Unidades de trabajo separativas

El trabajo de separación –la cantidad de separación realizada mediante un proceso de enriquecimiento de uranio– es una función de las concentraciones de la materia prima, el producto enriquecido y los relaves agotados; y se expresa en unidades que se calculan de modo que sean proporcionales a la entrada total (energía/tiempo de operación de la máquina) y a la masa procesada.

La misma cantidad de trabajo de separación requerirá diferentes cantidades de energía según la eficiencia de la tecnología de separación. El trabajo de separación se mide en unidades de trabajo de separación SWU, kg SW o kg UTA (del alemán Urantrennarbeit , literalmente trabajo de separación de uranio ).

• 1 SWU = 1 kg SW = 1 kg UTA
• 1 kSWU = 1 tSW = 1 t UTA
• 1 MSWU = 1 ktSW = 1 kt UTA

La unidad de trabajo de separación no es una unidad de energía, sino que sirve como medida de los servicios de enriquecimiento . A principios de la década de 2020, el costo de 1 SWU era de aproximadamente $100. ^[1] La unidad fue introducida por Paul Dirac en 1941. ^[2]

Definición

Función logarítmica utilizada para calcular las unidades de trabajo separativo

El trabajo necesario para separar una masa de alimentación de ensayo en una masa de producto de ensayo , y colas de masa y ensayo viene dado por la expresión: ^[3] ${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle x_{f}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle x_{p}}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle x_{t}}$

${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\left(x_{p}\right)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})}$

donde es la función valor , definida como: ^[2] ${\displaystyle V\left(x\right)}$

${\displaystyle V(x)=(2x-1)\ln \left({\frac {x}{1-x}}\right)}$

Dada la cantidad de producto deseada , la alimentación necesaria y las colas resultantes son: ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle F={\frac {x_{p}-x_{t}}{x_{f}-x_{t}}}\cdot P}$

${\displaystyle T={\frac {x_{p}-x_{f}}{x_{f}-x_{t}}}\cdot P}$

Ejemplo

Por ejemplo, comenzando con 102 kilogramos (225 lb) de uranio natural (NU), se necesitan aproximadamente 62 SWU para producir 10 kilogramos (22 lb) de uranio poco enriquecido (LEU) con un contenido de ²³⁵ U al 4,5%, con un ensayo de colas del 0,3%.

La cantidad de unidades de trabajo de separación que proporciona una instalación de enriquecimiento está directamente relacionada con la cantidad de energía que consume la instalación. Las plantas de difusión gaseosa modernas suelen requerir de 2400 a 2500 kilovatios-hora (kW·h), o de 8,6 a 9 gigajulios (GJ) de electricidad por SWU, mientras que las plantas de centrifugación de gas requieren solo de 50 a 60 kW·h (180 a 220 MJ) de electricidad por SWU. ^[4]

Ejemplo:

Una gran central nuclear con una capacidad eléctrica neta de 1.300 MW necesita unas 25 toneladas al año (25 t / a ) de LEU con una concentración de ²³⁵ U del 3,75 %. Esta cantidad se produce a partir de unas 210 t de NU y se utilizan unos 120 kSWU. Por tanto, una planta de enriquecimiento con una capacidad de 1.000 kSWU/a puede enriquecer el uranio necesario para abastecer a unas ocho grandes centrales nucleares.

Referencias

1. "Informe anual de comercialización de uranio" (datos de 2022) . eia.gov . Administración de Información Energética de EE. UU . . 13 de junio de 2023 . Consultado el 2 de agosto de 2023 .
2. Bernstein, Jeremy (13 de junio de 2009). "SWU para ti y para mí". arXiv : 0906.2505 [physics.hist-ph].
3. Fuchs, K. (1997). Artículos científicos seleccionados de Sir Rudolf Peierls, con comentarios del autor . World Scientific Publishing Company . pág. 303. ISBN 9789814498883.
4. Smil, Vaclav (2017). Energía y civilización: una historia (2.ª ed.). Cambridge (Massachusetts): MIT Press. pág. 374. ISBN 9780262035774. [error tipográfico:]... funciona hasta aproximadamente 41 GJ/kg.