El hexafluoruro de uranio empobrecido (otros nombres: DUF , colas de uranio , ing. DUF6 [1] ) es un subproducto del procesamiento del hexafluoruro de uranio en uranio enriquecido , una de las formas químicas del uranio empobrecido [2] (hasta un 73-75 % ), junto con el óxido nitroso empobrecido -óxido de uranio [3] (OZOU, hasta el 25 %) y el uranio metálico empobrecido [4] (hasta el 2 %), es 1,7 veces menos radiactivo que el hexafluoruro de uranio y el uranio natural [5] .
Los conceptos de uranio empobrecido y enriquecido aparecieron casi 150 años después del descubrimiento de uranio por Martin Klaproth en 1789 . En 1938, varios científicos: los físicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann [6] descubrieron, y L. Meitner y O. Frisch y, en paralelo con ellos, G. von Droste y Z. Flügge, fundamentaron teóricamente la fisión del núcleo atómico de el isótopo 235U [7] . Este descubrimiento fue el comienzo del uso pacífico y militar de la energía intraatómica del uranio [8] . Un año después, Yu. B. Khariton y Ya. B. Zel'dovich demostraron teóricamente por primera vez que con un ligero enriquecimiento de uranio natural en el isótopo 235U, es posible darle al proceso un carácter en cadena, creando el necesario condiciones para la fisión continua de núcleos atómicos [9] . El principio de una reacción nuclear en cadena implica que al menos un neutrón , durante la desintegración de un átomo del isótopo 235U , será capturado por otro átomo de 235U y, en consecuencia, también provocará su desintegración. En este proceso, la probabilidad de tal “captura” juega un papel importante. Para aumentar esta probabilidad, es necesario un aumento fraccional del isótopo 235U, que es solo un 0,72 % en el uranio natural, junto con el principal 238U , que ocupa el 99,27 % y el 234U - 0,0055 %, respectivamente. Una pequeña proporción del contenido del isótopo 235U en el uranio natural, cuando se usaba como material fisionable primario en la mayoría de las áreas de la tecnología nuclear , requería el enriquecimiento del uranio natural para este isótopo.
Con el tiempo, en el proceso de mejora de las tecnologías nucleares, se identificaron soluciones tecnológicas y económicas óptimas que requieren un aumento de la proporción de 235U, es decir, el enriquecimiento de uranio [10] y, como resultado de estos procesos, la aparición de un equivalente cantidad de uranio empobrecido con un contenido de isótopos 235U inferior al 0,72 %. El grado de contenido de 235U en el uranio empobrecido formado durante el proceso de enriquecimiento depende del propósito del enriquecimiento [11] .
A mediados de los años 60 del siglo pasado , Estados Unidos tenía el monopolio del suministro de combustible de uranio para las centrales nucleares occidentales . En 1968, la URSS anunció su disposición a aceptar pedidos para el enriquecimiento de uranio [12] . Como resultado, comenzó a formarse un nuevo mercado competitivo en el mundo, comenzaron a aparecer nuevas empresas de enriquecimiento comercial ( URENCO y Eurodif). El primer contrato de la URSS se firmó en 1971 con el Comisariado de Energía Atómica de Francia , donde se construyeron activamente plantas de energía nuclear. En 1973 ya se habían firmado unos 10 contratos a largo plazo con empresas energéticas de Italia , Alemania , Gran Bretaña , España , Suecia , Finlandia , Bélgica y Suiza [13] . En 1975, la URSS ocupaba el 9% del mercado mundial de enriquecimiento de uranio. A fines de la década de 1980, la URSS también ingresó al mercado estadounidense. Al mismo tiempo, los servicios de enriquecimiento en la URSS eran significativamente más baratos que los occidentales (el precio de SWU en la década de 1980 era al menos dos veces más bajo que el de los europeos URENCO y Eurodif ($ 115-190) frente a $ 60-65 en la URSS) [14] . El pico de entregas de exportación de servicios para el enriquecimiento de la época soviética en 1979-1980 fue de hasta 5 millones de SWU por año [15] , lo que representó hasta 1/3 de todas las capacidades soviéticas de enriquecimiento de uranio [16] . El desarrollo del mercado de enriquecimiento ha llevado a la acumulación durante este período de más de 2 millones de toneladas de DUHF en el mundo [17] .
Desde el comienzo del descubrimiento del uranio y sus propiedades, algunos términos, como Q-metal, depletalloy o D-38, han sufrido una transformación o han perdido completamente su relevancia [18] , y han aparecido otros nuevos en su lugar. El hexafluoruro de uranio empobrecido, en contraste con la terminología inglesa que tiene un entendimiento común (DUF6), en ruso tiene otro término de uso frecuente: "colas de uranio". El hexafluoruro de uranio empobrecido en un entorno no científico también se denomina uranio empobrecido (DU), y el uranio empobrecido, a su vez, hexafluoruro de uranio (fluoruro de uranio (VI) ) [19] . Estos tres términos tienen diferencias significativas no solo en la composición isotópica (en la versión DUHF, como producto del procesamiento del fluoruro de uranio (VI), sino también en la comprensión del todo y sus partes constituyentes. El uranio empobrecido, como concepto completo, dependiendo del propósito, puede estar en varias formas químicas: en forma - DUHF, la más común, con una densidad de 5,09 g / cm³, en forma de óxido nitroso empobrecido con una densidad de 8,38 g/cm³, en forma de uranio empobrecido metálico con una densidad de 19,01 g/cm³ [20] .
Artículo principal: hexafluoruro de uranio
Las principales diferencias entre el hexafluoruro de uranio y el DUHF, además de la composición isotópica, son la diferencia en su origen y posterior propósito y aplicación. El hexafluoruro de uranio es un producto intermedio creado artificialmente por fluoración de tetrafluoruro de uranio con flúor elemental [21] , en las cantidades necesarias para obtener uranio enriquecido. DUHF es un producto residual del procesamiento de hexafluoruro de uranio en uranio enriquecido. Una vez completado el proceso de enriquecimiento de 235U, el hexafluoruro de uranio original, con una composición isotópica natural (debido a la proporción de isótopos de uranio natural), se convierte en otros dos productos de procesamiento (con nuevas proporciones de isótopos de 235U, 238U y 234U), en enriquecido uranio y en DUHF.
Debido a las propiedades químicas idénticas de varios isótopos de uranio [22] , las propiedades químicas y físicas de las sustancias de hexafluoruro de uranio empobrecido y hexafluoruro de uranio con la composición natural de isótopos, así como del uranio enriquecido, son idénticas, excepto por el grado de radioactividad. El hexafluoruro de uranio empobrecido, como forma primaria de uranio empobrecido, se puede convertir en otras formas de uranio empobrecido con una densidad diferente. En condiciones normales, el DUHF es un cristal transparente o gris claro con una densidad de 5,09 g/cm3. A una temperatura inferior a 64,1 °C y una presión de 1,5 atmósferas, el DUHF sólido pasa a la forma gaseosa y viceversa sin pasar por la fase líquida. Temperatura crítica 230,2 °C, presión crítica 4,61 MPa.
La radiactividad del DUHF está completamente determinada por la composición isotópica y la proporción de isótopos de uranio (234U, 235U y 238U), ya que el flúor natural incluido en el compuesto tiene un solo isótopo estable 19F. La actividad específica del hexafluoruro de uranio natural (que contiene 0,72 % de 235U) es de 1,7 x 10 4 Bq /g y está determinada en un 97 % por isótopos de 238U y 0,234U.
| isótopo de uranio | Fracción de masa en uranio natural | Vida media , años | Actividad de 1 mg de isótopo puro | Contribución a la actividad del uranio natural |
| 238 tu | 99,27% | 4,51 × 109 | 12,4 Bq | 48,8% |
| 235U _ | 0,72% | 7.04× 108 | 80 Bq | 2,4% |
| 234 tu | 0.0055% | 2,45 × 105 | 231000 Bq | 48,8% |
Cuando el uranio se enriquece, el contenido de isótopos ligeros, 234U y 235U, aumenta en él. Y aunque el 234U*, a pesar de una fracción de masa mucho más pequeña, hace una mayor contribución a la actividad, el 235U es el objetivo para su uso en la industria nuclear. Por tanto, el grado de enriquecimiento o empobrecimiento del uranio está determinado por el contenido de 235U. Dependiendo del contenido de 235U por debajo del nivel natural de 0,72%, la actividad de DUHF puede ser muchas veces menor que la actividad del hexafluoruro de uranio natural:
| Tipo de hexafluoruro de uranio | Grado de contenido 235 U | Tasa de decaimiento radiactivo, Bq/g | Actividad hacia el hexafluoruro de uranio natural |
| Natural
(con composición natural isótopos de uranio) |
0,72% | 1,7 × 104 | 100% |
| agotado | 0,45% | 1,2 × 104 | 70% |
| 0,2% | 5,3 × 103 | 32% | |
| 0,1% | 2,7 × 103 | dieciséis% |
* Los valores de actividad específica incluyen la actividad de 234U, que se concentra durante el enriquecimiento, y no incluyen el aporte de productos hijos.
Para la energía nuclear , se utiliza uranio poco enriquecido (LEU) con un enriquecimiento del 2-5 % (con algunas excepciones cuando se utiliza en una composición natural del 0,72 %, por ejemplo, en los reactores de potencia canadienses CANDU ) , en contraste con el grado armamentístico. el uranio altamente enriquecido con un contenido de átomos de 235U es más del 20% y, en algunos casos, más del 90%, alcanzado en el enriquecimiento máximo. Para obtener uranio enriquecido, se utilizan varios métodos de separación de isótopos, principalmente centrifugación y, antes, el método de difusión gaseosa. La mayoría de ellos trabajan con hexafluoruro de uranio gaseoso ( UF6 ), que a su vez se obtiene por fluoración de tetrafluoruro ( UF4 + F2 → UF6) u óxidos de uranio (UO 2 F2 + 2F2 → UF6 + O2) con flúor elemental, con una gran liberación de calor en ambos casos. Dado que el hexafluoruro de uranio es el único compuesto de uranio que pasa a estado gaseoso a una temperatura relativamente baja, desempeña un papel clave en el ciclo del combustible nuclear como sustancia adecuada para separar los isótopos 235U y 238U [24] . Después de obtener (mediante métodos de centrifugación o difusión de gases) a partir de hexafluoruro de uranio con una composición isotópica natural de uranio enriquecido, la parte restante (alrededor del 95% de la masa total) se convierte en hexafluoruro de uranio empobrecido (como una de las formas de uranio empobrecido), que consiste principalmente en 238U, ya que el contenido de 235U es muy inferior al 0,72% (dependiendo del grado de enriquecimiento) y prácticamente no hay 234U. Hasta la fecha, el mundo ha acumulado alrededor de 2 millones de toneladas de uranio empobrecido. Su parte principal se almacena en forma de DUHF en contenedores especiales de acero [25] [26] .
La forma en que los diferentes países manejan el uranio empobrecido depende de su estrategia del ciclo del combustible nuclear. El OIEA reconoce que el establecimiento de políticas es prerrogativa del Estado (cláusula VII de la Convención conjunta sobre seguridad en la gestión del combustible gastado y sobre seguridad en la gestión de desechos radiactivos [27] ). Dadas las capacidades tecnológicas y los conceptos del ciclo del combustible nuclear en cada país que cuenta con instalaciones de separación, el DUHF puede considerarse como un valioso recurso de materia prima o residuo radiactivo de baja actividad. Por lo tanto, no existe un estatus legal único de DUHF en el mundo. El dictamen de expertos del OIEA ISBN 92-64-195254, 2001 [28] y el informe conjunto de la AEN de la OCDE y la Gestión del uranio empobrecido del OIEA, 2001 reconocen al DUHF como un valioso recurso de materia prima [23] .
| Producción de separación, país | DUHF acumulado
(mil toneladas) |
Crecimiento anual
Reservas DUHF (mil toneladas) |
formulario de almacenamiento
uranio empobrecido (DUF, óxido nitroso, metal) |
| USEC / DOE (EE. UU.) | 700 | treinta | ULTRAVIOLETA 6 |
| Rosatom (Rusia) | 640 | quince | ULTRAVIOLETA 6 |
| EURODIF (Francia) | 200 | Dieciocho | UF 6 , U 3 O 8 |
| BNFL (Inglaterra) | 44 | 0 | ULTRAVIOLETA 6 |
| URENCO (Alemania, Holanda, Inglaterra) | 43 | 6 | ULTRAVIOLETA 6 |
| JNFL, PNC (Japón) | 38 | 0.7 | ULTRAVIOLETA 6 |
| CNNC (China) | treinta | 1.5 | ULTRAVIOLETA 6 |
| SA NEC (Sudáfrica) | 3 | 0 | ULTRAVIOLETA 6 |
| Otro (América del Sur) | <1.5 | 0 | - |
| Total | ≈ 1700 | ≈ 70 | UF 6 , (U 3 O 8 ) |
Como resultado de la conversión química del DUHF se obtiene fluoruro de hidrógeno anhidro y/o su solución acuosa (fluorhídrico o ácido fluorhídrico ), los cuales tienen cierta demanda en mercados no relacionados con la energía nuclear, y principalmente en la industria del aluminio , en la producción de refrigerantes , herbicidas , productos farmacéuticos , gasolina de alto octanaje , plásticos , etc., así como en la reutilización de fluoruro de hidrógeno en la producción de hexafluoruro de uranio [30] en el proceso de conversión de óxido de uranio (U3O8) en tetrafluoruro de uranio ( UF4), antes de una mayor fluoración en hexafluoruro de uranio UF6 [31] .
Hay varias direcciones en la práctica mundial del procesamiento DUHF. Algunos de ellos han sido probados en versión semi-industrial, otros han sido y están siendo operados a escala industrial, reduciendo las reservas de relaves de uranio y proporcionando a la industria química ácido fluorhídrico y productos organofluorados industriales [32] [33] .
| Método de procesamiento | productos finales |
| 1. Pirohidrólisis
UF 6 + H 2 O → UO 2 F 2 + 4 HF 3 UO 2 F 2 + 3 H 2 O → U 3 O 8 + 6 HF + ½ O 2 |
Octóxido de triuranio y ácido fluorhídrico (20 -f 50% HF) |
| 2. Pirohidrólisis en lecho fluidizado (sobre gránulos de UO 2 ) | Dióxido de uranio (granular) densidad hasta 6 g/cm3 y ácido fluorhídrico (hasta 90% HF) |
| 3. Recuperación de hidrógeno
UF 6 + H 2 → UF 4 + 2 HF |
Tetrafluoruro de uranio y fluoruro de hidrógeno |
| 4. Recuperación a través de compuestos orgánicos (CHCI)
UF 6 + CHCI = CCI 2 → UF 4 + CHCIF - CCI 2 F |
Tetrafluoruro de uranio, refrigerantes , incluido el ozono (X-122) |
| 5. Recuperación a través de compuestos orgánicos (CCI 4 )
UF 6 + CCI 4 → UF 4 + CF 2 CI 2 + CI 2 |
Refrigerantes de la serie tetrafluoruro de uranio y metano |
| 6. Conversión química de plasma
UF 6 + 3 H - OH → 1/3 U 3 O 8 + 6 HF + 1/6 O 2 |
Óxido de triuranio (densidad 4,5-4,7 g/cm3) y fluoruro de hidrógeno |
| 7. Reducción radioquímica de UF 6
UF 6 + 2 e → UF 4 + 2 F |
Tetrafluoruro de uranio y flúor. |
Dependiendo de la estrategia del ciclo del combustible nuclear, las capacidades tecnológicas, las convenciones internacionales [34] y programas como los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) [35] , el Pacto Mundial de las Naciones Unidas [36] , cada país aborda individualmente el tema del uso del uranio empobrecido acumulado. . Rusia [37] y los EE . UU . [38] [39] han adoptado una serie de programas a largo plazo para el almacenamiento y procesamiento seguros de las existencias de DUHF hasta su eliminación final [40] .
Según los ODS de la ONU , la energía nuclear tiene un papel importante que desempeñar no solo para proporcionar acceso a fuentes de energía asequibles, fiables, sostenibles y modernas (Objetivo 7 [41] ), sino también para contribuir al logro de otros objetivos, incluido el apoyo a la eliminación de la pobreza , el hambre y la falta de agua limpia, crecimiento económico e innovación industrial [42] [43] . Varios países, como Rusia [44] [45] , Francia, Estados Unidos [46] , China, representados por sus principales operadores de energía nuclear, se han comprometido a alcanzar los objetivos de desarrollo sostenible [47] . Para lograr estos objetivos, las tecnologías se utilizan tanto en el reciclaje de combustible gastado [48] [49] [50] como en el procesamiento de DUHF acumulado [51] [52] [53] [54] [2] .
Las normas internacionales para el transporte de materiales radiactivos han sido reguladas por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) desde 1961 [55] [56] e implementadas en las normas de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), Organización Marítima Internacional (OMI), organizaciones regionales de transporte [57] [58 ] [59] .
El hexafluoruro de uranio empobrecido se transporta y almacena en condiciones normales en forma sólida en contenedores metálicos sellados con un espesor de pared de aproximadamente 1 cm, diseñados para efectos mecánicos y corrosivos extremos [30] [60] . Por ejemplo, los contenedores más comunes para transporte y almacenamiento “Y48” [61] [62] contienen hasta 12,5 toneladas de DUHF en forma sólida. Al mismo tiempo, el DUHF se carga y descarga de estos contenedores en la fábrica en forma líquida en autoclaves especiales cuando se calienta [63] .
Artículo principal: hexafluoruro de uranio Peligro.
Debido a la baja radiactividad, el principal impacto del DUHF en la salud está relacionado con sus efectos químicos en las funciones corporales. El impacto químico es el principal peligro en las instalaciones asociadas con el procesamiento de OS. Los compuestos de uranio y fluoruro como el fluoruro de hidrógeno (HF) son tóxicos a niveles bajos de exposición química. Cuando el UF 6 empobrecido entra en contacto con la humedad atmosférica, reacciona para formar HF y fluoruro de uranilo gaseoso. El uranio es un metal pesado que puede ser tóxico para los riñones si se ingiere. El HF es un ácido corrosivo que puede ser muy peligroso si se inhala; es el peligro principal en dichas industrias [64] .
En muchos países, los límites de exposición ocupacional para los compuestos de uranio soluble están asociados con una concentración máxima de 3 µg de uranio por gramo de tejido renal. Cualquier efecto sobre los riñones dentro de estas pautas se considera menor y temporal. La práctica actual basada en estas restricciones proporciona una protección adecuada a los trabajadores de la industria del uranio. Para garantizar que no se supere esta concentración en los riñones, la legislación limita las concentraciones de uranio soluble en el aire del lugar de trabajo a largo plazo (8 horas) a 0,2 mg por metro cúbico y a 0,6 mg por metro cúbico a corto plazo (15 minutos) [5 ] .
En agosto de 1984, el Mont-Louis se hundió en el Canal de la Mancha (a la entrada del Mar del Norte ) con 30 contenedores llenos y 22 vacíos de DUHF a bordo. Se encontraron 30 contenedores de 48-Y con hexafluoruro de uranio y 16 de los 22 contenedores vacíos de 30-B. El examen de 30 contenedores reveló, en un caso, una pequeña fuga en la válvula de cierre. Se tomaron 217 muestras, se sometieron a 752 análisis diferentes y se midieron 146 niveles de dosis en los propios envases. No se observaron fugas de sustancias radiactivas (uranio natural o uranio reutilizable) ni físico-químicas (flúor o ácido fluorhídrico [65] [66] ). Según los materiales del Washingtonpost, este incidente no es peligroso, ya que el uranio que se transporta se encuentra en su estado natural, con un contenido de isótopos de 235U de 0,72% o menos. Una parte se enriqueció hasta un 0,9 % [67] .