Enriquecimento Isotópico de Urânio
Os reatores a água leve do tipo PWR (Pressurized Water Reactor) adotados pelo Brasil para a geração de núcleo-eletricidade utilizam para sua operação o urânio levemente enriquecido no isótopo urânio 235, que, ao sofrer fissão, gera energia térmica no núcleo do reator.
Vários processos de enriquecimento foram desenvolvidos em laboratórios, mas somente dois deles operam em larga escala industrial: a difusão gasosa e a ultracentrifugação. As empresas proprietárias de usinas de difusão gasosa, por razões técnicas e econômicas iniciaram a sua desativação, ao mesmo tempo em que programam a implantação de unidades industriais de ultracentrifugação.
O processo físico de ultracentrifugação separa os isótopos urânio 235 e 238, aumentando a concentração do isótopo físsil urânio 235 de 0,7%, como encontrado na natureza, para cerca de 4%.
A ultracentrífuga a gás (no caso UF6) é um cilindro vertical fino que gira a uma velocidade extremamente alta dentro de uma carcaça com vácuo. Um campo de força ultracentrífuga gerado dentro do cilindro em rotação (rotor) separa os diferentes isótopos ao longo da direção radial.
Um fluxo axial de contracorrente é estabelecido para aumentar a separação dos isótopos. Na prática, a eficiência de uma ultracentrífuga a gás depende da velocidade periférica e do comprimento do rotor, da taxa axial de recirculação e da taxa de alimentação da máquina.
O princípio de funcionamento de uma ultracentrífuga a gás é ilustrado na figura abaixo.
Como grandes quantidades de material enriquecido são necessárias ao suprimento dos combustíveis nucleares, e a produção por elemento separador é diminuta, utiliza-se industrialmente o acoplamento de inúmeros elementos separadores em paralelo, formando a configuração conhecida como “estágio de separação”.
Analogamente, como o efeito de separação em cada estágio é pequeno, o incremento no teor de enriquecimento do fluxo enriquecido é baixo, portanto, há necessidade de interligar os estágios em série, formando a configuração chamada “cascata”.
Então, para se obter produtos com os teores desejados em escala industrial, conclui-se que uma usina de enriquecimento compreende inúmeras cascatas constituídas de elementos de separação isotópica interligados em série e paralelo, por meio de tubulações referentes aos fluxos de urânio de alimentação e retirada de urânio enriquecido e empobrecido, conforme esquema abaixo:
Para entender o processo de ultracentrifugação
No método de ultracentrifugação, o gás hexafluoreto de urânio (UF6) é introduzido em cilindros que giram com velocidade angular extremamente alta, fazendo com que o isótopo U-238, sendo mais pesado, e por atuação das forças centrífugas, se concentre nas proximidades da parede do cilindro, enquanto o isótopo (U-235) tende a se concentrar nas proximidades do eixo do cilindro.
Como o ganho obtido em cada centrífuga é pequeno, é preciso repetir a operação inúmeras vezes, em ligações em série e em paralelo, chamadas cascatas, para se obter a quantidade e o teor de enriquecimento (concentração de aproximadamente 4%) desejados.
Para entender o processo de forma mais simples,utiliza-se o exemplo prosaico da máquina de lavar roupa: da mesma forma que uma centrífuga, a máquina gira para secar a roupa, grudando-a nas suas paredes internas e eliminando o excesso de água. Igualmente, no enriquecimento, a centrífuga separa os isótopos, deixando escorrer o que não interessa.
O segredo da tecnologia de enriquecimento por ultracentrifugação é conseguir fabricar uma máquina que tenha boa performance, custo operacional baixo, grande capacidade produtiva e nenhuma necessidade de manutenção, pois essas ultracentrífugas são projetadas para operar por vários anos sem qualquer interrupção.