ESTUDOS DE ELETRODEPOSIÇÃO DE NÍQUEL SOBRE URÂNIO METÁLICO DESTINADOS À FABRICAÇÃO DE ALVOS DE IRRADIAÇÃO

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Nesse estudo, pretende-se desenvolver uma tecnologia de eletrodeposição de níquel sobre urânio metálico de forma a protegê-lo completamente, criando uma barreira de níquel sobre o urânio metálico, selando-o de forma a ser montado no recipiente de alumínio, produzindo-se assim o alvo. Pretende-se basear as pesquisas de forma a crescer uma camada homogênea e selante de níquel, utilizando banhos de Watts e surfactantes disponíveis. Todas as avaliações deverão ser controladas em níveis microestruturais com auxílio de microscopia eletrônica.

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Objetivos

Objetiva-se nesse trabalho de IC o treinamento do aluno no Laboratório de Análises Eletroquímicas do Centro de Combustível Nuclear nas seguintes linhas de pesquisa:

- Desenvolver estudos de eletrodeposição de níquel sobre substratos de alumínio, simulando eletrodeposição de níquel sobre urânio metálico;

- Otimizar a composição do eletrólito niquelador, baseado no banho de Watts sofrendo adições surfactantes.

- Otimizar o crescimento mássico da camada eletrodepositada de níquel até o nível de 20µm de espessura.

- Fazer análise microestrutural da morfologia, objetivando o melhor fechamento do eletrodepósito.

- Analisar eletroquimicamente por EIS e por curvas potenciostáticas a formação e resistência da camada formada.

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Justificativa:

Quanto ao primeiro objetivo, ele se encaixa na pesquisa do CCN que almeja a construção de alvos de irradiação alternativos. Essa metodologia possibilitaria uma simplificação do método proposto para produção de alvos, que utiliza dispersão de UAlx-Al e que segue uma pós-irradiação com rota alcalina, com alto nível de rejeição de componentes corrosivos e radioativos. A rota ácida, com base no urânio metálico recoberto com níquel, permite a dissolução de pós-irradiação pela rota ácida, que tem vantagens de processamento.

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revisão bibliografica

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Preparação Metalográfica

Schlesinger e Paunovic [8] relata que a preparação metalográfica das amostras consiste em eliminar as irregularidades, asperezas, bem como os contaminantes da superfície da peça. Durante um pré-tratamento, a peça é tratada física e quimicamente. Um dos processos de tratamento mais realizado seguiria as seguintes etapas:

- Lavagem para se eliminar o máximo de contaminantes da superfície original;

- Lixamento para criar ranhuras onde será realizada a deposição do material;

- Desengraxe com objetivo de remoção de substâncias gordurosas;

- Remoção de óxidos (decapagem), feita com ácidos e bases fortes, por imersão ou eletrolítico. O desengraxe pode ser feito com solventes orgânicos. [9]

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Processos de Eletrodeposição

Lei de Nernst

A lei de Nernst permite calcular o potencial termodinâmico Et, em volts, de um acoplamento redox em função de seu potencial normal E0 e das concentrações das espécies na solução. O potencial de equilíbrio redox é definido por:

Equação 1[pic 4]

onde E0 é o potencial normal nas condições padrão, F é a constante de Faraday (96487 C/mol), n é o número de elétrons trocados para reduzir a oxidação, R é a constante dos gases perfeitos (8,3143 J.mol-1.K-1), T a temperatura em Kelvin (298,15 K), a(x) é a atividade (ou concentração) da componente x[10].

Uma vez que um eletrodo metálico num potencial fixo é imerso em um eletrólito, ele produz um rearranjo dos íons da solução na região próxima da interface metal solução. O transporte de matéria é então um fenômeno que alimenta o consumo das espécies iônicas no eletrodo. Este transporte é devido à soma de três contribuições [10]: convecção, difusão e a migração.

A convecção é o transporte das espécies sob a influência de um gradiente de agitação mecânica ou agitação térmica. A agitação da solução permite homogeneizar a solução. O fluxo de convecção Φconv depende da concentração local C das espécies e sua velocidade relativa de deslocamento. Pode-se escrever então que:[pic 5]

Equação 2[pic 6]

A difusão é o transporte das espécies sob a influência dos gradientes de potenciais químicos. As reações eletroquímicas nos eletrodos produzem diferenças de concentração entre a vizinhança dos eletrodos e a solução. Os gradientes de concentração provocam então um movimento das espécies das zonas mais concentradas para as zonas mais diluídas. No caso de uma eletrólise, como as espécies eletroativas são consumidas nas superfícies dos eletrodos, a difusão não pára de fornecer espécies eletroativas para a interface metal-solução. Uma eletrólise pode assim ser realizada sem convecção forçada, sendo então a difusão o único motor da alimentação em espécies eletroativas. A difusão engloba todas as espécies na solução. O fluxo produzido por uma espécie sob o efeito de um gradiente de concentração C é expresso por[10][11][12]:

Equação 3[pic 7]

onde D é o coeficiente de difusão da espécie considerada.

A migração é o transporte das espécies sob a influência do campo elétrico reinante entre os eletrodos. Este modo de transporte só afeta as espécies iônicas (enquanto que a convecção e a difusão afetam todas as espécies iônicas e moleculares). Os cátions (cargas positivas) migram na direção do eletrodonegativo (catodo) enquanto que os ânions (cargas negativas) deslocam-se na direção do eletrodo positivo (anodo). O conjunto dos movimentos de carga por migração corresponde à passagem de corrente pela solução. A migração e a difusão podem entrar em competição sob um mesmo íon. Por exemplo, se o fluxo de difusão