[Hidrometalurgia] Aula 19 - Metalurgia do Urânio

[Hidrometalurgia] Aula 19 - Metalurgia do Urânio

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Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico

Introdução

( 238U92 ) O urânio (homenagem ao planeta

Urano), é um elemento químico de símbolo U e de massa atômica igual a 238 u, apresenta número atômico 92 (92 prótons e 92 elétrons), é um elemento natural e comum, muito mais abundante que a prata, abundância comparável a do molibdênio e arsênio, porem quatro vezes menos abundante que o tório.

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Introdução

À temperatura ambiente, o urânio encontra-se no estado sólido. É um elemento metálico radioativo pertencente à família dos actinídeos.

Foi descoberto em 1789 pelo alemão Martin Klaproth na Alemanha.

Foi o primeiro elemento onde se descobriu a propriedade da radioatividade, seus isótopos mais comuns tem uma meia vida longa(~4,5 bilhões de anos para o urânio-238 e ~700 milhões de anos para o urânio-235).

O Urânio é utilizado em indústria bélica (bombas atômicas e no secundário para bombas de hidrogênio), e como combustível em usinas nucleares para geração de energia elétrica.

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Introdução

A Agência Internacional de Energia atômica, estimou as reservas mundiais de urânio em 5,4 milhões de toneladas em todo mundo em 2009, sendo que 31% esta na Austrália, 12% no Cazaquistão, 9% no Canadá e 9% na Rússia.

A produção mundial subiu cerca de 50 0 toneladas em 2009 comparando com 2008, sendo os maiores produtores em 2009 o Cazaquistão (28%), o Canadá (20%), a Austrália (16%), a Namíbia (9%), a Rússia (7%), o Níger (6%) e Uzbequistão (5%).

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Introdução

A nova mina da mineração Tumalapalli revelada à imprensa em Agosto de 2011, está localizada no Estado de Andhra Pradesh, no sul da Índia, e pode se tornar a maior reserva de Urânio do mundo.

Segundo o Departamento de Energia Atômica da Índia, é confirmado que a mina contém 49 mil toneladas de minério, no entanto há indicações de que esta quantidade total seja três vezes maior que isso, o que alcançaria uma capacidade total de produção de 150 mil toneladas e passaria então a ser a maior do mundo, ainda que tratando-se de urânio de baixo grau

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Características

Quando refinado o urânio é branco metálico, pouco radioativo, com uma radioatividade ligeiramente maior que a do aço, fortemente eletropositivo e pobre condutor elétrico.

É maleável, ductil e levemente paramagnético, fica muito denso, sendo 70% mais denso que o chumbo e pouco menos denso que o ouro.

O urânio metálico reage com todos os elementos não metálicos e seus respectivos compostos, a reatividade aumenta com a temperatura.

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Características

Ácido clorídrico e ácido nítrico corroem o urânio, mas o acidos não oxidantes o dissolvem muito lentamente, quando dissolvido pode reagir com água fria, se exposto ao ar ele formara uma escura camada de dióxido de urânio.

O urânio é o último elemento químico natural da tabela periódica.

É o átomo com o núcleo mais pesado que existe naturalmente na Terra: contem 92 prótons e 135 a 148 nêutrons.

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Características

Quando puro, é um sólido, metálico e radioativo, muito duro e denso, de aspecto cinza a branco prateado, muito semelhante à coloração do níquel.

Em sua forma pura é um pouco mais suave do que o aço , dúctil, flexível, tem uma pequena propriedade paramagnética.

O urânio têm três formas alotrópicas:

•α, prismáticos, estável até 667,7 °C , •β,cúbica, estável de 667,7 °C a 774,8 °C ,

•γ, com um corpo centrado e estrutura cúbica.

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Histórico

Pensava-se que a uraninita era um minério de zinco, ferro ou tungstênio.

No entanto, Klaphroth, em 1789, comprovou a existência de uma "substância semi-metálica" nesse minério.

Chamou ao metal "urânio" em honra à descoberta feita por Herschel em 1781 do planeta Urano.

Mais tarde, Péligot provou que Klaphroth apenas tinha conseguido isolar o óxido e não o metal e em 1842 conseguiu isolar o urânio metálico, para isso reduziu o tetrafluoreto de urânio com potássio metálico.

UF4 + 4K U + 4KF

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Histórico

O urânio foi o primeiro elemento no qual se descobriu a propriedade da radioatividade.

Em 1896 BEQUEREL descobriu a radioatividade nos minerais de urânio.

Entre 1934 e 1939 FERMI e sua equipe descobriram a possibilidade da fissão nos átomos de urânio por bombardeamento com nêutrons.

Entre 1938 e 1939 OTTO HAHN e STRASSMANN provaram quimicamente a fissão do urânio.

Ainda em 1939 FRÉDÉRIC JOLIOT e LIDE MEITNER perceberam a enorme quantidade de energia liberada na fissão do urânio.

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Histórico

Em 1942 FERMI, num reator de grafite, chamado “pilha”, na Universidade de Chicago, conseguiu controlar a reação em cadeia, portanto, a energia nuclear.

operação

Em 1954 na Rússia, em Obninsk, o primeiro reator gerador de energia elétrica comercial, hoje só a federação russa tem 28 reatores em

Em 1957 nos EUA e na França que têm hoje respectivamente 109 e 56.

Em 1956 no Reino Unido, hoje tem 37.

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Histórico

Em 1961 na Alemanha, hoje tem 21 reatores.

Em 1962 no Canadá e na Bélgica, têm hoje respectivamente 21 e 7.

Em 1963 na Itália que posteriormente abandonou, por decisão em plebiscito, a energia nuclear.

Em 1965 no Japão que tem hoje 48 reatores.

Nos últimos 30 anos a energia nucleoelétrica cresceu de 0,1% a 18%, enquanto que a hidroelétrica levou 100 anos para chegar a 19%, em termos mundiais.

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Mineração

A exploração do urânio começou nos Estados

Unidos, no inicio do século X, embora a primeira extração de urânio para fins econômicos tenha ocorrido na República Checa, no fim do século XIX, o urânio era extraído, para depois poder extrair deste o elemento altamente radioativo, radio.

O radio era então impregnado em tintas fluorescentes para ponteiros de relógios e outros instrumentos, como também para ser utilizado na medicina.

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Mineração

O aumento da demanda do urânio ocorreu depois da Segunda Guerra Mundial, onde os

Estados Unidos comprava urânio do Congo

(ate então colonia da Bélgica) e do Canadá para poder aumentar o número de suas armas nucleares.

As minas do Congo tinha bem mais uranio que as minas dentro do próprio território dos E.U.A.

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Mineração

A União Soviética explorava a largos passos as suas minas de urânio que se encontravam principalmente onde hoje é o Cazaquistão, para seu programa nuclear emergente.

Como as minas dos E.U.A, elas não tinham tanto urânio, mas conseguiram criar uma autosuficiência ao suprir a demanda do pais.

Em muitas usinas nucleares na Europa e Russia esta ocorrendo um re-enriquecimento do urânio, no qual o urânio empobrecido pode ser enriquecido novamente retirando mais U-235

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Mineração Países que mais extraíram urânio em 2005 e 2009:

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Reservas Brasileiras

O Brasil, segundo dados oficiais das

Indústrias Nucleares do Brasil, ocupa a sexta posição no ranking mundial de reservas de urânio (por volta de

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Reservas Brasileiras

Segundo a empresa, apenas 25% do território nacional foi objeto de prospecção, e as duas principais reservas são a de Caetité (mina Lagoa Real), e a de Santa Quitéria.

Descoberta em 1976, a mina de Caetité é feita a céu aberto, numa das 3 ocorrências localizadas numa faixa com cerca de 80 km de comprimento por 30 a 50 km de largura.

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Reservas Brasileiras

Localizada a 20 km da sede do município, o complexo instalado produz um pó do mineral, conhecido por yellow cake.

Esta reserva possui um teor médio de 3.0 ppm (partes por milhão), capaz de suprir dez reatores do porte de Angra 2 durante toda sua vida útil.

O octóxido de triurânio ou yellowcake tem a cor amarelada.

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Minério

Existem aproximadamente 185 minerais de urânio, sendo apenas mais ou menos 12, tidos como minérios. Entre eles, são os mais citados:

•Pechblenda - UO2 . 2UO3 (U3O8) geralmente UO2 a UO2,25

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Abundância

O urânio não é um metal particularmente raro, ele se encontra na crosta terrestre

mar de 2 a 4 ppm

ligeiramente abaixo de 2 ppm e na água do

Na crosta terrestre ele é 400 vezes mais abundante que o ouro, 25 vezes mais abundante que o mercúrio e de uma abundância relativa comparável à do estanho.

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Abundância 2

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Enriquecimento de Urânio

Sabemos que o elemento urânio é encontrado na natureza na forma combinada.

O isótopo mais abundante de urânio (238U) não possui um grande poder de fissão.

Mas sabemos que o isótopo de urânio (235U) possui um grande poder de sofre fissão nuclear.

A probabilidade deste isótopo do urânio sofrer fissão nuclear é da ordem de mil vezes maior que qualquer outro elemento.

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Enriquecimento de Urânio

A matéria prima para a fabricação de combustível nuclear nos reatores nucleares é o UO2, este óxido é muito pobre em urânio físsil (235U), isto é que pode sofre fissão nuclear.

Aproximadamente 0,7% dos átomos de urânio presente neste oxido são urânio físsil, sendo assim necessário o enriquecimento de urânio, ou seja, a separação do urânio físsil do urânio não físsil.

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Enriquecimento de Urânio

Dentre os processos de enriquecimento de urânio apenas dois processos se destacam industrialmente, sendo:

•a difusão gasosa e •a ultracentrifugação.

O processo de difusão gasosa consiste em comprimir o hexafluoreto de urânio (UF6) através de membranas porosas, associadas em série a fim de separar o 235U do 238U.

No processo de ultracetrifugação, a separação é feita através da força centrifuga.

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Enriquecimento de Urânio

Para as usinas, o porcentual de enriquecimento é de 3% a 5%.

Para mover submarinos, por exemplo, precisase de Urânio enriquecido a 20%.

Com 95% de concentração de U-235 produzse uma bomba atômica

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Enriquecimento de Urânio

Fissão do núcleo de urânio – 235U, gerando dois novos núcleos, dois nêutrons livres e grande quantidade de energia.

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Enriquecimento de Urânio

1. O urânio sai das minas na forma de dióxido de urânio (UO2), misturado a argila, enxofre e outras impurezas.

•Uma tonelada desse metal na natureza contém apenas 7 quilos de urânio-235 (U-235), o ideal para gerar energia nuclear.

•O principal composto restante é o menos aproveitável urânio-238 (U-238).

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Enriquecimento de Urânio

2. O urânio bruto é limpo com elementos como ácido sulfúrico e transformado em pó.

•Depois, é submetido a um gás à base de flúor sob uma temperatura de 550 ºC, tornando-se uma substância gasosa também.

•Esse produto passa por um novo banho de flúor, a

350 ºC, e vira um gás com moléculas compostas por um átomo de urânio e seis de flúor (UF6)

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Enriquecimento de Urânio

3. O UF6 é direcionado contra uma espécie de peneira, uma barreira cheia de poros microscópicos.

•O U-235 é menor que o U-238 e passa pelos poros mais facilmente.

•A passagem pela "peneira" é repetida até a concentração de U-235 chegar ao nível desejado.

•Depois, outros processos separam o urânio enriquecido do flúor e transformam o metal gasoso em tabletes sólidos

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Enriquecimento de Urânio

4A. O urânio pobre - o U-238 barrado na "peneira" — também tem utilidade.

•Ele é aplicado na blindagem de tanques de guerra e na construção de projéteis (munições), já que é 2,5 vezes mais pesado que o aço.

•Mas também há um uso civil: denso, ele serve como contrapeso na carcaça de aviões.

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Enriquecimento de Urânio

4B. O urânio pouco enriquecido, com 2% a 4% de U-235, é suficiente para as usinas nucleares.

•Nelas, a energia criada pela fissão desses átomos é usada para ferver água.

•E o vapor resultante move as turbinas, gerando eletricidade.

•Esse mesmo urânio também é usado para impulsionar submarinos e porta-aviões nucleares

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Enriquecimento de Urânio

4C. O metal altamente enriquecido tem entre 90% e 9% de U-235.

•Como essa concentração é muito grande, o produto gera uma energia absurda em frações de segundo.

•Por isso esse é o urânio enriquecido usado nas bombas atômicas.

•Alguns gramas dele causam mais destruição do que a vista em Hiroshima, no Japão, em 1945

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Classificação do Urânio

Urânio natural

•O urânio natural (referido como NU, do inglês, natural uranium) tem um teor de 235U (urânio 235) de 0,71 %.

Urânio fracamente enriquecido

•De acordo com a regulamentação internacional, urânio fracamente enriquecido é aquele cujo teor de 235U está entre 0,71% e 20%.

•Particularmente, é este o caso do urânio destinado ao combustível nuclear das centrais de produção de energia elétrica.

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Classificação do Urânio

•O urânio fracamente enriquecido ou LEU (do inglês, low-enriched uranium) é tipicamente utilizado a taxas de enriquecimento de 3% a 5% em reatores a água leve, o tipo mais usado no mundo.

•Reatores de pesquisa requerem taxas de enriquecimento de 12% a 19.75% - sendo que esta última concentração pode, dentro do limite regulamentar, ser utilizada como produto de substituição em reatores inicialmente concebidos para funcionar com urânio altamente enriquecido.

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Classificação do Urânio

Urânio levemente enriquecido

•O urânio levemente enriquecido, também referido como

SEU (do inglês slightly enriched uranium) é uma subcategoria de urânio fracamente enriquecido e tem uma concentração de 235U que vai de 0,9% a 2%.

•Destina-se a substituir o urânio natural como combustível, em certos tipos de reatores que utilizam água pesada, como o reator CANDU.

•Um ligeiro enriquecimento permite otimizar os custos, por ser requerida menor quantidade de urânio para o carregamento.

•Reduz-se também o consumo de combustível e, posteriormente, o custo de gestão dos resíduos.

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Classificação do Urânio

Urânio recuperado

•O urânio recuperado ou RU (do inglês recovered uranium ) é um tipo de urânio levemente enriquecido que é produzido nos ciclos de reatores a água leve: o combustível nuclear usado contém no final do processo uma proporção de U-

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