Uranio, Fonte De Energia-reanalizado

URÂNIO, FONTE DE ENERGIA – Por João Manuel Oliveira

ÍNDICE ÍNDICE ............................................................................................................... 3  ÍNDICE DE GRÁFICOS E FIGURAS ............................................................ 4  DEDICATÓRIA ................................................................................................. 6  1.  INTRODUÇÃO .......................................................................................... 7  1.1. 

O URÂNIO. ............................................................................................. 8 

1.1.1.  Descobrimento. ................................................................................ 9  2.  CAPÍTULO I - ABUNDÂNCIA E ESTADO NATURAL. ................... 10  2.1. 

MINERAIS DE URÂNIO. ......................................................................... 11 

2.2. 

PROPRIEDADES FÍSICAS. ...................................................................... 12 

2.3. 

PROPRIEDADES QUÍMICAS. ................................................................... 13 

3.  CAPÍTULO II - MÉTODOS DE OBTENÇÃO E PREPARAÇÃO .... 16  4.  CAPÍTULO III - APLICAÇÕES ............................................................ 18  4.1. 

PRODUÇÃO DE ELECTRICIDADE ........................................................... 18 

4.1.1.  Funcionamento de uma central nuclear ........................................ 20  4.1.2.  Vantagens da produção de energia nuclear .................................. 21  4.1.3.  Desvantagens da produção de energia nuclear ............................ 21  4.2. 

APLICAÇÕES MILITARES ...................................................................... 22 

4.2.1.  A bomba nuclear. ........................................................................... 22  4.2.2.  Propulsão nuclear. ........................................................................ 23  4.3. 

OUTRAS APLICAÇÕES........................................................................... 24 

5.  CAPÍTULO IV - EFEITOS AMBIENTAIS E A SAÚDE. ................... 26  5.1. 

EFEITOS AMBIENTAIS ........................................................................... 26 

5.2. 

EFEITOS A SAÚDE................................................................................. 27 

CONCLUSÃO. ................................................................................................. 29  BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 30  ÍNDICE REMISSIVO...................................................................................... 31  Página | 3

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ÍNDICE DE GRÁFICOS E FIGURAS TABELA 1 ‐ PRINCIPAIS ISÓTOPOS DE URÂNIO. ......................................................................................................... 9  TABELA 2 ‐ PROPRIEDADES FÍSICAS DO URÂNIO. ..................................................................................................... 13  TABELA 3 ‐ REACTIVIDADE DO URÂNIO. ................................................................................................................ 14  TABELA 4 ‐ ESTADOS DE OXIDAÇÃO. .................................................................................................................... 14  TABELA 5 ‐ PERCENTAGEM DA ENERGIA PRODUZIDA NO MUNDO .............................................................................. 18  TABELA 6 ‐ ENERGIA NUCLEAR PRODUZIDA NO MUNDO. .......................................................................................... 18 

ILUSTRAÇÃO 1 ‐ ÓXIDO AMARELO DE URÂNIO "YELLOWCAKE" .................................................................................. 10  ILUSTRAÇÃO 2 ‐ HEXAFLUORETO DE URÂNIO (UF6) ................................................................................................ 11  ILUSTRAÇÃO 3 ‐ PERCENTAGEM DA ENERGIA PRODUZIDA NO MUNDO. ....................................................................... 18  ILUSTRAÇÃO 4 ‐ ESQUEMA DE UMA CENTRAL NUCLEAR. .......................................................................................... 19  ILUSTRAÇÃO 5 ‐ REACÇÃO NUCLEAR EM CADEIA. .................................................................................................... 20  ILUSTRAÇÃO 6 ‐ BOMBA ATÓMICA DE FISSÃO ........................................................................................................ 22  ILUSTRAÇÃO 7 ‐ PRIMEIRO NAVIO AERÓDROMO MOVIDO A ENERGIA NUCLEAR. ............................................................ 23 

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AGRADECIMENTOS

O meu agradecimento ao Dr. Edélio Danguillecourt Alvarez por ser o principal mentor deste trabalho e pela confiança demonstrada. Ao meu estimado colega Narciso Ambrósio por todo o apoio técnico e material À todo o estudante do 4º ano do curso de física nuclear da faculdade de ciências, a quem este trabalho se destina primariamente.

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DEDICATÓRIA

À Daniel e Rosa Oliveira

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1. INTRODUÇÃO A concepção do presente trabalho partiu da ideia de se mostrar e fazer chegar aos estudantes da faculdade de ciências, algumas das aplicações mais correntes da energia do átomo e mostrar a íntima relação entre os diferentes cursos ministrados na faculdade no caso concreto da Física da Química e da Geologia. Sendo as aplicações do urânio actualmente um dos temas mais importantes na geopolítica mundial e um dos temas mais comuns das grandes disputas internacionais achou-se actual que se fizesse uma incursão sobre este importante recurso mineral. O conhecimento ainda que básico dos principais usos e métodos de obtenção do urânio deve ser levado a todos os estudantes deste nível de ensino, ainda que como forma de levantarem-se alguns tabus associados a este tema. O facto das principais aplicações do urânio estarem ligadas ao aproveitamento da energia nuclear, e por ser um elemento radioactivo1 é crucial que se estude este elemento pois pode ser dos mais influentes recursos naturais no curso da vida na terra, pelo menos na forma como a conhecemos. Assim não se pode falar em protecção do planeta, excluindo-o. Seus efeitos sobre o ambiente e sobre a saúde do homem podem ser dos mais perigosos. Com o aumento da procura de energia, e com o aparecimento das chamadas «economias emergentes», a transformarem o quadro mundial da procura de energia, o mundo actual vê-se a par de um dilema: “Como satisfazer a crescente demanda por energia, se as fontes actuais (os combustíveis fosseis) são fontes não renováveis e por isto mesmo finitos. Além do mais estão próximas dos seus valores máximos?”.

1

Propriedade que alguns núcleos instáveis têm de emitirem espontaneamente radia-

ção e converterem-se noutros núcleos mais estáveis.

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Muitas soluções a este problema têm sido propostos mas, em muitas delas recai sobre si, a sua real aplicabilidade. Sugere-se então neste trabalho algumas das mais importantes aplicações do urânio, cientes que ele pode ser a uma das respostas para este dilema. 1.1. O urânio. Elemento químico de símbolo U, número atómico2 92. Seu ponto de fusão é 1132ºC e o ponto de ebulição 3818ºC. Pertence a serie dos actinídeos. O urânio natural é uma mistura de três isótopos: •

Uranio-238 (98,8%)3.

•

Uranio-335 (0,712%).

•

Uranio-234 (0,006%).

Isótopos são elementos químicos que possuem o mesmo número atómico mas diferente índice de massa4. Como as propriedades químicas de um elemento só dependem do seu número atómico, todos isótopos são quimicamente idênticos, ocupando o mesmo local na tabela periódica. Dentre estes tem especial importância o

235

U, porque somente este

pode sofrer a reacção de fissão nuclear5 e sustentar uma reacção em cadeia. É de salientar que estas quantidades permanecem, constantes no sistema solar o que permite estimar a idade deste. Embora sejam quimicamente iguais os diferentes isótopos de elemento químico possuem propriedades radioactivas muito diferentes. Na tabela em baixo vemos as principais características dos isótopos de urânio natural. 2

Número de protões no núcleo, o que caracteriza a carga positiva num átomo.

3

As percentagens entre parêntesis representam a abundância relativa destes isótopos dentro de uma amostra de urânio natural. 4

Número de protões e de neutrões no núcleo.

5

Fissão nuclear é uma reacção nuclear na qual um núcleo pesado (número de massa grande) divide-se em dois núcleos mais leves.

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Apresenta-se nela características como a sua constante de desintegração (λ), tipo de radiação, energia da radiação gama emitida, e uma das mais importantes que são os seus períodos de semi-desintegração (T1/2) (ver pag.11). Isótopo

T1/2, anos

λ, s-1

Radiação

Energiaγ, Mev 0,048

238

U

4,51. 109

4,9. 10-18

α,SF*, γ

235

U

7. 108

3,09-17

α,SF*, γ

234

U

2,48. 105

8,9. 10-14

α,SF*, γ

0,053;0,118

Tabela 1 - Principais isótopos de urânio.

1.1.1. Descobrimento. O urânio foi descoberto como óxido em 1789 na pechblenda6 (ver pag. 11) pelo químico alemão Martin Heinrich Klaproth, quem o pôs o nome do planeta Urano. O primeiro a obtê-lo no estado metálico foi E. M. Peligot, em 1841, que reduziu com potássio seu cloreto anidro. As propriedades radioactivas do urânio foram postas em evidência em 1896 quando o físico francês Antoine Henri Becquerel produziu, por acção de um sal fluorescente7 de sulfato de potássio e urânio, uma imagem sobre uma placa fotográfica coberta com uma substância absorvente de luz. As investigações sobre a radioactividade que se seguiram aos experimentos de Becquerel conduziram ao descobrimento do rádio e a novos conceitos sobre a organização interna da matéria.

6

Minério de Urânio.

7

Núcleo que emite luz sem que seja por efeito térmico, num intervalo de tempo inferior

de 10-8 s após a recepção do estímulo.

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2. CAPÍTULO I - ABUNDÂNCIA E ESTADO NATURAL. O urânio é um elemento menos escasso do que se pensou a princípio. É mais abundante que o mercúrio, o antimónio, a prata e o cádmio sendo sua presença na natureza parecida a do molibdénio e do arsénio. O urânio é um material radioactivo que é muito reactivo. Como resultado disto não se pode encontrar no ambiente na sua forma elementar. O urânio nunca se encontra no estado livre senão como óxido ou sal complexo em minerais tais como a pechblenda, um óxido misto de composição entre UO2 e U3O8, a carnotita, um vanadato de uranilo e potássio ((VO4UO2K)dois•3H2 O), a uranita, nas areias de monazita, nas rochas ígneas e no lignito, e pode obter-se mente Ilustração 1 - Óxido amarelo de urânio "Yellowcake"

comercialde

todas

estas fontes.

Acredita-se que está localizado principalmente na crusta terrestre, onde a sua concentração média é de quatro “partes por milhão” (PPM). O conteúdo total na crusta terrestre que vai até a profundidade de 25 km se calcula em 10 13

kg, os oceanos podem conter 10

17

kg de urânio.

Conhecem-se centenas de minerais que contêm urânio, mas apenas alguns poucos são de interesse comercial. Ocupa o 48º posto na classificação

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dos elementos mais abundantes. No solo se encontra em concentrações típicas de umas poucas “partes por milhão” (PPM)8. Certas rochas contêm concentrações

de

urânio

suficientemente altas para ser mineradas. As rochas são levadas a um fábrica química onde se remove o Ilustração 2 - Hexafluoreto de urânio (UF6)

urânio e se converte em

produtos químicos de urânio ou em metal. Uma das propriedades radioactivas do urânio é o período de semi-desintegração, ou o tempo que leva metade do isótopo a emitir sua radiação e a transformar-se a outra substância. Os períodos de semi-desintegração são muito altos (cerca de 200000 anos para o 700 milhões de anos para o

235

U, e cinco mil milhões de anos para o

238

234

U,

·.

U) É

por isto que o urânio ainda existe na natureza e não tenha decaído totalmente. 2.1. Minerais de urânio. Na lista abaixo vemos os principais minérios de urânio. Torita; Alamite; Euxénitev; Tórianite; Uraninita, pechblenda UO2; Torberníte Cu (UO2) dois (PO4)2. 12H2O; 8

PPM – Partes Por Milhão, isto significa que para cada milhão de partes de uma

amostra, existem n partes de certo material.

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Autunita Ca(UO2) dois (PO4)2. 10-12H2O; Carnótite K2(UO2) dois (VO4)2. 3H2O; Branerite; Casolite; Cuprosklodowskite; Curite; Euxénite; Lantinite; Meta-autunite; Meta-tórbernite; Piro cloro (Na, Ca) (Ta, Nb)2O6(O, OH, F). 2.2. Propriedades Físicas. O urânio é um metal radioactivo branco prateado com superfície gris, muito denso, fortemente electropositivo9 e reactivo, dúctil10 e maleável, duro e é quase tão resistente como o aço (um pouco mais brando que o aço) e ligeiramente paramagnético, mas mau condutor de electricidade. É o mais pesado dos elementos naturais. Os três são o mesmo elemento químico, mas têm propriedades radioactivas diferentes. O urânio adopta três formas cristalinas: alfa (688ºC)> beta (776ºC)> gama, sendo a forma beta maleável e dúctil. Muitas aleações11 de urânio são de grande interesse na tecnologia nuclear, já que o metal puro é quimicamente activo e anisotrópico e tem propriedades mecânicas deficientes.

9

Elemento químico com forte tendência a ceder electrões e oxidar-se.

10

Flexível (elástico)

11

Variações de uma substância com diferentes propriedades mecânicas

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Massa atómica 

Assim,

238,0289 uma 

Ponto de Fusão  Ponto de ebulição  Densidade  Potencial normal de redução  Condutividade térmica  Condutividade eléctrica  Calor específico  Calor de fusão  Calor de vaporização  Calor de atomização 

1405,5 K  4200 K  18950 Kg/m3  1,38 V  27,50 J/m s oC  33,3 mΩ cm  117,04 J/kg K  12,6 KJ/mol  417,0 KJ/mol  490,0 KJ/mol de áto‐ mos  Estados de oxidação  18  Energia de ionização  U ‐ U+ 584 KJ/mol     U+ ‐U+2 1420 KJ/mol  Afinidade electrónica  Sem dados  Raio atómico  1,56 Å  Raio covalente  1,42 Å  Raio iónico  U+3=1,11 Å     U+4=0,93 Å     U+5=0,89 Å     U+6=0,80 Å  Volume atómico  12,59 cm3/mol  Polarizabilidade  27,4 Å  Electronegatividade (Pauling)  1,38 

varetas de

as

cilíndricas

urânio

puro

recobertas com silício e conservadas em tubos de alumínio

(lingotes)

empregam-se

nos

reactores nucleares. As aleações do urânio são úteis na diluição de urânio enriquecido

para

reactores e na sua aplicação

como

combustíveis

líqui-

dos.

Tabela 2 - Propriedades físicas do urânio.

2.3. Propriedades químicas. É muito reactivo, se oxida facilmente ao ar frio recobrindo-se com uma capa de óxido. Quando está finamente dividido, arde aos 150ºC e também é atacado pela água fria. Dissolve-se nos ácidos clorídrico e sulfúrico formando sais tetravalentes, separando o hidrogénio dos ácidos e das soluções de sais de outros metais como mercúrio, prata, cobre, estanho, platina e ouro, mostra-se passivo com o ácido nítrico e reage muito lentamente com os ácidos não oxidantes: fosfórico o fluorídrico. O urânio é inerte em relação aos álcalis, mas a adição de peróxido provoca a formação de peruranatos solúveis em água. Página | 13

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O urânio reage reversivelmente com o hidrogénio para formar UH3 a 250ºC. Os isótopos de hidrogénio formam deuteriunato de urânio, UD3, tritiunato de urânio, UT3. O sistema urânio-oxígenio é

Reactividade  Com ar  Suave » U3O8  Com H2O  Suave quando em  pó  Com HCl 6M  Suave » H2; UCl3  Com HNO3  Se mostra passivo  15M  Com NaOH  Não reage  6M 

extremamente complexo. O monóxido de urânio, UO, é uma espécie gasosa que não é estável abaixo dos 1800ºC. No intervalo de UO2 a UO3 existe grande número de fases.

Tabela 3 - Reactividade do urânio.

Os halogenetos de urânio constituem um importante grupo de compostos. O tetra fluoreto de urânio é um intermediário na preparação do metal e o hexafluoreto de urânio, o composto de urânio mais volátil, se emprega na separação dos isótopos de

235

Ue

238

U. Os halogenetos reagem com oxigénio a

temperaturas elevadas para formar uranilos e finalmente U3O8. Estado de oxida‐ ção  UII  UIII     UIV     UV     UVI    

Substancia  UO?  [U(H2O)X]3+ (aq. Instável), UF3  UCl3, etc. [U(C5H5)]  UO2, [U (H2O)X]+4 (aq), sais UF4  UCl4, etc.  U2O5, UO2+ (aq. Instável), UF5  UCl5,UBr5,UF6‐1,UF72‐,UF83‐  UO3,(U3O8),UO22+ (aq),Sais,UF6,  UCl6, Complexos 

Tabela 4 - Estados de oxidação.

O urânio natural é suficientemente radioactivo para impressionar uma placa fotográfica aproximadamente uma hora. Pensa-se que uma boa parte do calor interno da terra pode atribuir-se a presença de urânio e tório.

O urânio reage com quase todos os elementos não metálicos e os seus compostos binários. A 1000ºC combina-se com o nitrogénio para formar um nitrato amarelo. Também se combina com o cloro, o enxofre e o carbono, com que forma carbonato de urânio UC2 que se decompõe na água dando H2 e alguns hidrocarbonetos. Página | 14

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O urânio forma sais de uranilo como o cloreto de uranilo, UO2CL2, que podem decompor-se na presença da luz forte e matéria orgânica e o nitrato de urânio cujos cristais têm a propriedade de ser triboluminiscentes12. Os compostos trivalentes são bastante instáveis e se convertem em hexavalentes por exposição contínua ao ar. O urânio e seus compostos são altamente tóxicos, tanto desde um ponto de vista radiológico como químico. A concentração máxima permissível de compostos solúveis de urânio no 3

ar é 0,2 mg/m do ponto de vista químico. Atendendo a sua radioactividade, a radiação total máxima para o organismo é de 0,2 µCi13. Os compostos de urânio que se tenham formado durante a reacção de urânio com outros elementos e substancias se dissolvem na água. A solubilidade em água de um composto de urânio determina sua mobilidade no meio ambiente, assim como sua toxicidade.

12

Materiais que emitem luz por acção do atrito.

13

Micro Curies é uma unidade não SI para actividade radioactiva. Um Curie é a activi-

dade de 1 g de rádio ou seja

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3. CAPÍTULO II - MÉTODOS DE OBTENÇÃO E PREPARAÇÃO Por causa da grande importância do isótopo ficcionáveis14

235

U, idealiza-

ram-se métodos industriais um tanto complexos para a sua separação da mistura de isótopos naturais. O processo de difusão gasosa, que se utiliza nos Estados Unidos em três grandes plantas, é o processo industrial principal. Outros processos que se aplicam a separação do urânio incluem a centrifugação, em que o hexafluoreto de urânio gasoso se separa em centrifugadoras em cascata, o processo de difusão térmica líquida, a boquilha de separação e a excitação a laser. No procedimento clássico para extrair urânio, a pechblenda triturada e enriquecida por suspensão se mistura com ácido sulfúrico e nítrico. O urânio se dissolve para formar sulfato de uranilo, UO2SO4 o rádio e outros metais se precipitam como sulfatos. Mediante a posterior adição de hidróxido de sódio, o urânio precipita como diuranato de sódio, Na2U2O7•6H2O, conhecido também como o óxido amarelo de urânio. Para obter urânio a partir da carnotita, o minério é finamente triturado e tratado com uma solução quente de soda cáustica e potassa para dissolver o urânio, o rádio e o vanádio que posteriormente há-de separar-se. O urânio extraído se purifica por diversos métodos, principalmente por formação de halogenetos ou óxidos que se reduzem com magnésio, cálcio, alumínio ou carbono a altas temperaturas. O metal também pode ser produzido por electrólises de KUF5 ou UF4, dissolvidos em uma mistura fundida de CaCl2 e NaCl. Estes métodos clássicos de extrair urânio de seus minerais têm sido substituídos na prática actual por procedimentos tais como a extracção com solventes, intercâmbio iónico e métodos de volatilidade selectiva.

14

Que se pode ficcionar.

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O tório natural pode irradiar-se com neutrões para produzir o isótopo 233

U de acordo com esta fórmula. , A preparação de urânio de alta pureza se realiza mediante a decompo-

sição térmica de seus halogenetos sobre um filamento incandescente. Em qualquer dos processos, o urânio se refunde para comercializar-se em lingotes de metal puro ou aleado segundo o uso a que se destina.

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4. CAPÍTULO III - APLICAÇÕES 4.1. Produção de electricidade A produção de energia é actualmente um dos pontos mais importantes na economia mundial. Estando este intimamente relacionado a pobreza15, o aumento da produção de energia deve estar sempre presente na decisão de qualquer governo que pretenda melhorar as condições das suas populações.

Ilustração Tabela 5 - Percentagem 3 - Percentagem da energia produda energia produzida n zida no mundo.

bustível

para

os

O principal uso do urânio é no sector civil, na obtenção de

com-

reactores

nucleares16 que produzem 17% da electricidade total consumida no mundo. Para tal o urânio natural é enriquecido geralmente em

235

U

para 2-3%. Para produzir combustível, o urânio natural é sepa-

Tabela 6 - Energia nuclear produzida no mundo.

rado em duas porções. A porção combustível tem mais

235

U que o normal e se chama urânio enriquecido. A

ção que sobra com menos

235

U que o normal se chama urânio empobrecido.

O urânio natural, enriquecido ou empobrecido é quimicamente idêntico. O urânio empobrecido é o menos radioactivo, o urânio enriquecido é o mais radioactivo. O 15 16

235

U pode utilizar-se directamente como combustível nuclear, em

Segundo tese defendida durante as 10as jornadas técnico-científicas da FESA. Parte central de uma planta de produção de electricidade, onde o calor gerado

durante o processo de fissão nuclear do isótopo 235U é transformado em vapor que vai mover a turbina.

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lugar do urânio natural, ou usar-se como explosivo. 1 Kg de urânio completamente ficcionado tem um poder como combustível equivalente a umas 6. 000 Toneladas de carvão. Até 2003 a título de exemplo, os reactores nucleares produziam cerca de 78% de toda a energia consumida na França e 100% de toda a energia da Eslováquia. As usinas nucleares são centrais termoeléctricas - como as convencionais - compostas de um sistema de geração de vapor, uma turbina para transformação do vapor em energia mecânica e de um gerador para a transformação de energia mecânica em energia eléctrica. A geração de vapor, não ocorre em consequência da combustão de uma material combustível, como o carvão e óleo, e sim devido à ficção de núcleos de átomos de urânio. Um elemento importante nas usinas nucleares são os moderadores,

que

são

substancias

que

podem reduzir a energia cinética dos neutrões. Contrariamente ao que pode parecer, os moderadores não servem para reduzir o processo de Ilustração 4 - Esquema de uma central nuclear.

cisão17 nuclear, pelo contrário

estes servem para a aumentar reduzindo a velocidade dos neutrões18. Para controlar a usina, usam-se barras de cádmio que se introduzem mais ou menos para o interior destas. O isótopo U-235 é o isótopo fissil responsável pela reacção em cadeia nos reactores nucleares. 17

O mesmo que fissão.

18

A probabilidade de um núcleo de urânio sofrer fissão é tanto maior quanto menor for

a velocidade dos neutrões.

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A energia eléctrica por fonte nuclear é obtida a partir do calor da reacção do combustível (urânio) utilizando o princípio básico de funcionamento de uma usina térmica convencional, que é sempre igual; a queima do combustível produz calor, esse ferve a água de uma caldeira transformando-a em vapor. O vapor movimenta uma turbina que, por sua vez, dá partida a um gerador que produz a electricidade. Uma usina nuclear típica, possui capacidade de geração de energia da ordem de 1000 MW·. As turbinas são máquinas térmicas e possuem eficiência limitada pela segunda lei da termodinâmica19. Nas usinas nucleares modernas, a eficiência global é aproximadamente igual a um terço, logo, são necessários 3000 MW de potência térmica para gerar 1000 MW de potência eléctrica. Para se ter uma noção deste valor basta referir que o projecto CAPANDA tem uma capacidade máxima instalada de 520 MW, valor correspondente apenas a metade da electricidade produzida nestas usinas. 4.1.1. Funcionamento de uma central nuclear Quando a ficção do isótopo U-235 ocorre, o núcleo divide-se em duas partes formando dois elementos novos, e deles desprendem-se 2 ou 3 neutrões que, por seu turno, podem chocar-se com outro núcleo de U-235 acarretando nova ficção, novos elementos são formados, provocando uma sequência de ficções denominada reacção nuclear em cadeia. Ocorre que neste processo a massa dos produtos somados, não é igual a massa do reagente (o U-235) como previa a lei da conservação da Ilustração 5 - Reacção massa de Lavoisier, na realidade ela é menor. A nuclear em cadeia.

massa assim desaparecida é convertida em energia de acordo com a lei da conservação da massa-energia. De acordo com esta lei a energia libertada é: ∆

19

∆

.

De acordo com esta lei não se pode transformar todo o calor fornecido a uma

máquina, para transformar trabalho.

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O aproveitamento e controlo dessa energia libertada para a produção de energia eléctrica é feito dentro de reactores nucleares. A fim de optimizar as reacções nucleares costuma-se enriquecer o urânio antes do seu uso nos reactores. Esta operação consiste simplesmente em aumentar o teor do Isótopo U-235 (o único que se ficciona) na mistura de isótopos do urânio natural (U-234, U-235 e U-238). 4.1.2. Vantagens da produção de energia nuclear Dentre as vantagens e contribuições apresentadas pelo uso da energia nuclear em lugar de centrais térmicas convencionais, podemos apontar o facto de quando utilizada para produção de energia eléctrica é uma forma de energia que não emite nenhum gás de efeito estufa (dióxido de carbono, metano, óxido nitroso e outros) e nenhum gás causador de chuva ácida (dióxido de enxofre, óxidos de nitrogénio). A energia nucleoelétrica também não emite nenhum metal carcinogênico20, teratogênico21 ou mutagênico22 (Arsénio, Mercúrio, Chumbo, Cádmio, etc.) como as alternativas que utilizam combustíveis fósseis o fazem. A utilização da energia nuclear também não liberta gases ou partículas que causem poluição urbana ou diminuição da camada de ozónio. Para gerar os 3. 000 MW de potência térmica necessárias para produzir 1. 000 MW de potência eléctrica de uma usina nuclear típica são necessários apenas 3,2 kg de urânio por dia. Numa central térmica convencional alimentada a carvão, para gerar esta mesma potência, precisa queimar 10. 600 Tonelada de carvão por dia, logo 1 kg de urânio é equivalente a 3. 312. 500 Kg de carvão. 4.1.3. Desvantagens da produção de energia nuclear 20

Que causa câncer.

21

Que causa desenvolvimento de monstruosidade.

22

Que causa mutações genéticas, muitas vezes com graves consequências para o

portador.

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Entre as desvantagens da produção de energia nuclear, pode ser apontado o risco de explosões nestas centrais, com a libertação de enormes quantidades de materiais radioactivos (nuvem radioactiva). Embora a construção destas usinas cumpram actualmente rigorosíssimas medidas de segurança, tornando estes riscos mínimos. Acidentes como o que ocorreu em 26 de Abril de 1986 no reactor nº 4 na localidade de Chernobyl na Ucrânia, que foi uma combinação de um projecto inerentemente instável juntamente com diversos erros humanos cometidos durante testes do sistema de refrigeração de emergência, continuam lançando um fantasma sobre a proliferação destes reactores. Outra desvantagem desta forma de produção consiste na dificuldade de manuseamento e armazenamento dos resíduos resultantes (lixo radioactivo). Estes resíduos por vezes podem permanecer perigosos por milhares de anos. 4.2. Aplicações militares Outra das grandes aplicações da energia do núcleo tem sido a sua aplicação militar. Dentre esta tem-se a salientar duas: •

Explosivos nucleares.

•

Propulsão de submarinos e de navios aeródromos.

4.2.1. A bomba nuclear. Neste artefacto, usa-se a enorme energia da cisão nuclear para produzir uma explosão. Um conceito muito importante, é o conceito de massa crítica, esta é a massa mínima de matéria cindível necessária para gerar

Ilustração 6 - Bomba atómica de fissão

uma

reacção

em

cadeia

auto-

sustentável. Uma bomba atómica pequena é Página | 22

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equivalente à 20 000 Toneladas de TNT23 Para uma tal bomba é necessário 1kg de 235U para sustentar uma reacção em cadeia. Por razões óbvias de segurança, uma bomba atómica nunca é construída com a sua massa crítica já presente. Em vez disto, a massa crítica é formada usando explosivos convencionais, como o TNT, para forçar as secções cindíveis a juntarem-se. Os neutrões de uma fonte no centro do instrumento iniciam a reacção nuclear em cadeia. Neste artefacto, usa-se a enorme energia da cisão nuclear para produzir uma explosão. Além disto deve-se ressaltar que a concentração de U-235, para criar uma bomba atómica, é muito maior que a necessária para uma usina nuclear. Numa usina nuclear é suficiente uma concentração de 3%, enquanto para uma bomba atómica a concentração de U-235 deve ser superior ou igual a 30%. Vale notar, que a aplicação dos explosivos nucleares não cinge-se somente como arma de destruição em massa; a sua aplicação em engenharia (como na abertura de novas auto-estradas), tem sido ponderada, pois um só explosivo nuclear pode substituir centenas de toneladas de TNT, o que reduz consideravelmente os custos do projecto e permite uma enorme economia de tempo. 4.2.2. Propulsão nuclear. Neste caso o princípio de funcionamento é totalmente similar ao da produção de energia eléctrica, mas aqui a potência gerada pelo reactor é apenas em parte convertida em energia eléctrica para a alimentação da própria embarcação. A maior parte da potência gerada é utilizada para fazer mover as hélices de propulsão do navio

Ilustração 7 - Primeiro navio aeródromo movido a energia ou do submarino. Começou por ser usado em nuclear. 23

TNT – Tri-Nitro-Tolueno, Explosivo convencional usado para fins militares e civis.

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submarinos passando posteriormente aos navios de superfície, mas sua aplicação tem se mostrado mais vantajosas, para grandes embarcações como os navios aeródromos. 4.3. Outras aplicações 1. Estabilizadores de urânio empobrecido para aviões, satélites artificiais e veleiros. 2. Adição de urânio para a criação de cristais verdes ou fosforescentes24 no amarelo. 3. O grande período de semi-desintegração (ver pag.11) do isótopo

238

U

(4. 51 × 109 anos) é bastante adequado para estimar a idade das rochas ígneas25 e para outros tipos de datação rádio métrica. 4. Empregam-se nos dispositivos inerciais de orientação, em giroscópios, como contrapeso para o controle de aeronaves e como material de blindagem. 5. O

238

U é convertido em plutónio ficcionável nos reactores reproduto-

res. O plutónio26 pode ser usado em reactores, ou em armas nucleares. 6. Alguns acessórios luminosos utilizam urânio, do mesmo modo que o fazem alguns químicos fotográficos (nitrato de urânio) 7. O urânio em estado metálico é usado como brancos de raios X para fazer raios X de alta energia. 8. Seu alto peso atómico faz o U-238 eficaz para a protecção contra a radiação.

24

Núcleo que emite luz que não seja por efeito térmico, num intervalo de tempo supe-

-8

rior a 10 s após a recepção do estímulo. 25

Rochas magmáticas, que chegam a superfície terrestre normalmente em erupções

vulcânicas. 26

Elemento químico transurânico produzido artificialmente, em reactores nucleares

reprodutores.

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9. Fertilizantes de fosfato de antemão contêm altos conteúdos de urânio natural, devido a que o mineral do qual são feitos é tipicamente alto em urânio. 10. O seu nitrato tem-se utilizado como toner fotográfico e o seu acetato usa-se em química analítica. 11. O urânio empobrecido é usado na produção de munições perfurantes e blindagem de alta resistência. 12. Os compostos usam-se na fabricação de vidros especiais (Na2U2O7. 6H2O) e catalises (o carbonato de urânio usa-se na produção de amoníaco).

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5. CAPÍTULO IV - EFEITOS AMBIENTAIS E A SAÚDE. 5.1. Efeitos ambientais O urânio pode encontrar-se no meio ambiente de forma natural em muito pequenas quantidades em rochas, solo, ar e água. Os humanos adicionam metais de urânio e compostos, porque são eliminados durante os processos de mineramento e têxteis. Na água a maior parte do urânio é urânio dissolvido o que deriva das rochas e do solo sobre a qual a água corre. Parte do urânio está em suspensão, de forma que a água toma uma textura de barro. Somente uma parte muito pequena de urânio na água sedimenta do ar. As quantidades de urânio na água potável são geralmente muito baixas. As águas que contêm baixas quantidades de urânio são normalmente segura para beber. Devido a sua natureza, não é provável que se acumule nos peixes ou nos vegetais e o urânio que é absorvido dos alimentos será eliminado rapidamente através da urina e das fezes. Os vegetais de raiz tais como os tubérculos podem conter por tanto concentrações de urânio mais altas que o normal. Quando se lavam os vegetais o urânio será eliminado. A erosão causada nas minas pode provocar que maiores quantidades de urânio sejam libertadas ao meio ambiente. O urânio se encontra nos solos em diversas concentrações que são normalmente muito baixas. Os humanos adicionam urânio ao solo através das actividades industriais. Os compostos no solo se combinarão com outros compostos, que podem permanecer no solo durante anos e movem-se na água subterrânea. As concentrações de urânio são normalmente mais altas no solo rico em fosfato, mas isto não tem por que ser um problema, porque as concentrações normalmente não excedem os limites normais dos solos não contaminados. As plantas absorvem urânio através de suas raízes e o armazenam ali. Página | 26

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5.2. Efeitos a saúde Devido ao facto do urânio ser uma substância radioactiva os efeitos deste sobre a saúde têm sido investigados. Os cientistas não detectaram nenhum efeito maligno nas radiações a nível natural de urânio. Sem dúvidas, podem dar-se efeitos químicos depois da ingestão de grandes quantidades de urânio e isto pode provocar efeitos tais como enfermidade do fígado. Todas as misturas de urânio (natural, enriquecido e empobrecido) têm os mesmos efeitos químicos no corpo. Trata-se de um material muito tóxico que afecta o sistema ósseo, renal e outros órgãos do corpo humano. Por ser radioactivo, é cancerígeno, sobretudo quando se inata junto

222

radão27. Por

esse motivo, a enfermidade mais frequente entre os trabalhadores das minas de urânio é o câncer de pulmão O urânio pode transformar-se noutras substâncias radioactivas, como por exemplo, rádio que podem produzir câncer se você se expõe a elas em suficiente quantidade por um período prolongado. Foram descritos casos de câncer do pulmão e outros câncers em estúdios de minérios de urânio; sem embargo os mineradores também fumavam e estavam expostos a outras substâncias que produzem câncer tais como o 222radão e pó de sílica. As possibilidades de ter câncer são muito mais elevadas quando as pessoas são expostas ao urânio enriquecido, porque é uma forma mais radioactiva do que o urânio natural. Esta forma de urânio emite radiação danosa o que pode levar a que as pessoas desenvolvam câncer em alguns anos. O urânio enriquecido pode causar efeito à reprodução durante os acidentes nas centrais nucleares. A comida, tal como os vegetais, e a água nos proporcionam pequenas quantidades de urânio natural e respiraremos concentrações mínimas de urânio no ar. A concentração de urânio nos mariscos é normalmente tão baixa que pode ser tranquilamente ignorada.

27

Isótopo radioactivo de radão.

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As pessoas que vivem ao lado de vertedores de substâncias perigosas ou ao lado de minas, as que trabalham na indústria do fosfato, as que comem cultivos que cresceram em solo contaminado ou que bebem água de um lugar de despejo de urânio podem experimentar uma exposição mais elevadas que outras pessoas. Os vidros de urânio estão proibidos, mas alguns artistas que, todavia os usam para trabalhos com vidro experimentam uma exposição maior que a normal.

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CONCLUSÃO. O urânio, e suas aplicações, têm sido o ponto fulcral das grandes disputas políticas mundiais. Assim o seu estudo e conhecimento deve ser considerado não apenas do ponto de vista económico, mas também do ponto de vista estratégico, para qualquer país. Devido as consequências sempre gigantescas das suas aplicações (para o bem, ou para o mal), o estudo do urânio deve sempre ser levado em conta em qualquer currículo académico, com especialização em física nuclear. Suas vantagens são então inegáveis, mas devem ser sempre ponderadas as suas desvantagens e perigos, assim, a colheita contínua de saberes sobre como aumentar as vantagens e reduzir os riscos deve ser levado em conta pelos países, na busca de novas fontes de energia. No presente trabalho, foram apresentadas um conjunto importante de informações acerca do urânio. Assim analisados as propriedades químicas e físicas deste importante elemento químico, bem como apresentamos os seus efeitos a saúde e no ambiente. Tais informações podem ser muito úteis do ponto de vista económico e sanitário. Achamos ter atingido os objectivos do nosso trabalho, que eram o de se apresentar de forma sucinta e clara, aquelas informações que achamos úteis apresentar.

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BIBLIOGRAFIA28 CHANG, Raymond – Química, 5ª Edição, Amadora : McGraw hill, 1994. ISBN 972-924-68-6 SETFORD, Stephen [et al.] – Dicionário Escolar da Ciência, Barcelos : Dorling Kindersley, 2004. ISBN 226 154 737 MÁXIMO, António; Alvarenga, Beatriz – Física Vol. 3, Lisboa : Centro do livro Brasileiro. MARTINHO, Eduardo – Elementos de Física Atómica, Lisboa : 1969 MOREIRA, Araújo – Física Básica, Coimbra : Fundação Calouste Gulbenkian, 1975 FRISCH, Otto R. – A Natureza da Matéria, Lisboa : Editorial Verbo, 1973

Mais: •

Textos de apoio aos estudantes (fascículos) da disciplina de química radioactiva.

•

28

Textos de apoio da disciplina de Física nuclear.

As entradas bibliográficas foram feitas segundo a norma portuguesa NP 405.

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ÍNDICE REMISSIVO A 

decaído, 11 descobrimento, 9

A bomba nuclear, 22

difusão gasosa, 16

Alamite, 11

difusão térmica líquida, 16

aplicações do urânio, 7

disputas, 7, 29

Autunita, 12 E  B 

efeito estufa, 21

boquilha de separação, 16

Elemento químico, 8

Branerite, 12

Euxénite, 12 Euxénitev, 11 C 

excitação a laser, 16

carcinogênico, 21

F 

carnotita, 10, 16 Carnótite, 12

fissão nuclear, 8

Casolite, 12

fissionável, 16, 24

centrifugação, 16 I  Ch 

internacionais, 7 isótopos, 8, 14, 16, 21

Chernobyl, 22 chuva ácida, 21

L  C 

Lantinite, 12

crusta terrestre, 10

lignito, 10

Cuprosklodowskite, 12

lixo radioactivo, 22

Curite, 12 M  D  datação, 24

massa crítica, 22, 23 Meta-autunite, 12 Página | 31

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Meta-tórbernite, 12

S 

métodos de obtenção, 7 moderadores, 19

saúde, 27, 29

monazita, 10

sistema solar, 8

mutagênico, 21

T  N 

teratogênico, 21 tetra fluoreto, 14

neutrões, 19, 23

Torberníte, 11 P 

Tórianite, 11 tório, 14, 17

pechblenda, 9, 10, 11, 16

Torita, 11

Piro cloro, 12 plutônio, 24

U 

produção, 18, 21, 22, 23, 25 produção de energia, 18

Uraninita, 11

Propriedades Físicas. veja

urânio, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,

Propriedades quimicas, 13

17, 18, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 27, 28,

propriedades radioactivas, 9, 11, 12

29

Propulção nuclear, 9, 23

urânio empobrecido, 18 urânio enriquecido, 13, 18, 27

R 

uranita, 10 usinas nucleares, 19, 20

reactores nucleares, 13, 18, 19, 21 rochas ígneas, 10, 24

V  vida média, 11

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