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Piscina de combustível nuclear usado

Urânio enriquecido

Urânio enriquecido

O urânio enriquecido é o urânio que passou por um processo tecnológico para aumentar a proporção do isótopo do urânio-235. Como resultado, o urânio natural é dividido em urânio enriquecido e urânio empobrecido.

O urânio natural contém três isótopos de urânio: o urânio-238 (99,2745%), o urânio-235 (0,72%) e o urânio-234 (0,0055%). O isótopo urânio-238 é um isótopo relativamente estável, incapaz de uma reação em cadeia nuclear independente, ao contrário do raro urânio-235. Atualmente, o urânio-235 é o principal material físsil nas reações em cadeia de reatores nucleares e tecnologias de armas nucleares. No entanto, para muitas aplicações, a fração do isótopo do urânio-235 no urânio natural é pequena e o preparo do combustível nuclear geralmente inclui o estágio de enriquecimento de urânio.

Razões para o enriquecimento de urânio

A reação em cadeia nuclear implica que pelo menos um nêutron do átomo de urânio formado pela decomposição será capturado por outro átomo e, conseqüentemente, causará sua decomposição. Em uma primeira aproximação, isso significa que o nêutron deve atingir o átomo de urânio 235 antes de sair do reator. Isso significa que a composição do combustível nuclear com o urânio deve ser suficientemente compacta para que a probabilidade de encontrar o próximo átomo de urânio para um nêutron seja alta o suficiente. Mas como as reações ocorrem dentro do reator, o urânio-235 queima gradualmente, reduzindo a probabilidade de uma colisão de um nêutron e um átomo de urânio-235. Consequentemente, a baixa proporção de urânio-235 no combustível nuclear requer:

  • Um volume de reator maior para o deslocamento do nêutron é maior;
  • Uma proporção maior do volume do reator deve ser ocupada por combustível nuclear para aumentar a probabilidade de um nêutron colidir com um átomo de urânio;
  • Muitas vezes é necessário recarregar o combustível para manter uma dada densidade aparente do urânio-235 no reator nuclear;
  • Uma alta proporção de urânio-235 alto em combustível gasto.

No processo de melhoria da tecnologia nuclear, foram encontradas ótimas soluções econômicas e tecnológicas que exigiam um aumento no teor de urânio-235 no combustível, isto é, o enriquecimento de urânio.

Em armas nucleares, a tarefa de enriquecimento é quase o mesmo: é necessário que no tempo extremamente curto de uma explosão nuclear, o número máximo de urânio-235 átomos de encontrar a sua decomposição nêutron e liberar energia. Para isso, necessita da eventual massa máxima densidade de urânio-235 átomos, que podem ser alcançados com o enriquecimento limitado.

O grau de enriquecimento de urânio natural contendo urânio-235 0,72% é utilizado em alguns reactores nucleares (por exemplo, Canadian CANDU) reactores que produzem plutónio (por exemplo, A-1) .

O urânio com um conteúdo de urânio-235 até 20% é chamado de baixo enriquecimento. O urânio com um enriquecimento de 2-5% é agora amplamente utilizado em reatores de energia em todo o mundo. O urânio enriquecido até 20% é usado em pesquisas e reatores experimentais.

O urânio com um conteúdo de urânio-235 acima de 20% é chamado altamente enriquecido ou arma. No alvorecer da era nuclear, vários tipos de armas nucleares baseadas em armas baseadas em urânio foram construídas com um enriquecimento de cerca de 90%. O urânio altamente enriquecido pode ser usado em uma arma termonuclear. Além disso, o urânio altamente enriquecido é usado em reatores de energia nuclear com uma campanha de combustível de longo prazo (ou seja, com recargas raras ou sem recarga), por exemplo, em reatores de espaçonaves ou reatores a bordo.

Urânio empobrecido com um teor de urânio-235 0,1-0,3% permanece nos aterros da indústria de enriquecimento. É amplamente utilizado como projéteis de projéteis para blindagem de artilharia devido à alta densidade de urânio e ao custo do urânio empobrecido. No futuro, propõe-se a utilização de urânio empobrecido em reatores rápidos de nêutrons, onde o urânio-238, que não é compatível com a reação em cadeia, pode ser transmutado em plutônio-239, o que é compatível com a reação em cadeia. O combustível MOX resultante pode ser usado em reatores tradicionais de energia de nêutrons térmicos.

Tecnologia para obter urânio enriquecido

Muitos métodos de separação de isótopos são conhecidos. A maioria dos métodos é baseada em diferentes massas de átomos de diferentes isótopos: 235 é ligeiramente mais leve que o 238 devido à diferença no número de nêutrons no núcleo. Isso se manifesta em diferentes inércias dos átomos. Por exemplo, se você fizer os átomos se moverem em um arco, os pesados ​​tenderão a se mover ao longo de um raio maior que os leves.

Os métodos eletromagnéticos e aerodinâmicos são baseados neste princípio. No método eletromagnético, os íons de urânio são acelerados no acelerador de partículas elementares e torcidos em um campo magnético. No método aerodinâmico, o composto de urânio gasoso é soprado através de um caracol de bocal especial. Um princípio similar na centrifugação de gás: Um composto de urânio gasoso é colocado em uma centrífuga, onde a inércia faz com que moléculas pesadas se concentrem perto da parede da centrífuga Os métodos de difusão térmica e difusão de gás usam o diferença na mobilidade de moléculas: moléculas de gás com um isótopo de urânio leve são mais móveis do que as pesadas. Por isso, penetram mais facilmente nos pequenos poros das membranas especiais com tecnologia de difusão gasosa. No método de difusão térmica, as moléculas menos móveis concentram-se na parte inferior da coluna de separação, deslocando as mais móveis para a parte superior quente. A maioria dos métodos de separação trabalha com compostos gasosos de urânio, na maioria das vezes com UF 6.

Muitos dos métodos tentaram ser usados ​​para o enriquecimento industrial de urânio, mas atualmente quase todas as instalações de enriquecimento de urânio são baseadas na centrifugação de gás. Junto com a centrifugação, o método de difusão de gás foi amplamente utilizado no passado.

No alvorecer da era nuclear, métodos eletromagnéticos, de difusão térmica e aerodinâmicos foram usados. Hoje, a centrifugação demonstra os melhores parâmetros econômicos para o enriquecimento de urânio. No entanto, pesquisas estão sendo feitas sobre métodos promissores de separação, por exemplo, a separação isotópica a laser.

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Última revisão: 18 de junho de 2019