Separação de Isótopos de Terras
Raras usando Laser
Nicolau A.S.Rodrigues
Instituto de Estudos Avançados
Roteiro
1. Motivação:
- Isótopos: o que são porque um determinado isótopo é mais
interessantes que os outros
- Terras raras: o que são e porque são importantes?
2. Fundamentos Físicos
Interação radiação-matéria
- Quantização da luz e da matéria
- Absorção
- Emissão Espontânea
- Emissão Estimulada
3. Laser
- Inversão de população
- A ideia laser
- Tipos de lasers (lasers sintonizáveis)
Roteiro
4. Separação de isótopos por laser
- Desvio isotópico
- Absorção por múltiplos passos
- Fotoionização seletiva
- AVLIS (SILVA)
5. Trabalhos desenvolvidos no IEAv relacionados a separação
de isótopos de terras raras usando lasers.
1. Motivação:
O que são isótopos?
Mesmo número de prótons e diferente número de nêutrons nos núcleos.
-
-
+ +
-
-
++
Acarreta em:
- diferença de massas;
- diferença de spin nuclear;
- diferença de volume nuclear.
Os processos de separação isotópica são baseados nessas diferenças.
1. Motivação:
Para que servem isótopos?
U (99,3%)
238
- 92 prótons;
- 146 neutrons;
- spin nuclear = 0
~ 3% 235U
> 45% 235U
235
U (0,7%)
- 92 prótons;
- 143 neutrons;
- spin nuclear = 7/2
- interessante para
produção de energia!!!
> 20% 235U
1. Motivação:
Para que servem isótopos?
O 99mTc é o isótopo mais utilizado
em medicina nuclear
99
66 h
Mo
→
99m
Produção de 99Mo:
- Fissão de urânio
altamente enriquecido;
Tc
6h
- Ativação de 98Mo
98
Mo + n → 99Mo
Irradiando Mo natural
com neutrons produz-se
uma “sopa” de vários
isótopos de Mo com
uma pequena
quantidade de 99Mo.
1. Motivação:
Para que servem isótopos?
- Dispositivos fotônicos;
- Meios ativos de lasers;
- Moderadores em reatores nucleares;
- Baterias de longa vida para espaçonaves;
- Sensores magnéticos.....
1. Motivação
Terras raras: o que são ...
1. Motivação
Terras raras: ... e porque isótopos de terras raras
são importantes?
Estratégia Nacional de Defesa
Tecnologias de Interesse da Defesa Nacional...
• Sensores Ativos e Passivos
Sensores magneto-ópticos
Sensores de radiação
• Fotônica;
Lasers mais eficientes e mais potentes
Guias de onda para óptica integrada
• Reatores Nucleares
Absorvedores saturáveis (burnable poissons)
• Sistemas Espaciais.
Baterias espaciais
Reatores para propulsão nuclear
==> Luz é onda eletromagnética transversal, com velocidade de propagação
v = λν
onde λ é o comprimento de onda no meio, tal que λ = λ 0/n , com λ0 sendo o comprimento de
onda no vácuo, e ν a freqüência da onda.
λ
v
1 nm = 0,000000001 m !!!
Interação Radiação-Matéria
Quantização da luz
A luz é formada por “glóbulos”
com energia E = hν cada um,
onde ν é a freqüência da luz e
h= 6,6×10-34 J s é a constante
de Planck.
Quantização da matéria
Cada sistema microscópico
possui um conjunto muito
bem definido de níveis de
energia. Só há um conjunto
de níveis possíveis para
cada sistema em particular.
Representação por níveis de energia
Estados
excitados
Os estados possíveis de uma dada
partícula são representados pelos
níveis de energia correspondentes.
Estado
fundamental
Absorção
E2
E = hν
E1
Se E2 – E1 ≈ hν , há uma
probabilidade finita do átomo
absorver o fóton e ser
promovido para o nível 2.
==> Daí as “raias negras” no espectro solar!
E2
E1
Espectro do sol, porque os buracos?
Emissão Espontânea
E2
E1
Há uma probabilidade finita
do átomo decair para o nível
1 e emitir um fóton com
energia E = E2 – E1= hν ,
E2
E = hν
E1
==> Daí os espectros de emissão característicos
de cada substância!
Misturando Emissão espontânea com níveis de energia.
Emissão Estimulada
Einstein, 1917
E2
E = hν
E1
Se E2 – E1 ≈ hν , há uma
probabilidade finita do átomo
decair e emitir um segundo
fóton, gêmeo do primeiro.
E2
E = hν
E = hν
E1
Em um sistema macroscópico...
N1 átomos por cm3
no nível 1
N2 átomos por cm3
no nível 2.
nF fótons por
cm3 ressonantes
com a transição
dz
n F =n F0 B n F  N 2 −N 1  dz
Se N2 < N1, absorção
Se N2 > N1, amplificação.
Inversão de população e
mecanismo de bombeamento
Sistema de 4 níveis
E3
E2
E = hν = E3 - E0
E1
E0
A idéia LASER.
Meio Ativo
Espelho
100% refletor
Bombeamento
Espelho
semi-refletor
Tudo inicia-se com emissão espontânea...
Continua com
realimentação
mais amplificação...
E termina com a emissão de um feixe
de luz de alta intensidade, colimado,
monocromático e coerente.
Tipos de lasers
CO2
HeNe
Ruby
Cobre
Neodímio
E o que isso tem a ver com
separação de isótopos?
U
238
- 92 prótons;
- 146 neutrons;
- spin nuclear = 0
U
235
- 92 prótons;
- 143 neutrons;
- spin nuclear = 7/2
- físsil!
Fotoionização a múltiplosLimite
passos
de ionização
Estado excitado 2
Estado excitado 1
Estado fundamental
- Um primeiro laser excita somente o 235U;
- Um segundo laser excita mais uma vez esse
Átomo para um nível ainda mais excitado;
- Um terceiro laser é usado para excitar mais
uma vez o átomo de modo que este seja
ionizado (perca um elétron).
Esquema geral do processo
Primeiro precisamos de um vapor que
contenha o isótopo desejado
- Estão sendo realizados no IEAv
estudos de evaporação de metais
em câmaras de vácuo usando
canhões de elétrons.
Ablação a laser
Pluma altamente direcional
Átomos, ions, gotículas
- Estão sendo realizados no IEAv estudos de
evaporação de metais em câmaras de vácuo
usando canhões de elétrons e lasers
(evaporação a laser e ablação a laser).
Precisamos ainda de laser adequados
Lasers de corante podem ser
sintonizádos desde o UV próximo até
o IV próximo, em regime contínuo ou
pulsado, com larguras de linha
“ajustáveis”.
Espectroscopia a laser
Precisamos saber quais comprimentos
de onda o U absorve (Espectroscopia)
Espectrômetro
- Medindo-se a transmissão de
feixes de lasers em função do
comprimento de onda pode-se
verificar em quais comprimentos de
onda ocorre a absorção para o U;
- cerca de 92.000 linhas conhecidas
do U na região do visível;
Transmissão
Laser
sintonizável
Amostra
-identificar as sequências de 3
comprimentos de onda que
promovem de maneira eficiente a
fotoionização
Comprimento de onda
Precisamos fotoionizar seletivamente
e coletar 235U
+
-
- O vapor fotoionizado tem o comportamento de um
plasma e a simples aplicação de um campo elétrico
não é suficiente para extrair os íons;
- Nas colisões entre íons e neutros ocorrem trocas
de cargas, prejudicando a seletividade do processo;
- Estão sendo estudadas configurações de eletrodos
e de campos eletromagnéticos para a extração
eficiente de foto-íons
Enriquecimento de urânio
Objetivo: Desenvolver o processo de enriquecimento de urânio via interação entre laser e vapor atômico.
3-) Eletrodos polarizados
extraem o 235U ionizado.
1-) Canhão de elétrons aquece
amostra sólida de U
gerando vapor atômico
2-) Lasers adequados iluminam
o vapor, ionizando
seletivamente o 235U.
- Altos fatores de enriquecimento em uma única
passagem;
- Agrega alto desenvolvimento tecnológico (a Divisão
de Fotônica é um sub-produto do projeto);
- Processo pode ser empregado em separação de
outros materiais de interesse aeroespacial.
Trabalhos desenvolvidos no IEAv:
- Desenvolvimento de lasers;
- Espectroscopia a laser;
- Estudos de separação e coleta;
- Desenvolvimento de cadinhos
resistentes ao U líquido;
- Estudos de novos processos
de separação a laser.
Projeto PASIL
Objetivo: Desenvolver o processo de separação de terras raras usando ablação a laser
e fotoionização seletiva
Feixe de
laser
Armadilha
de plasma
- Altos fatores de enriquecimento em uma única
passagem;
- Separação de isótopos a partir de alvos complexos.
Trabalhos desenvolvidos no IEAv:
- Espectroscopia a laser;
- Estudos de separação e coleta;
- Ablação a laser;