Como o urânio é enriquecido para fabricar bombas?

O urânio enriquecido é o urânio com uma alta porcentagem do isótopo U-235, que representa apenas 0,72% do urânio natural. O urânio normal é conhecido como U-238, onde o número significa a quantidade de núcleons (prótons e nêutrons) em seu núcleo atômico. O U-235 possui uma quantidade desigual de prótons e nêutrons, tornando-o levemente instável e suscetível à fissão (divisão) dos nêutrons térmicos. Conseguir que o processo de fissão prossiga como uma reação em cadeia é a base da energia nuclear e das armas nucleares.

Como o U-235 tem propriedades químicas idênticas ao urânio normal e é apenas 1,26% mais leve, separar os dois pode ser um grande desafio. Os processos são geralmente bastante intensivos em energia e dispendiosos, razão pela qual apenas alguns países conseguiram alcançá-lo em escala industrial até agora. Para produzir urânio com grau de reator, são necessárias porcentagens de U-235 de 3-4%, enquanto o urânio com grau de armas deve consistir em 90% de U-235 ou mais. Existem pelo menos nove técnicas para a separação de urânio, embora algumas definitivamente funcionem melhor que outras.

Durante a Segunda Guerra Mundial, nos Estados Unidos, quando os pesquisadores buscavam a separação isotópica, uma série de técnicas foi usada. O primeiro estágio consistiu em difusão térmica. Ao introduzir um fino gradiente de temperatura, os cientistas poderiam persuadir partículas mais leves do U-235 em direção a uma região de calor e moléculas mais pesadas de U-238 em direção a uma região mais fria. Isso foi apenas a preparação do material de alimentação para o próximo estágio, a separação isotópica eletromagnética.

A separação eletromagnética de isótopos envolve vaporizar o urânio e depois ionizá-lo para produzir íons com carga positiva. O urânio ionizado foi então acelerado e dobrado por um forte campo magnético. Os átomos U-235 mais leves foram desviados um pouco mais, enquanto os átomos U-238 um pouco menos. Repetindo esse processo muitas vezes, o urânio pode ser enriquecido. Essa técnica foi usada para fazer parte do urânio enriquecido da bomba Little Boy, que destruiu Hiroshima.

Durante a Guerra Fria, a separação de isótopos eletromagnéticos foi abandonada em favor da técnica de enriquecimento por difusão gasosa. Essa abordagem empurrou o gás hexafluoreto de urânio através de uma membrana semi-permeável, que separou levemente os dois isótopos um do outro. Como a técnica anterior, esse processo precisaria ser realizado várias vezes para isolar uma quantidade substancial de U-235.

As técnicas modernas de enriquecimento usam centrífugas. Os átomos mais leves do U-235 são levemente empurrados preferencialmente em direção às paredes externas das centrífugas, concentrando-as onde podem ser extraídas. Como todas as outras técnicas, ela deve ser executada várias vezes para funcionar. Sistemas completos que purificam o urânio dessa maneira utilizam muitas centrífugas e são chamados de cascatas de centrífugas. A centrífuga Zippe é uma variante mais avançada da centrífuga tradicional, que utiliza calor e força centrífuga para separar o isótopo.

Outras técnicas de separação de urânio incluem processos aerodinâmicos, vários métodos de separação por laser, separação por plasma e uma técnica química, que aproveita uma diferença muito pequena na propensão dos dois isótopos para alterar a valência nas reações de oxidação / redução.