ENE-204: Energia nuclear
AULA 07
Prof. Dr. Jose Rubens Maiorino Engenharia de Energia
CECS
[email protected] Universidade Federal do ABC
Urânio
Introdução, Recursos e Reservas,
produção e consumo mundial,
participação na matriz energética
Introdução
• Uso durante a sua
pre-descoberta
Antes de sua descoberta, o urânio natural sobre a forma de dióxido de urânio era usado como corante em tintas e esmaltes dando uma cor amarelada, se adicionado ao vidro, o deixava verde e
luminescente, esses usos
remontam até ao ano de 79 antes de Cristo.
• Urânio foi descoberto por Martin
Klaproth em 1789 na Alemanha sendo a origem do nome dada em
homenagem ao planeta “Uranus”, recentemente descoberto.
• Em 1841, Eugène-Melchior Peligot ,
Professor de Química Analítica, em Paris , isolou a primeira amostra de urânio metálico por aquecimento de tetracloreto de urânio com potássio . O urânio não era visto como
particularmente perigoso durante a maior parte do século XIX, levando ao desenvolvimento de várias utilizações para o elemento. Um tal uso para o óxido foi citada, mas já não era
secreta a coloração da cerâmica e do vidro.
A Radioatividade
Henri Becquerel descobriu a radioatividade usando urânio
em 1896. Becquerel fez a descoberta, em Paris, deixando
uma amostra de um sal de urânio, K
2UO
2(SO
4)
2, em cima
de uma chapa fotográfica não exposta numa gaveta e
observando que a placa havia se tornado "enevoada". Ele
determinou que uma forma de luz invisível ou raios emitidos
pelo urânio expôs a chapa criando acidentalmente a imagem
Propriedades Gerais
Nome: Urânio Símbolo: U
Numero Atômico: 92
Massa Atômica: 238,02891 Estado Físico: sólido 298 K Cor: Cinza Metálico
Propriedades físicas
• Muito pesado e denso, branco prateado com brilho metálico
brilhante. 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:i). alfa ,
prismaticos, estável até 667,7 °C , ii). beta , quadrado, estável
de 667,7 °C a 774,8 °C , iii).Gama, com um corpo centrado e
estrutura cúbica, 774, 8 °C é o ponto de fusão da forma
alotrópica gama.
• Ponto de Fusão: 1405.3 K
• Ponto de Ebulição: 4200 K
Propriedades Químicas
Valências III (roxo), IV (verde), V (instável) e VI (amarelo) do urânio.
O urânio tem uma grande afinidade elementos não metálicos,
como nitrogênio, carbono,enxofre e principalmente com o oxigênio, a na presença deste pode se inflamar instantaneamente formando óxidos, o mesmo efeito pode ser obtido com o plutônio que também tem a mesma afinidade com elementos não metálicos.
Esta afinidade com não metais, fez com que este se ligasse rapidamente com elementos leves, formando uma molécula com leveza ligeiramente maior que aquele do ferro, isso o salvou de ser levado ao núcleo da terra durante a atração gravitacional. Ele possui
quatro possíveis estados de valência+ III + VI), a valência IV e VI, são as mais comuns em minerais. Os ions uranila, dissolvem muito bem em ácidos, como por exemplo ácido nítrico e acido fluoridríco, sais de uranila quando em nitrato de uranila dissolvem. A
equação para a dissolução do íon uranilo em sal de uranila em ácido nítrico é:
O urânio consegue comportar ate ligações tetravalentes, ele geralmente consegue arrancar átomos de hidrogênio de sais, soluções e minerais de metais
Óxidos: O octóxido de triurânio ou yellowcake
tem a cor amarelada
O yellowcake ou octóxido de urânio é o principal óxido do urânio, seu
uso remonta ao Projeto Manhattan, até os dias de hoje, onde é
quebrado para gerar urânio metálico em grandes fábricas, com a
formula química U
3O
8, podendo ser representado também
por UO
2.2UO
3. O dióxido de urânio (UO2) é encontrado naturalmente em
minerais de urânio como a pechblenda, carnotita, Tseynerit, Autunita,
Uranofan e Thorbun, artificialmente o dióxido de urânio é obtido ao
aquecer trióxido de urânio a 700 graus celsius junto
a hidrogênio
,
fazendo um átomo de oxigênio se desprender do
composto e se ligar a dois hidrogênio para formar água.
O trióxido de urânio (UO
3) é outro composto do elemento encontrado de
forma abundante naturalmente entra os minerais de urânio como a
pechblenda, Kasolite, e Tyuyamunit. vários outros óxidos de menor
importância do urânio como o pentóxido de urânio (UO5), óxido de
uranio (U
2O
3), tetróxido de urânio (UO4) e hexóxido de urânio
(UO
6) .(alguns desses compostos, como o UO
6, o UO
4e o
Hidretos, carbonetos e nitretos
O urânio metálico se aquecido a 250-300 graus junto ao hidrogênio ira se ligar a ele
formando hidreto de urânio(UH3). Carbonetos do urânio incluem monocarbeto de
urânio (UC), dicarbeto de urânio ( UC2 ), e tricarbeto de diurânio ( U2C3), carbonetos são obtidos aquecendo urânio puro ou monocarbeto de urânio com carbono.
Os nitretos de urânio são obtidos aquecendo o metal com nitrogênio, exemplos
incluem: mononitreto de urânio (UN), dinitreto de urânio (UN2), e trinitreto de diurânio (U2N3)
Halogenetos
UF6
Todos os fluoretos de urânio são criados usando tetrafluoreto de urânio (UF4); UF4 é preparado por hidrofluoração de dióxido de urânio(UO2).A redução do UF4 com o hidrogênio a 1000 °C produz trifluoreto de urânio (UF3). Sob as condições certas de
temperatura e pressão, a reação de sólidos UF4 com gás
produz hexafluoreto de urânio(UF6).Na temperatura ambiente,
UF6 tem uma elevada pressão de vapor, tornando-o útil para a
difusão gasosa, processo para separar o urânio-235 do comum isótopo urânio-238. Este composto pode ser preparado a partir de dióxido de urânio e hidreto de urânio pelo processo seguinte: UO2 + 4HF → UF4 + 2 H2O (500 °C, endotérmico)
UF4 + F2 → UF6 (350 °C, endotérmico)
O resultado UF6, um sólido branco, é altamente reativo (por
fluoração), facilmente sublima (emitindo um gás de vapor quase perfeito), e é o composto mais volátil do urânio conhecido.
Isótopos do Urânio Natural
• Por causa da grande massa do urânio, todos os seus isótopos são
radioativos, pois o tamanho do núcleo desses átomos é grande
demais para a interação nuclear forte mantê-lo unido. Então, um
dia, a repulsão eletromagnética entre os prótons irá destruir o
átomo. O mais estável é o U-238 e o mais instável é o U-236.
Somente três isótopos são encontrados naturalmente, o U-238 é o
isótopo dominante representando cerca de 99,2742% de todo o
urânio natural, um percentual bem maior que a de demais isótopos
naturais, o U-235 ocorre em uma porcentagem bem menor,
0.7204% de todo o urânio natural, o U-234 ocorre em traços na
diminuta porcentagem de 0.0054% de todo o urânio, ele produzido
pelo decaimento do urânio-238. A seguir os principais isótopos do
urânio.
U-234 ( 0.0055% ) U-235 ( 0.720% ) U-238 ( 99.2745% )
218 219 220 221 222 223 224 225 226 227
U-228 U-229 U-230 U-231 U-232 U-233 236 237 239 240
Principais Isótopos do Urânio
• Urânio-238, empregado largamente na produção de Pu-239( combustível).
• Urânio-235 é utilizado como combustível devido a sua propriedade de
virar U-236 e sofrer fissão logo em seguida se atingido por um nêutron,
isótopo físsil:
235
U +
1n→ (
236U)*→
140Cs +
93Rb + 3
1n + γ
• Urânio-233, por ser físsil como o urânio-235 ele também pode ser
empregado como combustível , além disso, a fissão de um átomo de U-233
rende mais que a do U-235. Nos reatores nucleares ele é produzido quando
o Tório-232 absorve um nêutron e torna-se Tório-233, este que tem uma
meia-vida de apenas 22 minutos. O Tório-233 decai em Protactínio-233 por
decaimento beta. o Protactínio-233 tem uma meia-vida de 27 dias e decai
em urânio-233.
0 1 239 92 0 1 239 93 239 92 1 0 238 92U
+
n
→
U
+
→
Np
+
−→
Pu
+
−Distribuição em minerais
• Encontram-se vestígios de urânio em quase todas as
rochas sedimentares da crosta terrestre, embora este
não seja muito abundante em depósitos concentrados.
O minério de urânio mais comum e importante é
a uraninita, composta por uma mistura de UO
2com
U
3O
8. O maior depósito do mundo de uraninita situa-se
nas minas de Leopoldville no Congo, na África. Outros
minerais que contêm urânio são a euxenita, a carnotita,
a branerita, a torbernite e a coffinita, o urânio se
encontra na porcentagem de 3 mg por litro na água do
mar. Na crosta terrestre o urânio não passa de 0,0003%
ou 3 ppm (partes por milhão) de toda a crosta.
Minérios de Urânio
Мineral Estrutura basica do mineral porcentagem de urânio(%)
Pechblenda UO2, UO3+ ThO2, CeO2 65-74% Carnotita K2(UO2)2(VO4)2· 2H2O ~50% Kasolite PbO2· UO3· SiO2· H2O ~40% Samara (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) · (Nb, Ta, Ti, Sn)2O6 3.15-14% Brunner (U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15 40% Tyuyamunit CaO · 2UO3· V2O5· nH2O 50-60% Tseynerit Cu(UO2)2(AsO4)2 · nH2O 50-53% Autunita Ca(UO2)2(PO4)2· nH2O ~50% Shrekingerit Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH) · 9H2O 25% Uranofan CaO·UO2· 2SiO2· 6H2O ~57% Fergusonite (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4 0.2-8% Thorbun Cu(UO2)2(PO4)2· nH2O ~50% Caixão U(SiO4)(OH)4 ~50%
Reserva/Produção
Principais Países
Reservas Brasileiras de Urânio
• Segundo as recentes projeções, as atuais reservas
geológicas brasileiras de urânio expressas como U
3O
8,
somam 309 mil toneladas (5,9 % das reservas mundiais
conhecidas). Entre as reservas já conhecidas, a
Província de Lagoa Real, descoberta em 1977 com
base em levantamentos aero geofísicos, abrange uma
área de 1200 Km2. A área de Lagoa Real localiza se no
centro-sul do Estado da Bahia.. Nesta região se situa a
mais importante província urinífera conhecida no
Brasil. A área está inserida no quadrilátero formado
pelas cidades de Caetité, Lagoa Real, Maniaçu, e São
Timóteo, próximo à divisa com Minas Gerais. Após a
sua descoberta, diversos trabalhos foram realizados
com vistas a cartografar os corpos mineralizados em
urânio e suas encaixantes, caracterizar o seu
arcabouço estrutural, datar e entender a gênese da
mineralização uranífera e sua distribuição espacial
Reservas Brasileiras
O Brasil possui uma das maiores reservas mundial de urânio o que permite o
suprimento das necessidades domésticas em longo prazo e a disponibilização do excedente para o mercado externo.
Em junho/2001 o País registra a sexta maior reserva geológica de urânio do mundo. Com cerca de 309.000t de U3O8 nos Estados da Bahia, Ceará, Paraná e Minas Gerais, entre outras ocorrências.
Estudos de prospecção e pesquisas geológicas foram realizadas em apenas 25% do território nacional. O País possui também ocorrências uraníferas associadas a outros minerais, como aqueles
encontrados nos depósitos de Pitinga no Estado do Amazonas e área de Carajás, no Estado do Pará, com um potencial adicional estimado de 150.000t.
Produção de Urânio
Pais Produção em 2005 Canadá 11 410 Austrália 9 044 Cazaquistão 4 020 Rússia 3 570 Estados Unidos 1 249 Ucrânia 920 China 920 Pais Produção em 2009 Cazaquistão 13 500 Canadá 9 934 Austrália 8 022Mineração por pais por toneladas de urânio em 2009