Separação de Isótopos de Terras Raras usando Laser

Nicolau A.S.RodriguesInstituto de Estudos Avançados

Roteiro1. 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 FísicosInteração 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?

238U (99,3%)- 92 prótons;- 146 neutrons;- spin nuclear = 0

235U (0,7%)- 92 prótons;- 143 neutrons;- spin nuclear = 7/2- interessante para produção de energia!!!

~ 3% 235U

> 20% 235U

> 45% 235U

1. Motivação: Para que servem isótopos?

O 99mTc é o isótopo mais utilizado em medicina nuclear

99Mo → 99mTc

66 h 6 h

Produção de 99Mo:

- Fissão de urânio altamente enriquecido;

- Ativação de 98Mo

98Mo + 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. MotivaçãoTerras raras: o que são ...

1. MotivaçãoTerras raras: ... e porque isótopos de terras raras são importantes?

Estratégia Nacional de Defesa

Tecnologias de Interesse da Defesa Nacional...

• Sensores Ativos e PassivosSensores magneto-ópticosSensores de radiação

• Fotônica;Lasers mais eficientes e mais potentesGuias de onda para óptica integrada

• Reatores NuclearesAbsorvedores saturáveis (burnable poissons)

• Sistemas Espaciais.

Baterias espaciaisReatores para propulsão nuclear

1 nm = 0,000000001 m !!!

==> Luz é onda eletromagnética transversal, com velocidade de propagação

v = λν

onde λ é o comprimento de onda no meio, tal que λ = λ0/n , com λ

0 sendo o comprimento de

onda no vácuo, e ν a freqüência da onda.

vλ

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.

Interação Radiação-Matéria

Os estados possíveis de uma dada partícula são representados pelos níveis de energia correspondentes. Estado

fundamental

Estadosexcitados

Representação por níveis de energia

E = hν

E2

E1

E2

E1

Se E2 – E

1 ≈ hν , há uma

probabilidade finita do átomo absorver o fóton e ser promovido para o nível 2.

==> Daí as “raias negras” no espectro solar!

Absorção

Espectro do sol, porque os buracos?

E = hν

E2

E1

E2

E1

Há uma probabilidade finita do átomo decair para o nível 1 e emitir um fóton com energia E = E

2 – E

1= hν ,

==> Daí os espectros de emissão característicos de cada substância!

Emissão Espontânea

Misturando Emissão espontânea com níveis de energia.

E2

E1

E2

E1

Se E2 – E

1 ≈ hν , há uma

probabilidade finita do átomo decair e emitir um segundo fóton, gêmeo do primeiro.

E = hν

E = hν

E = hν

Emissão EstimuladaEinstein, 1917

nF fótons por

cm3 ressonantes com a transição

N1 átomos por cm3

no nível 1

N2 átomos por cm3

no nível 2.

dz

nF=nF0B nF N 2−N 1dz

Se N2 < N

1, absorção

Se N2 > N

1, amplificação.

Em um sistema macroscópico...

Inversão de população e mecanismo de bombeamento

Sistema de 4 níveis

E = hν = E3 - E

0

E0

E3

E2

E1

Bombeamento

Meio Ativo

Espelho100% refletor

Espelhosemi-refletor

Tudo inicia-se com emissão espontânea...

Continua com realimentaçãomais amplificação...

E termina com a emissão de um feixe de luz de alta intensidade, colimado,

monocromático e coerente.

A idéia LASER.

CO2

Neodímio

HeNe

Ruby

Cobre

Tipos de lasers

238U- 92 prótons;- 146 neutrons;- spin nuclear = 0

235U- 92 prótons;- 143 neutrons;- spin nuclear = 7/2- físsil!

E o que isso tem a ver com separação de isótopos?

Limite de ionização

Estado excitado 2

Estado excitado 1

Estado fundamental

- Um primeiro laser excita somente o 235U;

- Um segundo laser excita mais uma vez esseÁtomo 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).

Fotoionização a múltiplos passos

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

- 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).

Átomos, ions, gotículas

Pluma altamente direcional

Espectroscopia a laser

Lasers de corante podem ser sintonizádos desde o UV próximo até o IV próximo, em regime contínuo ou pulsado, com larguras de linha “ajustáveis”.

Precisamos ainda de laser adequados

Lasersintonizável

Amostra

Espectrômetro

Tran

smis

são

Comprimento de onda

- 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;

-identificar as sequências de 3 comprimentos de onda que promovem de maneira eficiente a fotoionização

Precisamos saber quais comprimentos de onda o U absorve (Espectroscopia)

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.

1-) Canhão de elétrons aquece amostra sólida de U

gerando vapor atômico

2-) Lasers adequados iluminam o vapor, ionizando seletivamente o 235U.

3-) Eletrodos polarizadosextraem o 235U ionizado.

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.

- 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.

Projeto PASIL

Objetivo: Desenvolver o processo de separação de terras raras usando ablação a laser e fotoionização seletiva

Trabalhos desenvolvidos no IEAv: - Espectroscopia a laser;- Estudos de separação e coleta;- Ablação a laser;

- Altos fatores de enriquecimento em uma única passagem;- Separação de isótopos a partir de alvos complexos.

Feixe de laser

Armadilha de plasma