Como extrair e enriquecer urânio?

De onde vem e como é feito o combustível nuclear de urânio usado nas usinas nucleares? É o assunto deste post.

Urânio

Na natureza, o minério extraído para o combustível nuclear está na forma de uraninita, cuja fórmula química é $UO_{2}$.

Estes são a carnotita ($K_2(UO_2)_2(VO_4)\cdot 3H_2O$), torbenita ($Cu(UO_2)_2(PO_4)_2\cdot 12H_2O$) e a autunita ($Ca(UO_2)_2(PO_4)_2\cdot 11H_2O$) respectivamente. Estes minérios também são usados para a extração de urânio.

A extração do minério pode liberar gás radônio e contaminar lençóis freáticos.

Separação e purificação

Primeiro o minério é esmagado e triturado, depois os fragmentos são misturados com água para criar um chorume, em seguida, o chorume é misturado com ácido sulfúrico ($H_2SO_4$) ou solução alcalina. Estas são as reações do minério com o ácido.

$UO_2+2Fe^{3+}\rightarrow UO_2^{2+}+2Fe^{2+}$

$UO_3+2H^+\rightarrow UO_2^{2+}+H_2O$

$UO_2^{2+}+3SO_4^{2-}\rightarrow [UO_2(SO_4)_3]^{4-}$

E as reações do minério com a solução alcalina.

$2UO_2+O_2 \rightarrow 2UO_3$

$UO_3+Na_2CO_3 + 2NaHCO_3 \rightarrow Na_4UO_2(CO_3)^3+H_2O$

$UO_3+3Na_2CO_3 + H_2O \rightarrow Na_4UO_2(CO_3)^3+2NaOH$

Este processo de lixiviação elimina resíduos e impurezas de metal pesado que são bombeados e podem ser despejados no meio ambiente, até alguns restos de urânio podem ser despejados. Depois das reações de lixiviação, o óxido de urânio é separado por troca de íons ou extração de solvente. Para depois ser filtrado, seco e colocado em barris.

No final do processo, obtêm-se um pó com 80% de $U_3O_8$, conhecido popularmente como yellow cake (bolo amarelo).

Existe um método alternativo de extração deste elemento que será assunto para outro post. Na natureza, existem três tipos de urânio com massas diferentes, o U-234, U-235 e o U-238, no entanto, só tem menos de 1% de U-235 no urânio natural. É preciso entre 3% e 5% de U-235 para as usinas nucleares, é aí que entra o enriquecimento de urânio.

Produzindo o “hex”

Antes do enriquecimento, o bolo amarelo precisa se transformar em gás hexafluoreto de urânio ($UF_6$), para isso, tem que dissolver o bolo amarelo com ácido nítrico para produzir nitrato de uranila ($UO_2(NO_3)_2\cdot 6H_2O$). As impurezas são removidas com tributil fosfato e querosene, depois a solução é lavada com diluído nítrico. A água é evaporada e por meio de decomposição térmica, tem-se o $UO_2$ ou $UO_3$. Em seguida, o $UO_3$ reage com gás hidrogênio em um forno.

$UO_3+H_2\rightarrow UO_2+H_2O$

$UO_2$ reage com fluoreto de hidrogênio para formar o $UF_4$ e este reage com gás flúor para formar o $UF_6$, conhecido como hex. 

$UO_2+4HF\rightarrow UF_4+2H_2O$

$UF_4+F_2\rightarrow UF_6$

Enriquecimento por difusão gasosa

Neste processo, o gás $UF_6$ passa por um tubo de alta pressão, o gás com U-235 passa pelos poros do tubo mais fácil por ser menor.

Enriquecimento por ultracentrifugação

O hex é colocado em uma centrífuga de alta velocidade, quando a centrífuga gira, as moléculas mais pesadas, que contêm U-238, ficam mais longe do centro. Enquanto as mais leves, com U-235, ficam mais próximas do centro.

Este é o método mais usado no enriquecimento de urânio, pois a difusão gasosa consome muita energia elétrica.

Enriquecimento por laser

Um laser infravermelho de dióxido de carbono pulsando na frequência de ressonância do U-235 é disparado em direção ao hex resfriado e em alta velocidade. As moléculas do gás com U-235 perde elétrons e se comportam de forma diferente das moléculas com U-238.

Esta técnica promete economizar consumo de energia e espaço.

Produzindo as barras

Finalmente a etapa de produzir as barras que serão usadas nos reatores. O hex enriquecido deve ser convertido em um pó de óxido de urânio. Primeiro, o hex reage com vapor de água.

$UF_6+2H_2O\rightarrow UO_2F_2+4HF$

O $UO_2F_2$ reage com gás hidrogênio e água a 700ºC.

$3UO_2F_2+2H_2O+H_2\rightarrow U_3O_8+6HF$

O resultado é o pó de óxido de urânio $U_3O_8$.

O pó é pressionado para formar pastilhas, depois é aquecido de 1600 a 1700º C para ganhar consistência. E finalmente, as pastilhas são empilhadas em tubos de zircônio ou aço para usar nos reatores.