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La difusión gaseosa es una tecnología que se utilizaba para producir uranio enriquecido haciendo pasar hexafluoruro de uranio gaseoso (UF6 ) a través de membranas microporosas. Esto produce una ligera separación (factor de enriquecimiento 1,0043) entre las moléculas que contienen uranio-235 ( 235 U) y uranio-238 ( 238 U). Mediante el uso de una gran cascada de muchas etapas, se pueden lograr altas separaciones. Fue el primer proceso que se desarrolló capaz de producir uranio enriquecido en cantidades industrialmente útiles, pero hoy en día se considera obsoleto, habiendo sido reemplazado por el proceso de centrifugación de gas más eficiente (factor de enriquecimiento de 1,05 a 1,2). [1] [2]
La difusión gaseosa fue ideada por Francis Simon y Nicholas Kurti en el Laboratorio Clarendon en 1940, encargados por el Comité MAUD de encontrar un método para separar el uranio-235 del uranio-238 con el fin de producir una bomba para el proyecto británico Tube Alloys . El prototipo del equipo de difusión gaseosa fue fabricado por Metropolitan-Vickers (MetroVick) en Trafford Park , Manchester, a un costo de £150.000 por cuatro unidades, para la fábrica MS, Valley . Este trabajo fue posteriormente transferido a los Estados Unidos cuando el proyecto Tube Alloys fue absorbido por el posterior Proyecto Manhattan . [3]
De los 33 nucleidos primordiales radiactivos conocidos , dos ( 235 U y 238 U) son isótopos del uranio . Estos dos isótopos son similares en muchos aspectos, excepto que solo el 235 U es fisible (capaz de sostener una reacción nuclear en cadena de fisión nuclear con neutrones térmicos ). De hecho, el 235 U es el único núcleo fisible que se produce de forma natural. [4] Debido a que el uranio natural es solo alrededor del 0,72% de 235 U en masa, debe enriquecerse a una concentración del 2-5% para poder soportar una reacción nuclear en cadena continua [5] cuando se utiliza agua normal como moderador. El producto de este proceso de enriquecimiento se llama uranio enriquecido.
La difusión gaseosa se basa en la ley de Graham , que establece que la velocidad de efusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molecular . Por ejemplo, en una caja con una membrana microporosa que contiene una mezcla de dos gases, las moléculas más ligeras saldrán del recipiente más rápidamente que las moléculas más pesadas, si el diámetro del poro es menor que la longitud media del recorrido libre ( flujo molecular ). El gas que sale del recipiente se enriquece un poco con las moléculas más ligeras, mientras que el gas residual se empobrece un poco. Un único recipiente en el que tiene lugar el proceso de enriquecimiento mediante difusión gaseosa se denomina difusor .
El UF6 es el único compuesto de uranio lo suficientemente volátil como para ser utilizado en el proceso de difusión gaseosa. Afortunadamente, el flúor consta de un solo isótopo, el 19 F, de modo que la diferencia del 1 % en los pesos moleculares entre el 235 UF6 y el 238 UF6 se debe únicamente a la diferencia en los pesos de los isótopos de uranio. Por estas razones, el UF6 es la única opción como materia prima para el proceso de difusión gaseosa. [6] El UF6 , un sólido a temperatura ambiente, sublima a 56,4 °C (133 °F) a 1 atmósfera. [7] El punto triple está a 64,05 °C y 1,5 bar. [8] Aplicando la ley de Graham se obtiene:
dónde:
Esto explica la diferencia del 0,4% en las velocidades promedio de las moléculas de 235 UF 6 respecto de las de 238 UF 6. [9]
El UF6 es una sustancia altamente corrosiva . Es un oxidante [10] y un ácido de Lewis que puede unirse al fluoruro ; por ejemplo, se informa que la reacción del fluoruro de cobre (II) con hexafluoruro de uranio en acetonitrilo forma heptafluorouranato de cobre (VI), Cu(UF7 ) 2 . [ 11] Reacciona con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manipular a escala industrial. [6] Como consecuencia, las vías gaseosas internas deben fabricarse con acero inoxidable austenítico y otros metales estabilizados al calor . Se deben aplicar fluoropolímeros no reactivos, como el teflón, como revestimiento a todas las válvulas y sellos del sistema.
Las plantas de difusión gaseosa suelen utilizar barreras agregadas (membranas porosas) construidas de níquel o aluminio sinterizado , con un tamaño de poro de 10 a 25 nanómetros (esto es menos de una décima parte del camino libre medio de la molécula de UF6 ) . [4] [6] También pueden utilizar barreras de tipo película, que se hacen perforando poros a través de un medio inicialmente no poroso. Una forma de hacerlo es eliminando un componente de una aleación, por ejemplo, utilizando cloruro de hidrógeno para eliminar el zinc de la plata-zinc (Ag-Zn) o hidróxido de sodio para eliminar el aluminio de la aleación Ni-Al.
Como los pesos moleculares de 235 UF 6 y 238 UF 6 son casi iguales, se produce muy poca separación del 235 U y el 238 U en un solo paso a través de una barrera, es decir, en un difusor. Por lo tanto, es necesario conectar una gran cantidad de difusores entre sí en una secuencia de etapas, utilizando las salidas de la etapa anterior como entradas para la siguiente etapa. Esta secuencia de etapas se denomina cascada . En la práctica, las cascadas de difusión requieren miles de etapas, dependiendo del nivel de enriquecimiento deseado. [6]
Todos los componentes de una planta de difusión deben mantenerse a una temperatura y presión adecuadas para garantizar que el UF6 permanezca en fase gaseosa. El gas debe comprimirse en cada etapa para compensar la pérdida de presión en el difusor. Esto provoca un calentamiento por compresión del gas, que luego debe enfriarse antes de entrar en el difusor. Los requisitos de bombeo y enfriamiento hacen que las plantas de difusión sean enormes consumidores de energía eléctrica . Debido a esto, la difusión gaseosa fue el método más costoso utilizado hasta hace poco para producir uranio enriquecido. [12]
Los trabajadores del Proyecto Manhattan en Oak Ridge, Tennessee , desarrollaron varios métodos diferentes para la separación de isótopos de uranio. Tres de estos métodos se utilizaron secuencialmente en tres plantas diferentes en Oak Ridge para producir el 235U para " Little Boy " y otras armas nucleares tempranas . En el primer paso, la instalación de enriquecimiento de uranio S-50 utilizó el proceso de difusión térmica para enriquecer el uranio desde el 0,7% hasta casi el 2% de 235U . Este producto se introdujo luego en el proceso de difusión gaseosa en la planta K-25 , cuyo producto fue alrededor del 23% de 235U . Finalmente, este material se introdujo en calutrones en la Y-12 . Estas máquinas (un tipo de espectrómetro de masas ) emplearon la separación electromagnética de isótopos para aumentar la concentración final de 235U a aproximadamente el 84%.
La preparación de la materia prima de UF6 para la planta de difusión gaseosa K-25 fue la primera aplicación de flúor producido comercialmente, y se encontraron obstáculos significativos en el manejo tanto del flúor como del UF6 . Por ejemplo, antes de que se pudiera construir la planta de difusión gaseosa K-25, primero fue necesario desarrollar compuestos químicos no reactivos que pudieran usarse como recubrimientos, lubricantes y juntas para las superficies que entrarían en contacto con el gas UF6 ( una sustancia altamente reactiva y corrosiva). Los científicos del Proyecto Manhattan reclutaron a William T. Miller , profesor de química orgánica en la Universidad de Cornell , para sintetizar y desarrollar dichos materiales, debido a su experiencia en la química de organofluorados . Miller y su equipo desarrollaron varios polímeros de clorofluorocarbonos no reactivos novedosos que se usaron en esta aplicación. [13]
Los calutrones eran ineficientes y costosos de construir y operar. Tan pronto como se superaron los obstáculos de ingeniería que planteaba el proceso de difusión gaseosa y las cascadas de difusión gaseosa comenzaron a funcionar en Oak Ridge en 1945, todos los calutrones fueron cerrados. La técnica de difusión gaseosa se convirtió entonces en la técnica preferida para producir uranio enriquecido. [4]
En el momento de su construcción a principios de la década de 1940, las plantas de difusión gaseosa eran algunos de los edificios más grandes jamás construidos. [ cita requerida ] Grandes plantas de difusión gaseosa fueron construidas por los Estados Unidos, la Unión Soviética (incluida una planta que ahora está en Kazajstán ), el Reino Unido , Francia y China . La mayoría de estos ahora han cerrado o se espera que cierren, incapaces de competir económicamente con las técnicas de enriquecimiento más nuevas. Parte de la tecnología utilizada en bombas y membranas sigue siendo alto secreto. Algunos de los materiales que se utilizaron siguen sujetos a controles de exportación, como parte del esfuerzo continuo para controlar la proliferación nuclear .
En 2008, las plantas de difusión gaseosa de Estados Unidos y Francia todavía generaban el 33% del uranio enriquecido del mundo. [12] Sin embargo, la planta francesa ( la planta Georges-Besse de Eurodif ) cerró definitivamente en junio de 2012, [14] y la planta de difusión gaseosa de Paducah en Kentucky operada por la United States Enrichment Corporation (USEC) (la última instalación de enriquecimiento de uranio en pleno funcionamiento en los Estados Unidos que emplea el proceso de difusión gaseosa [5] [1] ) cesó el enriquecimiento en 2013. [15] La única otra instalación de este tipo en los Estados Unidos, la planta de difusión gaseosa de Portsmouth en Ohio, cesó las actividades de enriquecimiento en 2001. [5] [16] [17] Desde 2010, el sitio de Ohio ahora es utilizado principalmente por AREVA , un conglomerado francés , para la conversión de UF6 empobrecido en óxido de uranio . [18] [19]
Las plantas de difusión gaseosa existentes se volvieron obsoletas y fueron reemplazadas por tecnología de centrifugación de gas de segunda generación , que requiere mucha menos energía eléctrica para producir cantidades equivalentes de uranio separado. AREVA reemplazó su planta de difusión gaseosa Georges Besse por la planta de centrifugación Georges Besse II. [2]
Las actividades de enriquecimiento de uranio cesaron en 2013
