La centrífuga de tipo Zippe es una centrífuga de gas diseñada para enriquecer el raro isótopo fisible uranio-235 ( 235 U) a partir de la mezcla de isótopos que se encuentran en los compuestos de uranio de origen natural. La separación isotópica se basa en la ligera diferencia de masa de los isótopos. El diseño Zippe fue desarrollado originalmente en la Unión Soviética por un equipo dirigido por 60 científicos e ingenieros austríacos y alemanes capturados después de la Segunda Guerra Mundial , que trabajaban en detención. En Occidente (y ahora en general) el tipo se conoce con el nombre del hombre que recreó la tecnología después de su regreso a Occidente en 1956, basándose en su recuerdo de su trabajo en (y contribuciones al) programa soviético, Gernot Zippe . En la medida en que se podía hacer referencia a ella en el uso soviético/ruso por el nombre de cualquier persona, se la conocía (al menos en una etapa algo anterior de desarrollo) como centrífuga Kamenev (en honor a Evgeni Kamenev). [1] [2]
El uranio natural está formado por tres isótopos : el mayoritario (99,274 %) es U-238 , mientras que aproximadamente el 0,72 % es U-235 , fisible por neutrones térmicos, y el 0,0055 % restante es U-234 . Si el uranio natural se enriquece al 3 % de U-235 , puede utilizarse como combustible para reactores nucleares de agua ligera . Si se enriquece al 90 % de uranio-235, puede utilizarse para armas nucleares .
Enriquecer uranio es difícil porque los isótopos son prácticamente idénticos en química y muy similares en peso: el U-235 es solo un 1,26% más ligero que el U-238 (nótese que esto se aplica solo al uranio metálico). Las centrífugas necesitan trabajar con un fluido en lugar de un sólido, y este proceso utilizó hexafluoruro de uranio gaseoso . La diferencia de masa relativa entre 235 UF 6 y 238 UF 6 es inferior al 0,86%. La eficiencia de separación en una centrífuga depende de la diferencia de masa absoluta. La separación de isótopos de uranio requiere una centrífuga que pueda girar a 1.500 revoluciones por segundo (90.000 rpm ). Si asumimos un diámetro de rotor de 20 cm (como en algunas centrífugas modernas [3] ), esto correspondería a una aceleración centrípeta de alrededor de 900.000 xg [4] (alrededor de 42 veces la velocidad máxima de una microcentrífuga de sobremesa de laboratorio estándar [5] y entre 0,9 y 9 veces la velocidad máxima de una ultracentrífuga de laboratorio estándar [6] ) o una velocidad lineal de más de Mach 2 en el aire (Mach 1 = velocidad del sonido, en el aire ca. 340 m/s) y mucho más en UF 6 . A modo de comparación, las lavadoras automáticas funcionan a sólo unas 12 a 25 revoluciones por segundo (720–1500 rpm) durante el ciclo de centrifugado, mientras que las turbinas de los turbocompresores de los automóviles pueden funcionar hasta unas 2500–3333 revoluciones por segundo (150.000–200.000 rpm). [7] [8]
Una centrífuga de tipo Zippe [9] tiene un rotor cilíndrico hueco lleno de hexafluoruro de uranio gaseoso (UF 6 ). Un campo magnético giratorio en la parte inferior del rotor, como el utilizado en un motor eléctrico , es capaz de girarlo lo suficientemente rápido como para que el UF 6 sea arrojado hacia la pared exterior, con el 238 UF 6 enriquecido en la capa más externa y el 235 UF 6 enriquecido en el interior de esta capa. La fuerza centrífuga crea un gradiente de presión: En el eje de la centrífuga hay prácticamente vacío, de modo que no se necesita ningún paso mecánico ni sello para la entrada y salida de gas; cerca de la pared, el UF 6 alcanza su presión de saturación, lo que a su vez limita la velocidad de rotación, porque debe evitarse la condensación. En la llamada centrífuga de contracorriente , el fondo de la mezcla gaseosa se puede calentar, produciendo corrientes de convección . Pero la contracorriente generalmente se estimula mecánicamente por la pala que recoge la fracción enriquecida. De esta manera, el enriquecimiento en cada capa horizontal se repite (y por lo tanto se multiplica) en la siguiente capa, de manera similar a la destilación en columna . Una cuchara está detrás de un deflector perforado que gira con la centrífuga; recoge la fracción rica en 238 UF 6 . La otra cuchara no tiene deflector. Ralentiza la rotación del gas y, por lo tanto, aumenta la presión hacia el interior, de modo que también se puede recoger la fracción rica en 235 UF 6 sin bombeo. [1] [9] Cada centrífuga tiene una entrada en el eje y dos líneas de salida, una que recoge el gas en la parte inferior y otra en la parte superior.
Cuantitativamente, la distribución de presión radial (o densidad) se puede dar por [9]
donde p es la presión, r el radio variable y R su máximo, M la masa molecular, ω la velocidad angular, k la constante de Boltzmann y T la temperatura. (Esta ecuación es similar a la fórmula barométrica ). Escribiendo esta ecuación para ambos isótopos y dividiendo, se obtiene la relación de isótopos ( dependiente de r ). Solo contiene Δ M (no la diferencia de masa relativa Δ M/M ) en el exponente. El factor de enriquecimiento radial resulta entonces de dividir por la relación de isótopos inicial. Para calcular el enriquecimiento total en una centrífuga de contracorriente de altura H , hay que añadir un factor de H /( R √2) en el exponente.
Según Glaser [3] , las primeras centrífugas tenían un diámetro de rotor de 7,4 a 15 cm y una longitud de 0,3 a 3,2 m, y la velocidad periférica era de 350 a 500 m/s. La centrífuga moderna TC-21 de Urenco tiene un diámetro de 20 cm y una longitud de más de 5 m, girando a 770 m/s. Centrus (antes Usec) planea una centrífuga con 60 cm de diámetro, 12 m de altura y 900 m/s de velocidad periférica.
Se estimula una contracorriente del gas ya sea mecánicamente o (menos preferida) mediante un gradiente de temperatura entre la parte superior e inferior del rotor. Con una relación de contracorriente a alimentación de 4, Glaser [3] calcula un factor de separación de 1,74 para una centrífuga TC-21 de 5 m de altura. Al reducir esta relación (aumentando la alimentación), se reduce el factor de separación pero se aumenta el rendimiento y, por lo tanto, la productividad.
Para reducir la fricción, el rotor gira en el vacío . Una parte del rotor con la carcasa cercana actúa como una bomba molecular, que mantiene el vacío. Un cojinete magnético mantiene firme la parte superior del rotor y el único contacto físico (necesario solo durante el arranque) es el cojinete cónico de joya sobre el que se asienta el rotor. [1] [9] Ambos cojinetes contienen medidas para amortiguar las vibraciones. Las tres líneas de gas ingresan al rotor por su eje.
Después de que los científicos fueron liberados del cautiverio soviético en 1956, [1] Gernot Zippe se sorprendió al descubrir que los ingenieros en Occidente estaban años atrasados en su tecnología de centrífugas. Pudo reproducir su diseño en la Universidad de Virginia en los Estados Unidos , publicando los resultados, a pesar de que los soviéticos habían confiscado sus notas. Zippe abandonó los Estados Unidos cuando se le prohibió efectivamente continuar su investigación: los estadounidenses clasificaron el trabajo como secreto, exigiéndole que se convirtiera en ciudadano estadounidense (se negó), regresara a Europa o abandonara su investigación. [1] Regresó a Europa donde, durante la década de 1960, él y sus colegas hicieron que la centrífuga fuera más eficiente cambiando el material del rotor de aluminio a acero maraging , una aleación con una vida útil por fatiga más larga y una longitud de rotura más larga, lo que permitía una mayor velocidad. Este diseño mejorado de centrífuga fue utilizado durante mucho tiempo por la empresa comercial Urenco para producir combustible de uranio enriquecido para centrales nucleares . [1] Más recientemente, utilizan (por ejemplo, en su modelo TC-21) paredes reforzadas con fibra de carbono. [3]
Los detalles exactos de las centrifugadoras avanzadas de tipo Zippe son secretos muy bien guardados. Por ejemplo, la eficiencia de las centrifugadoras se mejora al aumentar su velocidad de rotación. Para ello, se utilizan materiales más fuertes, como materiales compuestos reforzados con fibra de carbono ; pero los detalles del material y su protección contra ataques químicos son exclusivos. Así son también las diversas técnicas que se utilizan para evitar las fuerzas que causan vibraciones destructivas (de flexión): el alargamiento de una centrifugadora (a contracorriente) mejora el enriquecimiento exponencialmente. [9] Pero también disminuye la frecuencia vibratoria de las resonancias mecánicas, lo que aumenta el peligro de fallo catastrófico durante el arranque (como ocurrió durante el evento Stuxnet en Irán). La interrupción del rotor cilíndrico mediante fuelles flexibles controla las vibraciones de baja frecuencia, y un control cuidadoso de la velocidad durante el arranque ayuda a garantizar que la centrifugadora no funcione demasiado tiempo a velocidades en las que la resonancia es un problema. Pero parecen necesarias más medidas (exclusivas). Por eso Rusia se quedó con centrífugas "subcríticas" (es decir, con longitudes pequeñas de entre 0,5 y 1 m), mientras que las de Urenco tienen longitudes de hasta 10 m.
La centrífuga de tipo Zippe es difícil de construir con éxito y requiere piezas mecanizadas con cuidado. Sin embargo, en comparación con otros métodos de enriquecimiento , es mucho más barata y más rápida de instalar, consume mucha menos energía y requiere poco espacio para la planta. Por lo tanto, se puede construir en relativo secreto. Esto la hace ideal para programas encubiertos de armas nucleares y aumenta el riesgo de proliferación nuclear . [3] Las cascadas de centrífugas también tienen mucho menos material retenido en la máquina en cualquier momento que las plantas de difusión gaseosa .
El programa de bombas atómicas de Pakistán desarrolló las centrifugadoras P1 y P2 basadas en los primeros diseños de Urenco; [3] las dos primeras centrifugadoras que Pakistán desplegó en mayor número, pero las redujo después de 1981 en función de la estimación requerida para la masa crítica. La centrifugadora P1 utiliza un rotor de aluminio, y la centrifugadora P2 utiliza un rotor de acero maraging, [3] que es más fuerte, gira más rápido y enriquece más uranio por máquina que la P1. En Pakistán, la centrifugadora de tipo Zippe tenía una designación local y se la conocía como Centrifuge Khan (en honor a Abdul Qadeer Khan ). : 151 [10]
Fuentes rusas cuestionan la versión de Gernot Zippe sobre el desarrollo de la centrífuga soviética. Citan a Max Steenbeck como el científico alemán a cargo de la parte alemana del proyecto de centrífuga soviética, que fue iniciado por el refugiado alemán Fritz Lange en la década de 1930. Los soviéticos atribuyen a Steenbeck, Isaac Kikoin y Evgeni Kamenev la creación de diferentes aspectos valiosos del diseño. Afirman que Zippe participó en la construcción de prototipos para el proyecto durante dos años a partir de 1953. Dado que el proyecto de la centrífuga era de alto secreto, los soviéticos no cuestionaron ninguna de las afirmaciones de Zippe en ese momento. [2]
