
1/2 mv 2 , de um gás depende apenas da sua temperatura. Uma vez que o hexafluoreto
de 2 3 5 U tem uma massa molecular menor do que a do hexafluoreto de 238 U, ele deve ter
uma velocidade maior à mesma temperatura. Ele irá, portanto, difundir-se ligeiramente
mais rápido através das barreiras porosas. Utilizando-se muitas barreiras (mais de 1.000
estágios), um enriquecimento até 2% a 3% de 2 3 5 U pode ser atingido. Este processo de enriquecimento
demanda muita energia, o equivalente a aproximadamente 10% da produção
líquida de energia da usina nuclear.
Outro método de enriquecimento utiliza uma centrífuga. Quando as partículas são
submetidas a um movimento circular, as de maior massa se moverão em direção aos maiores
raios. Partindo do oxido de urânio, os compostos de 2 3 8 U irão mover-se em raios maiores do
que os compostos de 235 U, quando forem submetidos a velocidades muito altas, sendo,
então, possível separá-los. Fábricas com centrífugas estão sendo desenvolvidas nos
Estados Unidos e na Europa. O método da centrífuga apresenta um fator de separação de
urânio melhor, e consome menos energia do que a difusão, mas requer uma engenharia
mais precisa.
Progressos recentes no enriquecimento de urânio têm feito uso de lasers. Em oposição
aos métodos físicos de extração, o enriquecimento a laser faz uso de diferenças sutis na estrutura
eletrônica dos átomos de diferentes isótopos. Conforme descrevemos no capítulo
Capítulo 12, um elétron se move em um estado de energia discreto quando é excitado a partir
do estado fundamental, como quando um elevador sobe ao terceiro andar em um edifício.
As energias destes níveis são determinadas primariamente pelo número de prótons no
núcleo, mas também há um pequeno efeito resultante do número de nêutrons. Assim, cada
isótopo do elemento terá um conjunto de níveis energéticos ligeiramente diferente. Um isótopo
pode ser excitado a um determinado nível de energia se ele absorver um fóton com a
energia correta (ou o comprimento de onda correto). O projeto começa pela produção de
um vapor atômico de urânio em um forno. Por meio da utilização de um laser, que fornece
uma radiação intensa e monocromática (de apenas um comprimento de onda), os átomos
de 2 3 5 U no feixe atômico podem ser levados ao estado excitado, enquanto os átomos de
2 3 8
U não são afetados. A luz do laser tem que ser muito monocromática: um comprimento
de onda de 0,1 angstrom (10 - 1 0
m) mais curta (uma parte em 60.000) pode excitar os átomos
de 238 U. Os átomos de 2 3 5 U excitados podem ser ionizados pela ação da luz ultravioleta,
e depois são coletados em um dispositivo carregado eletricamente (Figura 13.12). Este
método de enriquecimento tem a vantagem sobre a difusão gasosa de que níveis muito
altos de enriquecimento (60%) podem ser atingidos em apenas uma etapa. Com um número
menor de estágios, espera-se que o custo do processo seja bem menor. A construção e
operação de unidades de difusão gasosa é muito cara; uma unidade típica pode custar entre
US$ 2 bilhões e US$ 3 bilhões. O enriquecimento a laser foi demonstrado apenas com quantidades
microscópicas de 235 U, mas pesquisas intensas estão em andamento para se avaliar
a viabilidade técnica e econômica do enriquecimento a laser em grande escala. (Em 1999,
desafios técnicos e fatores econômicos levaram ao fechamento da maior instalação de demonstração
na Califórnia.) Infelizmente, uma das desvantagens é que o número de sócios