La separación de isótopos por excitación láser ( SILEX ) es un proceso de enriquecimiento de uranio para alimentar reactores nucleares que también puede presentar un riesgo creciente de proliferación de armas nucleares. Se sospecha firmemente que SILEX utiliza la represión de condensación láser para excitar un modo vibracional del isótopo uranio-235 en hexafluoruro de uranio (UF 6 ), lo que permite que esta molécula más ligera se mueva más rápidamente al borde exterior de un chorro gaseoso y resista la condensación en comparación con el 238 UF 6 , más pesado y no excitado . [1] Esto difiere en gran medida de los métodos anteriores de enriquecimiento láser explorados por sus perspectivas comerciales: uno que utiliza uranio atómico (separación de isótopos láser de vapor atómico (AVLIS)) y otro método molecular que utiliza láseres para disociar un átomo de flúor de 235 UF 6 (separación de isótopos láser molecular (MLIS)), lo que permite que el producto enriquecido precipite como un sólido. [1]
Si bien la empresa australiana Silex Systems Limited es el desarrollador más destacado de esta tecnología (como parte del consorcio Global Laser Enrichment), el acrónimo SILEX realmente solo se refiere a un concepto de separación física que utiliza la represión de condensación que es bien conocido y está en desarrollo o se utiliza para múltiples aplicaciones en todo el mundo. [2] Pueden existir ligeras variaciones en los parámetros operativos, los arreglos de los equipos, los láseres y sus capacidades de un proceso de tipo SILEX a otro (y recibir un nombre diferente), pero el concepto de separación física sigue siendo el mismo si se utiliza la represión de condensación, especialmente cuando se compara con el utilizado por AVLIS o MLIS.
El físico de Princeton Ryan Snyder ha sugerido que este proceso puede conducir a una mayor proliferación de armas nucleares al proporcionar una vía tecnológica nueva y cada vez más accesible [2] [3] y firmas indetectables (huella de área pequeña y alta eficiencia energética). [1]
El desarrollo de diversas variantes de separación de isótopos por láser molecular (MLIS) comenzó en la década de 1970. El proceso físico clave en todas ellas es un láser infrarrojo, que excita vibracionalmente solo uno de los isótopos del hexafluoruro de uranio gaseoso . Esto requiere una longitud de onda cercana a los 16 μm. El MLIS tradicional continuó excitando las moléculas hasta la disociación , momento en el que cristalizaron como pentafluoruro de uranio-235 .
Después de la euforia inicial, la investigación sobre separación de isótopos por láser se abandonó en gran medida durante la década de 1990, principalmente porque aún requería un trabajo de I+D extenso e incierto , mientras que las centrífugas habían alcanzado la madurez tecnológica . [4] Sin embargo, Australia continuó la investigación sobre la técnica SILEX.
En noviembre de 1996, Silex Systems Limited licenció su tecnología exclusivamente a la United States Enrichment Corporation (USEC) para el enriquecimiento de uranio. [5] En 1999, Estados Unidos y Australia firmaron un tratado internacional para la investigación y el desarrollo cooperativos de SILEX. [6] Sin embargo, en 2003 la USEC se retiró del proyecto. [ ¿Investigación original? ]
Silex Systems concluyó la segunda etapa de pruebas en 2005 y comenzó su programa de bucles de prueba. En 2007, Silex Systems firmó un acuerdo exclusivo de comercialización y licencia con General Electric Corporation (GE), transfiriendo su bucle de prueba a las instalaciones de GE en Wilmington, Carolina del Norte . Ese año, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) firmó cartas de intención para servicios de enriquecimiento de uranio con Exelon y Entergy , las dos mayores empresas de energía nuclear de los EE. UU. [7] [ ¿Investigación original? ]
En 2008, GEH escindió Global Laser Enrichment (GLE) para comercializar la tecnología SILEX y anunció la primera instalación de enriquecimiento de uranio comercial potencial utilizando el proceso Silex. La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos (NRC) aprobó una modificación de la licencia que permite a GLE operar el circuito de prueba. También en 2008, Cameco Corporation , Canadá, el mayor productor de uranio del mundo, se unió a GE y Hitachi como copropietario de GLE. [8]
En 2010, surgieron preocupaciones de que el proceso SILEX representa una amenaza para la seguridad nuclear mundial. [9]
Entre 2011 y 2012, GLE solicitó y recibió un permiso para construir una planta de enriquecimiento comercial en Wilmington. [10] [11] La planta enriquecería uranio al 8% 235 U, el límite superior del uranio poco enriquecido . [12]
En 2014, tanto GLE como Silex Systems se reestructuraron y Silex redujo a la mitad su plantilla. [13] En 2016, GEH se retiró de GLE, amortizando su inversión. [13] [14]
En 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos acordó vender alrededor de 300.000 toneladas de hexafluoruro de uranio empobrecido a GLE para su reenriquecimiento (del 0,35 al 0,7 % de 235 U) utilizando el proceso SILEX durante 40 años en una instalación de enriquecimiento por láser propuesta en Paducah, Kentucky . [15]
En 2018, Silex Systems abandonó sus planes para GLE, con la intención de repatriar la tecnología SILEX a Australia. [16]
En 2021, Silex Systems adquirió la propiedad mayoritaria (51%) de GLE, con Cameco (49%) como accionista minoritario. En virtud de un acuerdo entre GLE y el Departamento de Energía de Estados Unidos, GLE volverá a enriquecer a niveles naturales varios cientos de kilotones de relaves de uranio empobrecido de la última planta de enriquecimiento por difusión. Esa planta funcionó en Paducah hasta 2013, y GLE planea construir su nueva planta en el mismo lugar. [17] [18]
La vibración fundamental de longitud de onda más corta del UF6 gaseoso es de alrededor de 16 μm. A temperatura ambiente, su ancho (alrededor de 20 cm −1 ) es mucho mayor que el desplazamiento isotópico (0,6 cm −1 ). El ensanchamiento se debe a estados vibracionales y rotacionales excitados poblados térmicamente. Para permitir la excitación selectiva, el UF6 , diluido aproximadamente 100 veces por un gas portador (que puede ser argón o nitrógeno), se enfría a aproximadamente 80 K mediante expansión adiabática a través de una boquilla al vacío. Inicialmente, todavía hay colisiones (que son necesarias para el enfriamiento). Pero después de viajar aproximadamente 10 diámetros de boquilla, debido a la expansión, son tan raras que la condensación ya no puede tener lugar. También es necesario evitar las colisiones para suprimir cualquier transferencia de energía por colisión entre los isótopos. Este método de haz molecular se utiliza en todos los casos en los que se necesita un estrechamiento espectral para la excitación selectiva.
Con SILEX, la presión y el diámetro de la boquilla se eligen lo suficientemente grandes para proporcionar un número suficiente de colisiones inmediatamente después de la boquilla, para permitir la formación de cúmulos (UF6•G) con el gas portador G. (Los cúmulos UF 6 •UF 6 prácticamente no se forman debido a la densidad mucho menor de UF6 en comparación con G.) Si 235 UF 6 se excita selectivamente a 628,3 cm −1 , entonces esta molécula no se agrega con G, mientras que el 238 UF 6 más pesado no excitado sí lo hace. Debido a su mayor velocidad térmica, las moléculas libres abandonan el eje del haz molecular más rápido que los cúmulos. Por lo tanto, estos últimos se enriquecen en la parte transmitida por una boquilla desnatadora aguas abajo, mientras que la fracción no transmitida se enriquece en 235 UF 6 . El factor de enriquecimiento es mejor, cuanto mayor sea la fracción transmitida (es decir, cuanto menor sea el agotamiento y menor el corte). Es decir, SILEX utiliza una boquilla de separación, modificada por un láser y que se beneficia de la represión selectiva de la formación de cúmulos ("condensación").
Para ello, el láser de CO2 necesita al menos 20 MW. Con un desplazamiento Raman de 354,3 cm −1 y un número de onda láser de CO2 de 982,1 cm −1 (línea 10R30), se reciben 627,8 cm −1 . Esto solo está cerca de la rama Q de 235 UF 6 (centro en 628,3 cm −1 , ancho 0,01 cm −1 [19] ) y está aún más cerca de la rama Q de 238 UF 6 . GLE no informa cómo hacen el ajuste fino necesario. Los láseres de CO2 de alta presión causarían problemas adicionales con la tasa de repetición de pulsos. Con los láseres de CO2 comunes (a presión atmosférica) y con el desplazador Raman estimulado, el estado de la tecnología es de 2 a 4 kHz. [20] Para no dejar grandes partes del haz molecular sin irradiar, se necesitan al menos 20 kHz (según Urenco varias decenas de kHz [21] ), a menos que se utilicen boquillas pulsadas. Las boquillas deben tener forma de rendija para proporcionar suficiente longitud de absorción.
El GLE informa que se alcanzan factores de separación de 2-20, los valores más altos probablemente se deben a un empobrecimiento más pobre (que no se indica). Esto es suficiente para el enriquecimiento a partir de uranio natural (0,72 % 235 U) hasta grado de reactor ( > 3 % 235 U). Los trabajos pioneros del grupo de van den Bergh obtuvieron solo enriquecimientos mucho menores con SF 6 . [22]
Utilizando otros láseres con longitudes de onda adecuadas, SILEX también puede emplearse para el enriquecimiento isotópico de otros elementos como el cloro , el molibdeno , el carbono y el silicio .
En comparación con las tecnologías de enriquecimiento actuales, SILEX obtiene un enriquecimiento mayor. Por lo tanto, se necesitan menos etapas para alcanzar uranio de grado bomba (> 90% 235 U). Según GLE, cada etapa requiere tan sólo el 25% del espacio de los métodos convencionales. Por lo tanto, facilitaría a los gobiernos deshonestos ocultar una instalación de producción de uranio para bombas. [9] El atractivo se ve aún más reforzado por las afirmaciones de GLE de que una planta SILEX es más rápida y barata de construir, y consume considerablemente menos energía. Por lo tanto, los científicos expresaron repetidamente su preocupación de que SILEX pudiera crear un camino fácil hacia un arma nuclear. [1] [23]
En junio de 2001, el Departamento de Energía de los Estados Unidos clasificó "cierta información generada de forma privada sobre un innovador proceso de separación de isótopos para enriquecer uranio". Según la Ley de Energía Atómica , toda la información que no haya sido desclasificada específicamente se clasifica como información restringida, ya sea de propiedad privada o pública. Esto contrasta marcadamente con la orden ejecutiva de clasificación de seguridad nacional , que establece que la clasificación sólo puede asignarse a la información "que es propiedad del Gobierno de los Estados Unidos, producida por o para él, o que está bajo su control". Este es el único caso conocido de uso de la Ley de Energía Atómica de esa manera. [24] [25]
El drama de 2014 de la Australian Broadcasting Corporation, The Code, utiliza el "enriquecimiento de uranio por láser" como un recurso central de la trama. La protagonista femenina, Sophie Walsh, afirma que la tecnología será más pequeña, consumirá menos energía y será más difícil de controlar una vez que sea una alternativa viable a los métodos actuales de enriquecimiento. La Sra. Walsh también afirma que el desarrollo de la tecnología ha sido prolongado y que existen importantes intereses gubernamentales en mantener el secreto y el estado clasificado de la tecnología.
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