REDUÇÃO
DE U 0
THARCÍSIO
3
8
EM PÓ POR ALUMÍNIO
DAMY
DE SOUZA
PUBLICAÇÃO
IEA N ,
Dezembro — 1970
LIQUIDO
SANTOS
226
INSTITUTO DE ENERGIA ATÔMICA
Caixa Postal 11049 (Pinheiros)
CIDADE UNIVERSITÁRIA "ARMANDO DE SALLES OLIVEIRA"
SAO PAULO — BRASIL
REDUÇÃO DE U „ O
n
EM PÕ POR ALUMÍNIO LÍQUIDO*
Tharcísio Damy de Souza Santos
Divisão de Metalurgia Nuclear
Instituto de Energia Atómica
São Paulo - Brasil
Publicação IEA
Dezembro
*
-
N9 226
1970
Separata de "METALURGIA - REVISTA DA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE METAIS", vol. 26, n? 149 ,
abril, p. 283-288, 1970.
Comissão Nacional de'Energia Nuclear
Presidente: Prof.Dr, Hervásio Guimarães de Carvalho
Universidade de São Paulo
Reitor: Prof.Dr. Miguel Reale
Instituto de Energia Atómica
Diretor: Prof.Dr. Rómulo Ribeiro Pieroni
Conselho Técnico-Científico do IEA
Prof.Dr.
Prof.Dr.
Prof.Dr.
Prof.Dr.
José Moura Gonçalves
José Augusto Martins
Rui Ribeiro Franco
Theodoreto H.I. de Arruda Souto
)
)
)
)
pela USP
pela CNEN
Divisões Didático-Científicas
Divisão de Física Nuclear Chefe: Prof.Dr. José Goldenberg
Divisão de Radioquímica Chefe: Prof.Dr. Fausto Walter de Lima
Divisão de Radiobiología Chefe: Prof.Dr. Rómulo Ribeiro Pieroni
Divisão de Metalurgia Nuclear Chefe: Prof.Dr. Tharcísio D.S. Santos
Divisão de Engenharia Química Chefe: Lie. Alcídio Abrão
Divisão de Engenharia Nuclear Chefe: Eng9 Pedro Bento de Camargo
Divisão de Operação e Manutenção de Reatores
Chefe: Eng2 Azor Camargo Penteado Filho
Divisão de Física de Reatores Chefe: Prof.Dr. Paulo Saraiva de Toledo
Divisão de Ensino e Formação Chefe: Prof.Dr. Rui Ribeiro Franco
Divisão de Física do Estado Sólido Chefe: Prof.Dr. Shigueo Watanabe
(1)
REDUÇÃO DE UsOs EM PÕ POR ALUMINIO LÍQUIDO
THARCISIO D . DE SOUZA SANTOS ^
RESUMO
Descreve o autor o estudo experimental realizado na Divisão de Metalurgia
Nuclear do Instituto de Energia • Atômica, ãe redução de ü O , na forma de pó
solto, por alumínio líquido e por ligas líquidas alumínio-urânio, sob proteção de sistema fundido constituído inicialmente por criolita. O estudo visou a obtenção dos
dados principais sobre a influência das principais variáveis de operação que afetam
o teor de urânio na liga e sua recuperação. Foi realizado em conjunto montado
pelo autor, e que consiste essencialmente em cadinho ãe grafita aquecido por alta
freqüência (um MHz), o cadinho sendo aberto à atmosfera e podendo ser facilmente retirado para vasamento de seu conteúdo. Os resultados obtidos no decurso
de sete séries de experiências, compreendendo 36 operações, mostraram que, em
operação com duração total da ordem de 15 minutos, podem ser obtidas ligas de
alto teor, até 57,7% U, com recuperações entre 90 e 98%.
s
1.
INTRODUÇÃO
N e s t a contribuição, descreve o A u t o r os e s tudos e x p e r i m e n t a i s realizados nos laboratórios
da D i v i s ã o de Metalurgia N u c l e a r do I n s t i t u t o de
E n e r g i a N u c l e a r d o I n s t i t u t o de E n e r g i a A t ô m i c a ,
sobre a "redução de U 0 e m pó por alumínio líquido.
3
8
O projeto d e pesquisa desenvolvido v i s o u a
o b t e n ç ã o dos principais dados de operação, t e n d o
e m v i s t a o u t r o programa, de t r a t a m e n t o de elem e n t o s c o m b u s t í v e i s para reatores de pesquisa,
de t i p o placa, e constituídos por núcleo de dispersão U 0 e m alumínio, revestido por l i g a de
alumínio. E s s e . tópico faz parte de p r o g r a m a
maior, para desenvolvimento f u t u r o no I n s t i t u t o
d e E n e r g i a A t ô m i c a , objetivando o e s t u d o de rep r o c e s s a m e n t o pirometalúrgico de e l e m e n t o s c o m bustíveis, inclusive de combustíveis irradiados,
para a s s e g u r a r a separação e recuperação dos
produtos de fissão e a recuperação do u r â n i o residual.
3
8
A l é m do i n t e r e s s e que r e p r e s e n t a o reprocess a m e n t o pirometalúrgico de e l e m e n t o s combustíveis, m e s m o no c a s o de e l e m e n t o s de r e a t o r e s de
pesquisa, o trabalho desenvolvido p e r m i t e ainda
a r e c u p e r a ç ã o direta de urânio, contido n a f o r m a
de U O , e m resíduos e e m m a t e r i a i s e x p e r i m e n tais, r e s u l t a n t e s dos e s t u d o s de d e s e n v o l v i m e n t o
de fabricação dos e l e m e n t o s c o m b u s t í v e i s para
o reator A r g o n a u t a . E s s e s e s t u d o s de desenvolv i m e n t o f o r a m realizados c o m U O natural, pro3
s
3
(1)
(2)
s
Contrbuição Técnica n.» 865. Apresentada ao XXIV Congresso Anual da ABM; São Paulo, SP; julho de 1969.
Membro da ABM; Chefe da Divisão de Metalurgia Nuclear, Instituto de Energia Atômica; Professor Catedrático e Chefe do Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
São Paulo, SP.
s
i
duzido n a própria D i v i s ã o d e Metalurgia N u c l e a r ,
e f o r a m objeto de d i v e r s a s publicações anteriores ( .
).
J
3
P a r a definir as c o n d i ç õ e s de redução de U O
p u l v e r u l e n t o e para e s t u d a r a influência de a l g u m a s das principais v a r i á v e i s , foi organizado u m
e x t e n s o p r o g r a m a de e s t u d o s e x p e r i m e n t a i s , o s
quais f o r a m realizados de julho de 1968 a abril de
1969, c o m a l g u n s períodos de interrupção m a i s
longos. E m a l g u n s casos, v i s a n d o elevar o t e o r
d e u r â n i o n a l i g a obtida, foi f e i t a r e d u ç ã o c o m p l e m e n t a r de U F p o r a l u m í n i o líquido. E s s a p o d e
constituir u m a das f o r m a s a s e r e m utilizadas
para aquele objetivo, p r i n c i p a l m e n t e quando fôr
desejável t e o r de u r â n i o m a i o r d o q u e o corresp o n d e n t e à d a c a r g a de U O e alumínio, contidos n a placa e l e m e n t o combustível.
3
s
4
3
s
O u t r a contribuição técnica c o n d e n s a os principais resultados obtidos no t r a t a m e n t o d i r e t o de
placas e l e m e n t o s c o m b u s t í v e i s contendo n ú c l e o
de d i s p e r s ã o U 0 - A 1 .
S
2.
8
PROCESSO ADOTADO
O p r o c e s s o adotado nos e s t u d o s e x p e r i m e i g
tais adiante relatados, baseia-se e s s e n c i a l m e n t e
na r e a ç ã o :
3 U 0
3
8
+
16 A l ^
8 A1 0
2
3
+
9 U
(1)
V i s t o c o m o a a l u m i n a produto da r e a ç ã o estaria h o e s t a d o sólido à t e m p e r a t u r a e m q u e s e
realiza o processo, é n e c e s s á r i o dissolvê-la e m líquido que d e v e n ã o r e a g i r c o m os d e m a i s const i t u i n t e s do s i s t e m a . O s o l v e n t e q u e satisfaz a
e s s a s condições é a criolita, f l u o r e t o duplo d e alumínio e sódio, cujo ponto de f u s ã o é de 1000°C.
O e m p r e g o de criolita p a r a e s s e objetivo é c o n h e -
— 283 —
284
REDUÇÃO D E U O
3
( 4 )
eido . A solubilidade da alumina na criolita
foi estudada por numerosos autores, em trabalhos clássicos ' K
Nessas condições constituem-se dois líquidos
em equilíbrio: inferiormente, solução metálica de
urânio e alumínio, e, superiormente, solução de
A1 0 em criolita líquida (ou em sistema constituído por A1F e NaF ou outros fluoretos, como
se verá mais adiante). A solução metálica fica
assim protegida pelo líquido criolítico superior,
este podendo ficar exposto ao ar.
Como se disse, em alguns casos pode ser desejável aumentar o teor de urânio na liga, à custa
de UF (ou de UF , inclusive no caso de urânio
enriquecido). Nesses casos deve ser considerada
a seguinte equação:
( 5
2
I
—
E M PÓ POR ALUMÍNIO
Principais característicos
e cadinhos.
LIQUIDO
das
bobinas
e
3
3
4
3 UF«
TABELA
s
Característico
Número de espiras
Altura total das espiras, mm
Diâmetro
espiras,
Diâmetro
Diâmetro
interno do tubo ' das
mm interno das espiras, mm
externo cadinho, mm
Conjunto
menor
Conjunto
maior
6
96
105
6
9
9
90
117
102
77
54
Diâmetro interno cadinho, mm
Altura total cadinho, mm
130
Profundidade útil cadinho, mm
120
74
134
124
6
+
4 Al
—•
4 AIF3 +
3 U
(2)
As reações (1) e (2) desenvolvem-se no sentido indicado, conforme pode ser previsto com
base nos valores da energia livre.
No caso da reação ( 2 ) , com a elevação do
conteúdo de A1F no sistema liquido superior, diminue a solubilidade da alumina, como sabido.
Para aumentar a solubilidade, poder-se-á promover a recomposição da composição original do
banho, o que pode ser feito por meio de adição
de fluoreto de sódio.
O processo adotado permite realizar a reação de redução de forno aberto à atmosfera, uma
vez que a reação de redução dar-se-á na interface
metal-banho líquido superior, este constituído essencialmente por criolita fundida. Nessas condições fica a liga metálica resultante, protegida
da ação oxidante da atmosfera pelo banho fundido superior.
3
3.
LATERAIS DC TIJOLOS REFRATÁWI0S
APARELHAMENTO EMPREGADO
O forno utilizado consiste essencialmente em
um cadinho de grafita, obtido por usinagem de
eletrodo de grafita Acheson, colocado no espaço
interior da bobina percorrida por corrente de
1.000.000 ciclos/s (1 MHz) fornecida por um gerador de alta freqüência, de 25 kW de potência
máxima. O gerador utilizado é de fabricação de
Hochfrequenzwarme Schmidt & Co, Alemanha,
tipo DS 1025. A tensão no ânodo das válvulas é
de 12,5 kV e a corrente máxima de ânodo é de
3,45A. No sentido de não forçar as válvulas, em
todos os trabalhos realizados a potência máxima
foi de 12 kW, para o que corresponde tensão no
ânodo de 6,8 kW para o cadmuo de maiores dimensões.
1
A tabela I reúne os principais dados referentes às bobinas utilizadas e aos cadinhos correspondentes a essas bobinas.
Fig. 1 — Esquema do equipamento empregado para as
experiências.
A figura 1 mostra os principais detalhes referentes ao arranjo do cadinho dentro do espaço
da bobina; ilustra, igualmente, a disposição adotada para proteção térmica parcial, e que consiste em peças refratárias usinadas, as quais eram
justapostas à bobina na ocasião da operação.
Para a retirada da carga, afastam-se essas peças
refratárias e retira-se o cadinho com auxílio de
uma pequena tenaz apropriada, sendo seu conteúdo vasado em seguida em lingoteiras metálicas, previamente préquecidas e que tiveram sua
parede interna revestida por película protetora
adequada, geralmente de suspensão de farinha
de ossos calcinados, em água.
METALURGIA
— VOL. 26 — N.» 149 — ABRIL, 1970
C o m e s s e arranjo é m u i t o fácil o a c e s s o a o
cadinho durante o f u n c i o n a m e n t o , podendo ser
feitas f a c i l m e n t e as adições pela s u a abertura
superior, m e s m o s e m desligar o forno.
4.
DESCRIÇÃO DAS
D E REDUÇÃO
OPERAÇÕES
O s c o n s t i t u i n t e s d a c a r g a e r a m cuidadosam e n t e pesados e c o n s e r v a d o s e m recipientes
apropriados. O c a d i n h o e r a p r e v i a m e n t e préaquecido, a c e r c a de 1000°C, c o l o c a n d o - o e m vazio no
espaço interior à b o b i n a d o f o r n o . U m a v e z concluído o p r é a q u e c i m e n t o , e r a f e i t o o c a r r e g a m e n t o de criolita, o u criolita c o m a g e n t e s de adição
indicados, por m e i o d e u m a calha. L i g a d o o
forno g e r a l m e n t e a p o t ê n c i a e r a limitada a 5 ou
6 k W a t é q u e s e v e r i f i c a s s e a f u s ã o o que e x i g i a
de 6 a 1 0 m i n u t o s , dependendo da carga e d o cadinho e m p r e g a d o ( m a i o r t e m p o para o cadinho
de 1 0 2 m m d e d i â m e t r o e x t e r n o ) . U m a v e z fundida a c a r g a de criolita, e r a g e r a l m e n t e f e i t o d e
u m a s ó v e z o c a r r e g a m e n t o d e alumínio, e m dois
o u t r ê s f r a g m e n t o s . O alumínio ficava recoberto
pela criolita, e l o g o fundia. A p ó s a fusão do
alumínio é q u e e r a f e i t o o c a r r e g a m e n t o do U 0
pulverulento, por m e i o de u m a pequena c a l h a
metálica. A adição era f e i t a p r o g r e s s i v a m e n t e ,
t o m a n d o 3 e 6 m i n u t o s , e, geralmente, s e m a g i t a ç ã o intercalada. P o d i a ser observado q u e o p ó
de U O desaparecia e m s e g u i d a n o b a n h o d e
criolita, s ó p e r m a n e c e n d o na superfície u n s poucos segundos, ou quando, por qualquer m o t i v o , a
m a s s a caída d e pó era u m p o u c o maior.
3
3
8
s
T e r m i n a d a s as adições, f e i t a s da f o r m a indicada e s e m p r e c o m auxílio d a calha, e r a e m seg u i d a f e i t a agitação, c o m auxílio de u m a h a s t e
de grafita m o n t a d a e m c a b o apropriado.
Com
essa h a s t e podia-se perceber, e m alguns casos, a
e x i s t ê n c i a d e m a t e r i a l p a s t o s o n a base d o cadinho, ou p r ó x i m o da base. A a g i t a ç ã o m o d e r a d a
nesses c a s o s e m geral permitia f a z e r desaparecer
essas zonas m a i s pastosas. A o s e r r e t i r a d a a
h a s t e do banho, m u i t a s vezes trazia a ela aderent e metal q u e s e o x i d a v a ao ar, p r o v a v e l m e n t e l i g a
A l - U de alto t e o r de U, o u ainda m i s t u r a s i n c o m p l e t a m e n t e reduzidas de U O c o m alumínio, s e m
completa separação d a a l u m i n a e incorporação
na escória.
3
s
Concluída a o p e r a ç ã o de redução, era o forn o desligado e retirado o c a d i n h o c o m auxílio de
u m a t e n a z e v a s a d o s e u c o n t e ú d o e m lingoteira
metálica, a qual f o r a p r e v i a m e n t e préaquecida.
Habitualmente, a escória de criolita era b a s t a n t e
fluida e a superfície superior n a l i n g o t e i r a m a n tinha-se líquida durante a l g u n s s e g u n d o s a n t e s
de s e solidificar; podia-se perceber no v a s a m e n t o
a p a s s a g e m da liga Al-U, caracterizada por m a i o r
oxidação a o ar. A s l i g a s de e l e v a d o s t e o r e s de
285
urânio, a t é 5 7 , 7 % são m a i s o x i d á v e i s e a haste,
quando retirada a o ar, e m i t e f a g u l h a s características d a m a i o r o x i d a ç ã o dessa l i g a rica.
Depois da abertura da lingoteira prismática, u m a v e z resfriada a escória, podia e m geral
ser perfeitamente separado o lingote metálico
correspondente. A l g u m a s v e z e s o c o a l e s c i m e n t o
n ã o e r a m u i t o perfeito, e e x i s t i a a l g u m a e s c ó r i a
aderida q u e e r a r e t i r a d a por m e i o d e leve percussão. E r a oi bloco m e t á l i c o e m s e g u i d a furado para
a retirada dos c a v a c o s p a r a a n á l i s e química. T o m o u - s e s e m p r e a p r e c a u ç ã o de e x e c u t a r diversos
f u r o s d e broca q u e a t r a v e s s a s s e m o lingote, de m o do a e v i t a r q u e a a m o s t r a g e m f o s s e f a l s e a d a pela
p o s i ç ã o d o m a t e r i a l retirado, o q u e é d e s e prever
e m f a c e do g r a n d e i n t e r v a l o d e solidificação dess a s ligas, que d e v e c a u s a r apreciável s e g r e g a ç ã o
d e urânio.
5.
DADOS DAS EXPERIÊNCIAS
RESULTADOS OBTIDOS
E
1.5 — Primeira
Série — A p r i m e i r a s é r i e
d e e x p e r i ê n c i a s foi realizada n o c a d i n h o d e 77 m m
de d i â m e t r o e x t e r n o e c o m p r e e n d e u i n i c i a l m e n t e
u m conjunto de e x p e r i ê n c i a s p a r a a j u s t a r a s condições d e operação, e, a o m e s m o t e m p o , f o r n e c e r
a p r á t i c a n e c e s s á r i a p a r a o d e s e n v o l v i m e n t o do
programa.
A tabela II r e ú n e os principais dados refer e n t e s a s e t e e x p e r i ê n c i a s realizadas, b e m c o m o
o s resultados obtidos. T o d a s e s s a s o p e r a ç õ e s m o s t r a r a m v a l o r e s b a s t a n t e elevados para os t e o r e s
d e u r â n i o n a l i g a obtida e r e c u p e r a ç õ e s elevadas.
TABELA II — Dados e resultados da primeira série.
Cadinho de 77 mm e cargas com 150 g criolita.
Operação
Al
g
uo
1
2
3
4
5
6
7
53,0
52,0
53,0
52,8
56,4
80,0
42,3
80,0
60,0
60,0
52,8
56,4
80,0
52,3
3
8
g
Escória
g
Liga
Al-U g
U
%
160,0
161,6
164,7
174,8
195,0
65,7
75,5
69,5
80,0
115,3
72,2
26,9
48,5
39,9
49,6
35,6
47,6
43,8
Recuperação U
%
91©
73
70
90
87
83
84
Os v a l o r e s das r e c u p e r a ç õ e s e s t ã o e m algum a s e x p e r i ê n c i a s afetados d e s f a v o r a v e l m e n t e , s e ja por r e t e n ç ã o de glóbulos m e t á l i c o s n o i n t e r i o r
do cadinho, n ã o c h e g a n d o a s e r v a s a d o p a r a dent r o da lingoteira, seja pelo a r r a s t a m e n t o do metal,
p r i n c i p a l m e n t e s e fôr e l e v a d o o t e o r de urânio,
pela h a s t e de grafita utilizada p a r a a g i t a ç ã o . A
retirada da h a s t e m u i t a s v e z e s a r r a s t a v a m a s s a s
de liga, a s quais s e o x i d a v a m a o ar, causando p e r d a s e f a z e n d o d i m i n u i r a m a s s a d e m e t a l obtido,
286
R E D U Ç Ã O D E UaO» EM PÓ POR ALUMÍNIO
falseando assim, para menor, o resultado da recuperação do urânio na liga.
2.5 — Segunda Série — No cadinho de
102 mm de diâmetro externo foram realizadas
novas operações para verificar a influência de
maior massa de criolita (200 g, em lugar de
150 g ) . Com essa maior massa procurou-se verificar o efeito de eventual insolubilidade residual
da alumina, produto da reação. Os valores obtidos constam da tabela III.
ABELA III — Dados e resultados da segunda série.
Cadinho de 102 mm e cargas com 200 g criolita.
Operação
8
9
10
Al
g
uo
g
Escória
g
Liga
Al-U
g
54,0
53,0
61,0
30,0
50,0
70,0
188,5
186,0
201,0
67,0
74,6
91,0
3
8
U
%
36,2
42,2
49,7
Recuperação U
%
81
88
72
Os valores da recuperação foram elevados,
salvo na última das experiências, onde o baixo
valor obtido deve resultar de perda parcial de
massa do metal, por arrastamento na haste ou
por haver ficado retido no cadinho.
3.5 — Terceira Série — A terceira série foi
realizada mais uma vez com cadinho menor, de
77 mm de diâmetro externo, e tomou-se sempre
a precaução de vasar as cargas era temperaturas
muito elevadas. Já se salientou que o cadinho
menor, i>ara as potências empregadas, de 10 kW
no máximo, assegura temperaturas mais elevadas, o que podia ser verificado não só pela côr
atingida, como também pela inexistência de glóbulos metálicos no interior do cadinho, imediatamente após o vasamento de seu conteúdo. A tabela IV reúne dados e resultados obtidos. Todos
os valores da recuperação são bastante consistentes e elevados.
TABELA IV — Dados e resultados da terceira série.
Cadinho de 77 mm e cargas com 150 g criolita.
Operação
N.o
Al
g
uo
g
Liga
Al-U
g
U
g
Recuperação U
%
11
12
13
14
76,0
77,8
80,0
159,0
76,0
77,8
80,0
70,0
111,0
110,0
164,0
183,0
42,7
42,5
30,6
24,6
86
83
87
89
3
8
If.5 — Quarta Série — Esta série de experiências, bem como as subseqüentes, foram realizadas no cadinho de 102 mm de diâmetro externo, e com cargas maiores. Compreendeu 10 operações de redução, 8 com cargas de 150 g de crio-
LÍQUIDO
lita e 2 com cargas de 200 g. Nessas operações,
em 4 delas, utilizou-se exclusivamente U F (reação 2 . ) , duas com sal de origem canadense e
duas com sal de origem alemã. Nas outras seis
cargas, reduziram-se misturas de U O e UF ,
este das duas origens apontadas (Tabela V ) .
4
3
s
4
TABELA V — Dados e resultados da quarta série.
Cadinho de 102 mm, cargas de 150 g criolita e UF .
4
Operação
N.o
Al
g
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
80,0
80,0
80,0
78,4
75,2
78,5
75,0
80,0
106,4
106,6
uo
3
UF
g
8
g
—
40,0
39,2
52,6
55,0
22,5
56,0
—
Liga
Escória
Al-U
g
g
4
80,0a
80,0c
40,0a
39,2c
52,6c
22,5a
52,5c
56,0c
108,4c
106,6a
159,7
166,1
155,5
175,6
175,0
151,2
165,0
131,5
224,8
203,1
108,2
104,3
99,1
93,0
95,0
94,5
107,1
109,3
138,5
119,2
U
%
Recuperação U
%
39,3
42,5
35,2
36,7
36,1
35,8
45,9
41,0
40,5
34,5
62
64
55
55
45
57
80
52
62
45
De uma maneira geral, os rendimentos foram
sempre baixos, provavelmente motivados por temperatura ou por tempo insuficiente. Igualmente,
foi constatado sempre que a haste de grafita arrastava sempre parte da carga em reação, situada na base do cadinho ou na base no liquido superior. Esse arrastamento provoca naturalmente perdas, influenciando assim desfavoravelmente o rendimento obtido. O aumento da proporção de criolita não melhorou os resultados, quer
quanto ao teor de urânio na liga, quer quanto à
recuperação do urânio.
5.5 — Quinta Série — Esta série visou determinar a influência de teores crescentes de
NaCl adicionado à criolita (e de LiF em uma das
operações), sobre o teor de urânio na liga e sobre o rendimento de extração de urânio na liga
Al-U. Mostram os resultados da tabela VI que
teores de NaCl de 5, 10, 15 e 20% na criolita não
causaram alterações coerentes, nem ao teor de
urânio, nem ao valor da recuperação, sendo de se
notar a faixa relativamente ampla de flutuação
dos resultados.
TABELA VI — Dados e resultados da quinta série.
Influências de NaCl e LiF. Cadinho de 102 mm e cargas
de 150 g criolita.
Operação
N.o
NaCl
g
Al
g
uo
3
s
g
Liga
Al-U
U
g
Recuperação U
%
•
25
28
27
28
29
30
Nota:
7,5
15,0
22,5
30,0
15,0*
72,4
78,6
77,6
75,4
76,6
78,6
72,4
78,6
77,6
75,4
76,6
78,6
* LiF em lugar dè NaCl
89,3
114,8
93,8
94,2
113,4
77,4
33,1
38,3
28,4
29,6
41,5
57,7
57
77
47
51
76
79
METALURGIA
— VOL. 26 — N.° 149 — ABRIL, 1970
Já adição de LiF, na proporção de 15% em
relação à criolita, permitiu obtenção de escória
bastante fluida; a liga obtida passou a 44,7% U
e a recuperação de urânio na liga atingiu 79%.
6.5 — Sexta Série — O resultado animador
obtido com a adição de LiF à criolita indicou a
conveniência de ser estudada a influência dessa
adição sobre a redução. Para isso, foram realizadas três operações sucessivas de redução, com
cargas que continham 200 g de criolita e que receberam adições para 5, 10 e 20% de LiF.
Os resultados obtidos (Tabela VII), foram
muito animadores, pois teores de 48,1 e 44,0% U
na liga foram obtidos com recuperações de 90 e
de 92%, respectivamente, para adições de 5 e
.10% LiF. Para 20% LiF o teor é algo mais
baixo (41,3% U), e a recuperação caiu para apenas 64%. Pode entretanto esse resultado ser
devido a separação imperfeita do metal obtido.
TABELA VII •— Dados e resultados da sexta série.
Influência de LiF. Cadinho de 102 mm e cargas de
200 g criolita.
Operação
N.o
LIF
g
Al
g
u,o
g
31
32
33
10
20 •
40
74,0
80,0
80,0
74,0
80,0
.80,0
a
Escória
g
Liga
Al-U
g
234,4
232,8
262,5
100,6
120,6
91,8
U
%
Recuperação U
90
92
64
7.5 — Sétima Série — Havia sido constatado anteriormente pelo autor que a criolita fundida adquiria intensa coloração escura, quase
preta, quando recebia a adição de U 0 acima de
10%. Não dispõe o autor de elementos para
esclarecer se o U 0 está dissolvido na criolita
nessas condições, e nesse caso não se sabendo até
que proporção para cada temperatura dada, ou
se trata de dispersão mecânica de pó de U O no
líquido solidificado de criolita, ou de criolita tendo A1 0 em solução. Essa questão constituirá
objeto de estudos posteriores do autor, que
pretende assim estudar parte do sistema
3NaF.AlF -U 0 .
3
3
8
3
8
6.
CONCLUSÕES
1. O arranjo experimental adotado pelo Autor, e descrito nesta contribuição, permitiu a realização de extensa série de experiências de redução de cargas de U 0 pulverulento por alumínio
líquido, o carregamento do U O sendo feito sobre
líquido superior, constituido por criolita.
3
8
3
s
8
8
3
2
Procurou-se, por isso, nessa sétima série de
experiências, constituir escórias homogêneas, formadas por criolita' com teores crescentes de U 0
adicionado. As cargas líquidas foram a seguir
vazadas em lingoteira, de forma a assegurar resfriamento rápido. O exame da fratura mostrava
corpo sólido relativamente homogêneo, e de côr
escura para preta, dependendo do teor de U 0
adicionado.
Posteriormente, foram essas escórias fundidas, e sobre elas, feito o carregamento de alumínio. Em seguida foram os dois líquidos em contacto agitados com auxílio da haste de grafita, e
depois vasado o conteúdo do cadinho na lingoteira. Separada a escória, verificou-se haver readquirido a coloração clara de criolita. Os lingotes metálicos foram facilmente separados dessa
escória.
Os resultados obtidos foram reunidos na tabela VIII, a qual contem também os dados principais referentes às cargas utilizadas.
. Conforme se depreende desses resultados, os
rendimentos obtidos foram muito elevados, e os
teores de urânio nas ligas correspondem aos conteúdos de UaOa nas escórias utilizadas.
%
48,1
44,0
41,3
3
287
s
2. Nas condições precedentemente descritas, a redução assegura em geral elevados valores
da recuperação e teores de urânio na liga obtida,
os quais dependem da massa de U 0 carregada
em face da massa de redutor, alumínio ou liga alumínio-urânio.
3
8
3
s
3
8
3. Em diversas das experiências realizadas,
principalmente com o cadinho de 107 mm de
diâmetro externo, e quando a duração total da
TABELA VIII — Dados e resultados da sétima série. Redução de criolita com U 0
Cadinho de 102 mm e cargas produzidas com 150 g criolita.
s
U O na
criolita
fundida
%
Criolita com
U O g
Al
g
Escória
S
20,0
25,0
33,7
84,5
190,3
215,9
84,5
190,3
215,9
65,0
134,3
137,5
a
Operação
34
35
36
s
3
s
8
g
U
%
Recuperação
%
89,3
194,7
211,0
6,2
17,2
25,1
61
97
98
Liga
Al-U
REDUÇÃO DE U O EM PÓ POR ALUMÍNIO LIQUIDO
288
3
operação ficou adstrita a cerca de 14 minutos, as
recuperações foram, anormalmente baixas. Essa
anomalia foi atribuída a insuficiência de temperatura, ou de tempo, as perdas sendo devidas a
material retido no cadinho na forma de crostas
pastosas, ou em material aderido à haste utilizada para a agitação da carga. A repetição dessas
experiências em condições melhor definidas esclarecerá provavelmente a causa desse comportamento anômalo.
*
4. A adição de UF à carga para redução,
fias condições experimentais descritas, em geral
não forneceu rendimentos elevados. Isso foi atribuído à variação da composição do banho superior, resultante da elevação do conteúdo de A1F ,
diminuindo assim a solubilidade da alumina nesses banhos hipercriolíticos. Foram empregadas
amostras de UF de duas procedências distintas,
uma de maior densidade aparente solta, e outra
de menor; não foram, contudo, encontradas diferenças quanto à redutibilidade dessas amostras.
4
3
4
5. As cargas de criolita que receberam adições de U Os mostraram aspecto homogêneo na
fratura, até teores de 20% U 0 . Não dispõe entretanto o autor de elementos para esclarecer se
se trata de solução de U O na criolita ou de simples suspensão sólida.
AGRADECIMENTOS
O autor deseja exprimir seu agradecimento
pela colaboração constante que lhe foi dispensada
pelo Sr. Arioswaldo Azevedo, assessor técnico da
Divisão de Metalurgia Nuclear e que há mais de
vinte e cinco anos vem exercendo profícua atividade em pesquisa metalúrgica com o autor. Agradece igualmente ao Sr. Rubens Cima Pezzo, da
Divisão de Metalurgia Nuclear, pela execução dos
conjuntos de bobinas para a unidade de alta-freqüência, e pela colaboração prestada no desenvolvimento do trabalho, principalmente na manutenção da parte elétrica da unidade de alta-freqüência. O programa de pesquisas exigiu a realização de extenso número de análises químicas das
amostras extraídas, as quais foram proficientemente realizadas pela Sra. D. Ludmilla Federgrun
da Divisão de Engenharia Química, chefiada pelo
Lie. Alcídio Abrão. Pela valiosa colaboração recebida, deseja igualmente o autor manifestar seu
agradecimento.
BIBLIOGRAFIA
3
3
3
8
s
SOUZA SANTOS, T. D.; HAYDT, H. M. & FREITAS, C. T. —
"Developments
in Fuel Fabrication
for Research
Reactors
in Brazil".
Proceeddings, Third International Conference
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2.
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Argonauta
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3.
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metalúrgicos
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combustíveis
produzidos
para o reator
"Argonauta"
do
Instituto
de Engenharia
Nuclear".
Metalurgia — Rev.
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6.
V A N LANCKER, M. — Metallurgy
of Aluminium
p . 24, Chapman and Hall Ltd, Londres, 1967.
8
7. Nas melhores condições de operação descritas neste trabalho, foram reduzidas cargas de
U O pulverulento por alumínio líquido, protegido por meio de sistema líquido constituído essencialmente por criolita, ou criolita com 10% LiF.
Os rendimentos podem atingir 92% e os teores de
urânio nas ligas podem passar de 45% U. O processo de redução é rápido, econômico e direto, e
dispensa quaisquer outras etapas ou tratamentos
anteriores.
3
1.
s
6. As escórias de côr preta que continham
20, 25 e 33,7% U 0 , foram submetidas à redução
com alumínio líquido, tendo sido obtidas as ligas
com teores correspondentes às adições feitas, e
sendo bastante elevados os valores da recuperação correspondentes.
3
s
Metallurgy,
v. 1, p . 167
Alloys,
A B S T R A C T
The authors describes the experimental studies, carried out at the Divisão de Meta
lurgia Nuclear of the Instituto de Energia Atômica, concerning the reduction of U^Og, as a
loose powder, with molten aluminum or aluminum-uranium alloy, under the protection of a/
bath of cryolite.
The influence of the principal variables affecting the reduction was studied, in
view of both high uranium contents in the alloy and high recoveries. The experiments were
carried out in an assembly mounted by the author and consisting essentially of an induction
heated graphite crucible which could be easily taken out from the coil to pour its molten
contents. Power was supplied by a high frequency (1 MHz) generator.
The date obtained in seven series of experiences totalling % runs, show that with
1 5 minutes of total operating time, alloys up to 57,if" U were obtained, with recoveries between 90 and 98$.
R E S U M E
L'auteur décrit l'étude^expérimentale, réalisée dans la Divisão de Metalurgia Nuclear de Instituto de Energia Atômica, de la réduction de UoOg sous forme de poudre libre,
par de l'aluminium liquide et pour des alliages liquides aluminium-uranium, sous la protec.
tion d'un système fondu constitué initialement par de la criolite.
L'étude a pour but l'obtention des données sur l'influence des principales variables de l'opération qui effectent la tenem en U de l'alliage et sa récupération. Elle fut
réalisée dans un ensemble monté par l'auteur qui consiste essentiellement en un creuset de
graphite chauffe_par induction dans un four haute fréquence (1 M H z ) , le creuset étant ouvert à l'atmosphère et pouvant être facilement retiré pour couler son contenu.
Les résultats obtenus au cours de sept series d'expériences, comprenant 36 opérations, ont montré que avec une durée totale de l'ordre de 15 minutes on peut obtenir
des
alliages de haute teneur, jusqu'à 57,7$
avec une récupération comprise entre 90 e 98$.
R E S U M E N
Describe el autor el estudio experimental, realizado en la División de Metalurgia
Nuclear del Instituto de Energia Atómica, de reducción de U^Os^en la forma de polvo, por
aluminio líquido y aleaciones aluminio-uranio, bajo la^protección de sistema liquido constituido inicialmente por criolita. El estudio visualizó la obtención de los datos sobre la
influencia de las principales variables de operación que effectan el tenor de U en la alea
cion y su recuperación.
Ful realizado en un conjunto montado por el autor, y que consiste esencialmente
en crisol de grafito calentado por horno de alta frequencia (1 MHz), el crisol siendo abier
to a la atmosfera y podiendo ser fácilmente retirado para la extración de su contenido.
Los resultados obtenidos en el decurso de siete series de experiencias, comprendiendo % operaciones, mostraron que en operaciones con duración total de 15 minutos,
se
puedem obtenir aleaciones de alto tenor em U, hasta 57j7í U, con recuperaciones entre 90 e