El proceso de separación por vórtice de Helikon es un proceso aerodinámico de enriquecimiento de uranio diseñado en torno a un dispositivo llamado tubo de vórtice . Paul Dirac tuvo la idea de la separación de isótopos e intentó crear un dispositivo de este tipo en 1934 en el laboratorio de Peter Kapitza en Cambridge. [1] Otros métodos de separación eran más prácticos en ese momento, pero este método fue diseñado y utilizado en Sudáfrica para producir combustible para reactores con un contenido de uranio-235 de alrededor del 3-5%, y uranio enriquecido al 80-93% para su uso en armas nucleares . La Corporación de Enriquecimiento de Uranio de Sudáfrica, Ltd. (UCOR) desarrolló el proceso, operando una instalación en Pelindaba (conocida como la planta "Y") para producir cientos de kilogramos de UAE . Los procesos de enriquecimiento aerodinámico requieren grandes cantidades de electricidad y generalmente no se consideran económicamente competitivos debido al alto consumo de energía y los requisitos sustanciales para la eliminación del calor residual . Existen otras formas en las que resulta ventajoso, por ejemplo, en la simplicidad, la falta de precisión requerida, aunque sea más costoso. La planta de enriquecimiento sudafricana se cerró el 1 de febrero de 1990. [2] : 103
En el proceso de separación por vórtice, se inyecta una mezcla de gas hexafluoruro de uranio e hidrógeno tangencialmente en un tubo por un extremo a través de boquillas u orificios, a velocidades cercanas a la velocidad del sonido . El tubo se estrecha hasta una pequeña abertura de salida en uno o ambos extremos. Esta inyección tangencial de gas da como resultado un movimiento en espiral o en vórtice dentro del tubo, y se retiran dos corrientes de gas en extremos opuestos del tubo en vórtice; la fuerza centrífuga proporciona la separación isotópica . El flujo en espiral se desintegra aguas abajo de la entrada de alimentación debido a la fricción en la pared del tubo. En consecuencia, el diámetro interior del tubo suele ser cónico para reducir la desintegración en la velocidad del flujo en remolino. Este proceso se caracteriza por un elemento de separación con un corte de etapa muy pequeño (la relación entre el flujo de producto y el flujo de alimentación) de aproximadamente 1/20, y altas presiones de operación del proceso.
Debido a la extremadamente difícil instalación de tuberías necesaria para conectar las etapas, el diseño se desarrolló en una técnica de diseño en cascada (denominada Helikon), en la que se combinan 20 etapas de separación en un módulo, y las 20 etapas comparten un par común de compresores de flujo axial . Un requisito básico para el éxito de este método es que los compresores de flujo axial transmitan con éxito corrientes paralelas de diferentes composiciones isotópicas sin una mezcla significativa. Un módulo Helikon típico consta de un gran recipiente cilíndrico de acero que alberga los 20 conjuntos separadores, junto con dos compresores (uno montado en cada extremo) y dos intercambiadores de calor refrigerados por agua .
Las ventajas de este proceso son la ausencia de problemas de criticidad debido a la materia prima altamente diluida y la idoneidad para el procesamiento por lotes. Esto significa que las plantas tipo Helikon pueden ser relativamente pequeñas, lo que convierte a la tecnología en un problema de proliferación nuclear .