La separación de isótopos es un proceso tecnológico de cambio de la composición isotópica de una sustancia que consiste en una mezcla de diferentes isótopos de un elemento químico . A partir de una mezcla de isótopos o compuestos químicos, se obtienen dos mezclas a la salida del proceso: una con un contenido aumentado del isótopo requerido (mezcla enriquecida), la otra con un contenido reducido (mezcla pobre).
La principal aplicación del proceso de separación de isótopos es el enriquecimiento de uranio con el isótopo 235 U para la producción de combustible nuclear, materiales nucleares aptos para armas y otras aplicaciones que implican el uso de sustancias radiactivas.
El trabajo industrial de separación de isótopos se mide en unidades de trabajo de separación (SWU). Para un determinado cambio en la composición isotópica de una determinada mezcla inicial, se requiere la misma cantidad de SWU, independientemente de la tecnología de separación de isótopos.
La separación de isótopos (por ejemplo, la extracción de 6 Li , 235 U , D ) siempre está asociada con importantes dificultades y costes energéticos, porque los isótopos , que son variaciones de un elemento que difieren ligeramente en masa , se comportan químicamente casi igual. Pero la velocidad de algunas reacciones es ligeramente diferente según la masa del isótopo del elemento, además, puede usar la diferencia en sus propiedades físicas, por ejemplo, en masa .
Dado que las diferencias en las propiedades de los isótopos son tan pequeñas, en una etapa de separación, la sustancia se enriquece en centésimas por ciento en el isótopo objetivo y, por lo tanto, es necesario repetir el proceso de separación muchas veces.
Tecnológicamente, esto se lleva a cabo pasando sucesivamente el volumen de isótopos a separar a través de celdas del mismo tipo que producen la separación, las llamadas cascadas. Para obtener el grado de separación requerido, puede haber varios miles de cascadas conectadas en serie, y para obtener el volumen requerido, decenas y cientos de miles de tales series de grupos en cascada conectados en paralelo.
Dos factores afectan el desempeño de un sistema en cascada de este tipo: el grado de enriquecimiento requerido en cada etapa y la pérdida del isótopo objetivo en la corriente de desechos.
Expliquemos el segundo factor. En cada etapa de enriquecimiento, el flujo se divide en dos partes: enriquecido y empobrecido en el isótopo deseado. Dado que el grado de enriquecimiento es extremadamente bajo, la masa total del isótopo en la materia prima gastada puede exceder su masa en el producto enriquecido. Para evitar tal pérdida de materias primas, el flujo agotado de cada etapa posterior ingresa nuevamente a la entrada de la anterior.
El material de origen no entra en la primera etapa de la cascada. Se introduce en el sistema inmediatamente a alguna etapa n-ésima. Debido a esto, el material que está muy empobrecido en el isótopo principal se elimina de la primera etapa.
En cualquier caso, la cantidad de material enriquecido producido depende del grado deseado de enriquecimiento y la magro de las corrientes de salida. Si la sustancia inicial está disponible en grandes cantidades y a bajo costo, entonces la productividad de la cascada puede incrementarse descartando, junto con los desechos, una gran cantidad del elemento útil no extraído (por ejemplo, la producción de deuterio a partir de agua ordinaria). Cuando es necesario, se logra un alto grado de extracción del isótopo de la materia prima (por ejemplo, en el enriquecimiento de uranio ). [una]
El método de separación electromagnética se basa en la misma fuerza de interacción entre un campo magnético externo y partículas igualmente cargadas eléctricamente. Con la misma fuerza de acción sobre partículas de diferentes masas, el movimiento de las partículas será diferente. Por ejemplo, la trayectoria de iones igualmente cargados con igual energía cinética que se mueven en un campo magnético dependerá de su masa. Al colocar las trampas en lugares de instalación apropiados, es posible recolectar haces de iones de los isótopos a separar. De hecho, este tipo de instalaciones, llamadas calutrones ( calutron ), son grandes espectrómetros de masas . En ellos, los iones de sustancias separadas, moviéndose en un fuerte campo magnético, describen trayectorias a lo largo de arcos de círculos con radios proporcionales a sus masas y caen en trampas (receptores), donde se acumulan.
Este método permite separar cualquier mezcla de isótopos con masas cercanas y tiene un grado de separación muy alto. Normalmente, es suficiente repetir el proceso de separación dos veces para obtener un grado de enriquecimiento superior al 80 % a partir de una sustancia pobre en el isótopo objetivo (con un contenido inicial de isótopo objetivo inferior al 1 %). Sin embargo, la separación electromagnética no es tecnológicamente avanzada en la producción industrial: la mayor parte de la sustancia separada por isótopos se deposita en las paredes de la cavidad de vacío del calutrón, por lo que debe detenerse periódicamente para su mantenimiento. También las desventajas son el alto consumo de energía, la complejidad y el alto costo de mantenimiento, la baja productividad. El principal campo de aplicación del método es la producción de pequeñas cantidades de muestras isotópicas de alta pureza para la investigación científica. Sin embargo, a pesar de las dificultades tecnológicas, durante la Segunda Guerra Mundial se construyó la instalación Y-12 , que en enero de 1945 alcanzó una productividad diaria de 204 g de uranio con una concentración de U-235 del 80%.
La eficacia del método . Se estima que una planta que produce 50 kg de uranio-235 altamente enriquecido por separación electromagnética consume alrededor de 50 MW de electricidad [2] .
Este método utiliza la diferencia en las velocidades de movimiento de las moléculas de gas de diferentes masas. El método sólo es adecuado para sustancias en estado gaseoso.
La esencia del método se basa en la diferencia en el coeficiente de difusión a través de cuerpos porosos para moléculas con diferentes masas debido a la diferencia en sus velocidades promedio, las moléculas más ligeras difunden más fácilmente. En la práctica, se utilizan cuerpos porosos, el diámetro de los canales porosos en los que es mucho menor que el camino libre medio de las moléculas, la llamada difusión de Knudsen .
El grado de separación en el método de difusión es proporcional a la raíz cuadrada de la relación de las masas atómicas de las moléculas con diferentes isótopos, por lo que la eficiencia de separación disminuye con el aumento de la masa atómica de los isótopos.
Además, una cierta dificultad tecnológica en este método es la fabricación de membranas porosas para la separación con diámetros de poro típicos de decenas a cientos de nanómetros con una pequeña dispersión en el diámetro efectivo. Las membranas no deben permitir fugas a través de fugas macroscópicas, soportar una gran caída de presión y ser resistentes a las sustancias corrosivas que contienen flúor cuando se utilizan para separar isótopos de uranio.
Existen varios métodos para la obtención de membranas porosas, por ejemplo:
Las membranas generalmente se fabricaban en forma de tubos de hasta varios metros de largo. A partir de varios cientos de tubos, se ensambla una cascada de separación.
Para algunos elementos ligeros, el grado de separación puede ser bastante grande, pero para el uranio es solo 1,00429 (el flujo de salida de cada etapa se enriquece por un factor de 1,00429). Para obtener altos grados de enriquecimiento, a veces se conectaban en serie varios miles de cascadas de separación del mismo tipo. Dado que una cascada industrial típica ocupaba un área de hasta 100 m 2 o más, las empresas de enriquecimiento por difusión de gas resultan ser de tamaño ciclópeo.
Las pérdidas de presión de gas relativamente grandes en las membranas y el tamaño de las instalaciones llevaron a un enorme consumo de energía para el accionamiento del compresor. Además, había enormes cantidades de hexafluoruro de uranio tecnológico en la planta y el proceso de separación era largo, a veces pasaban varias semanas desde la puesta en marcha de la planta hasta la producción del primer producto, durante las cuales el hexafluoruro llenaba secuencialmente las cavidades de todas las cascadas. Esta circunstancia exigió muy seriamente la confiabilidad del equipo, porque la falla de una sola cascada podría causar que toda la cadena de cascadas se detuviera. Para minimizar los daños por paradas tecnológicas, las cascadas se equiparon con control automático de la operatividad y redundancia de la cascada averiada.
En este caso, nuevamente, se usa la diferencia en las velocidades de las moléculas. Los más ligeros, en presencia de una diferencia de temperatura, tienden a terminar en una región más caliente. El factor de separación depende de la relación entre la diferencia de masa de los isótopos y la masa total y es mayor para los elementos ligeros. A pesar de su simplicidad, este método requiere mucha energía para crear y mantener el calor. En los albores de la era nuclear, existían instalaciones industriales basadas en la difusión térmica. [3] Actualmente no se usa mucho por sí sola, sin embargo, la idea de la difusión térmica se usa para aumentar la eficiencia de las centrífugas de gas .
La idea de la separación centrífuga comenzó a desarrollarse activamente durante la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, las dificultades para optimizar la tecnología retrasaron su desarrollo, e incluso en los países occidentales se emitió un veredicto sobre la futilidad económica del método. En la URSS, la introducción industrial de la tecnología centrífuga también comenzó solo después del desarrollo industrial de la difusión gaseosa.
Si una mezcla gaseosa de isótopos se pasa a través de centrífugas de gas de alta velocidad , la fuerza centrífuga separará las partículas más ligeras o más pesadas en capas, donde se pueden recoger. La gran ventaja de la centrifugación es que el factor de separación depende de la diferencia absoluta de masas y no de la relación de masas. La centrífuga funciona igualmente bien con elementos ligeros y pesados. El grado de separación es proporcional al cuadrado de la relación entre la velocidad de rotación y la velocidad de las moléculas en el gas. A partir de aquí, es muy conveniente hacer girar la centrífuga lo más rápido posible. Las velocidades lineales típicas de los rotores giratorios son 250-350 m/s y más de 600 m/s en centrífugas avanzadas. La diferencia de presión en el eje de la centrífuga y en la pared exterior puede alcanzar decenas de miles de veces, por lo que las cascadas de centrífuga funcionan a bajas presiones para evitar la condensación de hexafluoruro. Para mejorar la separación por difusión térmica en las centrífugas, se crea un gradiente de temperatura de varias decenas de grados a lo largo del eje de la centrífuga.
Un factor de separación típico es 1,01 - 1,1. En comparación con las instalaciones de difusión de gas, este método tiene un consumo de energía reducido, mayor facilidad para aumentar la potencia. En la actualidad, la centrifugación de gas es el principal método industrial de separación de isótopos en Rusia.
Este método se puede considerar como una variante de la centrifugación, pero en lugar de hacer girar el gas en una centrífuga, gira cuando sale de una boquilla especial, donde se suministra bajo presión. Esta tecnología, basada en el efecto vórtice , ha sido utilizada por Sudáfrica y Alemania.
Los problemas de la tecnología eran que el radio de la boquilla era de unas 100 micras, mientras que la longitud total de la boquilla en cada etapa de separación industrial era de cientos y miles de metros. Esta longitud se recolectó en piezas de varias decenas a cientos de centímetros. Además de las dificultades de fabricar boquillas, estaba el problema de un gas diluyente, como el helio. El diluyente permitió mantener el hexafluoruro de uranio en fase gaseosa a altas presiones en la entrada de las boquillas necesarias para crear un flujo de alta velocidad en la boquilla. El diluyente y el hexafluoruro debían separarse a la salida de la producción. La alta presión determinó un importante consumo de energía.
La separación por láser no es un método independiente, sino que se utiliza para mejorar el rendimiento de los métodos de separación electromagnéticos o químicos. El método se basa en la ionización selectiva de uno de los isótopos por radiación electromagnética (por ejemplo, por luz láser). La selectividad de ionización se basa en la absorción resonante (banda estrecha) de la luz por parte de los átomos; diferentes isótopos tienen diferentes espectros de absorción de radiación. Esto significa que es posible elegir tales parámetros de irradiación en los que los átomos de un isótopo dado se ionicen predominantemente. Otros átomos ionizados se pueden separar, por ejemplo, en un campo magnético ( AVLIS). Además, la ionización de los átomos puede cambiar la velocidad de las reacciones químicas, por ejemplo, al facilitar la descomposición de ciertos compuestos químicos ( MLIS). [3]
La tecnología de separación por láser ha sido desarrollada desde la década de 1970 por muchos países [4] y se considera prometedora, pero aún no ha ido más allá del alcance de la investigación. En la década de 1990, hubo un programa en los Estados Unidos para estudiar el enriquecimiento por láser con separación electromagnética en una instalación experimental, pero se cerró. Actualmente, en Estados Unidos se está llevando a cabo un programa de investigación [5] en una instalación de demostración de una de las variantes de enriquecimiento por láser con separación química denominada SILEX.. La tecnología fue desarrollada en 1992 por la empresa australiana Silex. [6] Desde 2006, la tecnología Silex ha sido desarrollada por Global Laser Enrichment LLC. [7] Para 2019, la empresa continúa con el trabajo experimental. [ocho]
El enriquecimiento químico explota la diferencia en la velocidad de las reacciones químicas con diferentes isótopos. Funciona mejor cuando se separan elementos ligeros, donde la diferencia es significativa. En la producción industrial se utilizan reacciones que tienen lugar con dos reactivos en diferentes fases (gas/líquido, líquido/sólido, líquidos inmiscibles). Esto facilita la separación de corrientes ricas y pobres. Usando adicionalmente la diferencia de temperatura entre las fases, se logra un aumento adicional en el factor de separación. Hoy en día, la separación química es la tecnología que más ahorra energía para producir agua pesada. Además de la producción de deuterio, se utiliza para extraer 6 Li. En Francia y Japón se desarrollaron métodos de enriquecimiento químico de uranio, que nunca alcanzaron el desarrollo industrial.
La destilación (destilación) utiliza la diferencia en los puntos de ebullición de isótopos de diferentes masas. Por lo general, cuanto menor es la masa de un átomo, menor es el punto de ebullición de este isótopo . Una vez más, esto funciona mejor en elementos ligeros. La destilación se ha utilizado con éxito como paso final en la producción de agua pesada.
La única área de aplicación de la electrólisis es la producción de agua pesada . Durante la electrólisis del agua, principalmente las moléculas “ligeras” (con hidrógeno ordinario ) se separan en gases . Este método más eficiente para obtener deuterio (un factor de separación de más de 7) requiere tal cantidad de energía que, por razones económicas, si se usa, entonces en las etapas posteriores de purificación.
Dado que los iones de diferentes masas se mueven en solución a diferentes velocidades (la ley de conservación de la cantidad de movimiento) en el mismo campo eléctrico, cuando la electroforesis se dirige contra el flujo de líquido, es fácil elegir la proporción de filtración de gel y velocidades de electroforesis en las que solo el uranio-235 se reducirá en el cátodo para el separador de uranio o el litio-6 para el litio.
Si aceleramos los núcleos de los átomos con el mismo esfuerzo, entonces los núcleos ligeros adquirirán mayor velocidad que los pesados. La separación de velocidad se puede realizar, por ejemplo, en dos discos que giran sincrónicamente instalados en serie. Se corta una ranura en el primer disco, lo que hace que el flujo de núcleos sea discontinuo. En el segundo disco, se asentarán los átomos que han volado a través de la rendija. En este caso, las zonas de hundimiento dependerán de la velocidad de los núcleos. La aceleración de núcleos con fuerza constante se realiza en un acelerador de partículas cargado .
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 |