Enriquecimiento de uranio

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El enriquecimiento de uranio  es un proceso tecnológico de aumento de la proporción del isótopo 235 U en el uranio . Como resultado, el uranio natural se divide en uranio enriquecido y uranio empobrecido .

El uranio natural contiene tres isótopos de uranio: 238 U (fracción de masa 99,2745 %), 235 U (parte 0,72 %) y 234 U (parte 0,0055 %). El isótopo 238U es un isótopo relativamente estable, incapaz de una reacción en cadena nuclear espontánea , a diferencia del raro 235U Actualmente, el 235U es el principal material fisionable en la cadena de tecnología de reactores nucleares y armas nucleares . Sin embargo, para muchas aplicaciones, la proporción del isótopo 235U en el uranio natural es pequeña y la preparación del combustible nuclear suele incluir un paso de enriquecimiento de uranio.

Razones para hacerse rico

Una reacción nuclear en cadena implica que al menos uno de los neutrones formados por la desintegración de un átomo de uranio será capturado por otro átomo y, en consecuencia, provocará su desintegración. En una primera aproximación, esto significa que el neutrón debe "tropezar" con el átomo de 235 U antes de que abandone el reactor. Esto significa que el diseño con uranio debe ser lo suficientemente compacto para que la probabilidad de encontrar el próximo átomo de uranio para un neutrón sea lo suficientemente alta. Pero a medida que el reactor opera, el 235 U se quema gradualmente, lo que reduce la probabilidad de un encuentro entre un neutrón y un átomo de 235 U, lo que obliga a incorporar un cierto margen de esta probabilidad en los reactores. En consecuencia, la baja proporción de 235 U en el combustible nuclear requiere:

En el proceso de mejora de las tecnologías nucleares se encontraron soluciones óptimas económica y tecnológicamente que requieren un aumento del contenido de 235 U en el combustible, es decir, enriquecimiento de uranio.

En las armas nucleares, la tarea de enriquecimiento es prácticamente la misma: se requiere que, en el brevísimo tiempo de una explosión nuclear, el máximo número de átomos de 235 U encuentren su neutrón, se desintegren y liberen energía. Esto requiere la máxima densidad volumétrica posible de 235 átomos de U, que se puede lograr con el máximo enriquecimiento.

Niveles de enriquecimiento de uranio

El uranio natural con un contenido de 235 U del 0,72% se utiliza en algunos reactores de potencia (por ejemplo, en CANDU canadiense ), en reactores productores de plutonio (por ejemplo, A-1 ).

El uranio con un contenido de 235 U hasta el 20 % se denomina poco enriquecido ( LEU , inglés  Low enriched uranium, LEU ). El uranio con un enriquecimiento del 2-5 % se utiliza actualmente de forma generalizada en los reactores de potencia de todo el mundo. El uranio enriquecido hasta un 20% se utiliza en reactores de investigación y experimentales. LEU con un alto contenido de muestras (High-assay LEU, HALEU ): uranio enriquecido hasta un 5–20 %.

El uranio con un contenido de 235 U superior al 20% se denomina altamente enriquecido ( en inglés  Highly enriched uranium, HEU ) o armamento . En los albores de la era nuclear, se construyeron varios tipos de armas nucleares basadas en uranio con un enriquecimiento de alrededor del 90%. El uranio altamente enriquecido se puede usar en armas termonucleares como un tamper (capa de compresión) de una carga termonuclear. Además, el uranio altamente enriquecido se utiliza en reactores de energía nuclear con una larga duración de combustible (es decir, con reabastecimiento de combustible poco frecuente o sin reabastecimiento), como reactores de naves espaciales o reactores de a bordo.

El uranio empobrecido con un contenido de 235U de 0,1 a 0,3 % permanece en los vertederos de las instalaciones de enriquecimiento . Es ampliamente utilizado como núcleo de proyectiles de artillería perforantes debido a la alta densidad del uranio y al bajo costo del uranio empobrecido. En el futuro, está previsto utilizar uranio empobrecido en reactores de neutrones rápidos , donde el uranio-238 , que no admite una reacción en cadena , se puede transmutar en plutonio-239 , que admite una reacción en cadena. El combustible MOX resultante se puede utilizar en reactores de potencia de neutrones térmicos tradicionales .

Tecnología

Hay muchos métodos de separación de isótopos [1] . La mayoría de los métodos se basan en las diferentes masas de átomos de diferentes isótopos: el 235 es ligeramente más ligero que el 238 debido a la diferencia en el número de neutrones en el núcleo. Esto se manifiesta en la diferente inercia de los átomos. Por ejemplo, si haces que los átomos se muevan en un arco, los pesados ​​tenderán a moverse a lo largo de un radio mayor que los ligeros. Los métodos electromagnéticos y aerodinámicos se basan en este principio. En el método electromagnético , los iones de uranio se aceleran en un acelerador de partículas elementales y se retuercen en un campo magnético. En el método aerodinámico , se sopla un compuesto de uranio gaseoso a través de una boquilla de voluta especial. Un principio similar está en la centrifugación de gas : un compuesto gaseoso de uranio se coloca en una centrífuga, donde la inercia hace que las moléculas pesadas se concentren contra la pared de la centrífuga. Los métodos de difusión térmica y de difusión de gas utilizan la diferencia en la movilidad de las moléculas: las moléculas de gas con un isótopo ligero de uranio son más móviles que las pesadas. Por lo tanto, penetran más fácilmente en los pequeños poros de las membranas especiales que utilizan tecnología de difusión de gas . En el método de difusión térmica , las moléculas menos móviles se concentran en la parte inferior más fría de la columna de separación, desplazando a las más móviles en la parte caliente superior. La mayoría de los métodos de separación funcionan con compuestos de uranio gaseoso, más comúnmente UF 6 .

Muchos de los métodos se han ensayado para el enriquecimiento industrial de uranio, pero en la actualidad prácticamente todas las instalaciones de enriquecimiento funcionan sobre la base de la centrifugación de gases . Junto con la centrifugación, el método de difusión de gas fue ampliamente utilizado en el pasado. En los albores de la era nuclear, se utilizaron métodos electromagnéticos, de difusión térmica y aerodinámicos. Hasta la fecha, la centrifugación demuestra los mejores parámetros económicos para el enriquecimiento de uranio. Sin embargo, se están realizando investigaciones sobre métodos de separación prometedores, como la separación de isótopos por láser.

Producción de uranio enriquecido a nivel mundial

El trabajo de separación de isótopos se calcula en unidades especiales de trabajo de separación ( SWU ) .  Capacidad de la planta de separación de isótopos de uranio en miles de SWU por año según WNA Market Report .

País empresa, fábrica 2012 2013 2015 2018 2020
Rusia Rosatom 25000 26000 26578 28215 28663
Alemania, Holanda, Inglaterra URENCO 12800 14200 14400 18600 14900
Francia orano 2500 5500 7000 7500 7500
Porcelana CNNC 1500 2200 4220 6750 10700+
EE.UU URENCO 2000 3500 4700 ? 4700
Pakistán, Brasil, Irán, India, Argentina 100 75 100 ? 170
Japón JNFL 150 75 75 ? 75
EE.UU USEC : Paducah y Piketon 5000 0 0 0 0
Total 49000 51550 57073 61111 66700


Véase también

Notas

  1. ↑ Enriquecimiento más barato. Experto atómico. Archivado desde el original el 8 de abril de 2014. Revisión de la historia y tecnologías del enriquecimiento de uranio.

Enlaces

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