Arxiu d'etiquetes: Gasos

Difusió de Gasos

Transferència de Matèria, Unitat Didàctica 1, , ,

La difusió és un dels diversos fenòmens de transport que es troben a la natura. Una de les característiques distintives és que és el resultat de barrejar o transportar massa sense la necessitat d’un moviment macroscòpic del fluid. Per tant, la difusió no s’ha de confondre amb la convecció o advecció, que són altres mecanismes de transport que utilitzen el moviment per moure les partícules d’un lloc a un altre. En llatí “diffundere” significa cap a fora.

Hi ha dues maneres d’introduir el concepte difusió: Una aproximació a partir de les lleis de Fick i la seva conseqüència matemàtica o des del punt de vista Físic, considerant un camí a l’atzar de les partícules que es mouen[1]. Un exemple gràfic seria el que apareix a la figura següent

Diferents exemples gràfics del fenomen de difusió en fase gasosa

D’acord amb la llei de Fick el flux de difusió és proporcional al gradient de concentracions. El moviment és des de regions de major concentració a menys concentració.[2] Des del punt de vista atomista, la difusió es considera com el moviment aleatori de les partícules difusores. En la difusió molecular, les molècules que es mouen són autopropulsades per energia tèrmica. Aquest passeig aleatori va ser descobert el 1827 per Robert Brown.[3] Ara bé, el concepte de difusió és àmpliament utilitzat en altres branques de la ciència on el concepte del moviment a l’atzar en els conjunts d’individus és aplicable: la física (difusió de partícules), la química i la biologia, i fins i tot en ciències socials com la sociologia, l’economia i les finances (difusió de la gent, les idees i dels valors de preus).

Aplicació Pràctica: Ús del fenomen de difusió per a l’enriquiment de l’urani

La difusió gasosa s’empra habitualment per a la producció de l’urani enriquit ja siga tant per a plantes d’energia nuclear com per a la seua aplicació armamentística. L’urani natural conté únicament un 0.72% de l’isòtop radioactiu 235U, que és capaç de mantindre una reacció en cadena de fisió nuclear. Per contra els reactors nuclears requereixen un combustible amb una concentració entre el 2 i el 5% d’aquest isòtop, per a les bombes nuclears aquesta concentració és encara major. Una forma de concentrar l’urani als nivells desitjats és aprofitar la Llei de Graham.

La figura següent mostra una planta d’enriquiment per difusió gasosa on s’introdueix hexaflorur d’urani (UF6, únic compost d’urani suficientment volàtil) en un tanc cil·líndric, conegut com difusor, el qual està dividit mitjançant barreres poroses. És un procés difusiu doncs s’aprofita el gradient de concentració que existeix entre els compartiments del tanc. Com que la diferència entre els pesos moleculars del 235UF6 i 238UF6 és reduida, s’aconsegueix només un 0.4% de concentració. No obstant això, mitjançant l’addició de més compartiments de difusió es crea una seqüència en etapes, coneguda com cascada, on es pot aplegar a la concentració d’urani radioactiu desitjada.

This figure shows a large cylindrical container oriented horizontally. A narrow tube or pipe which is labeled “porous barrier” runs horizontally through the center of the tube and extends a short distance out from the left and right ends of the cylinder. At the far left, an arrow points right into the tube. This arrow is labele, “Uranium hexafluoride ( U F subscript 6 ).” A line segment connects the label, “High pressure feed tube,” to the tube where it enters the cylinder. In the short region of tube outside the cylinder, 5 small, purple circles and 4 small, green circles are present. Inside the cylinder, an arrow points right through the tube which contains many evenly distributed, purple circles and a handful of green circles which decrease in quantity moving left to right through the cylinder. Curved arrows extend from the inner area of the tube into the outer region of the cylinder. Three of these arrows point into the area above the tube and three point into the area below. Two line segments extend from the label, “Higher speed superscript 235 U F subscript 6 diffuses through barrier faster than superscript 238 U F subscript 6,” to two green circles in the space above the tube. In the short section of tubing just outside the cylinder, 8 small, purple circles are present. An arrow labeled, “Depleted superscript 238 U F subscript 6,” points right extending from the end of this tube. The larger space outside the tube contains approximately 100 evenly distributed small green circles and only 5 purple circles. Eight of the purple circles appear at the left end of the cylinder. A tube exits the lower right end of the cylinder. It has 5 green circles followed by a right pointing arrow and the label, “Enriched superscript 235 U F subscript 6.”
En un difusor, el UF6 gasós es bombeja a través d’una barrera porosa, que separa parcialment el 235UF6 del 238UF6. El UF6 ha de passar a través de moltes unitats de difusió grans per aconseguir un enriquiment suficient en 235U.