Una centrífuga de gas es un dispositivo que realiza la separación de isótopos de gases. Una centrífuga se basa en los principios de la fuerza centrífuga que acelera las moléculas de modo que las partículas de diferentes masas se separan físicamente en un gradiente a lo largo del radio de un recipiente giratorio. Un uso destacado de las centrífugas de gas es la separación del uranio-235 ( 235 U) del uranio-238 ( 238 U). La centrífuga de gas se desarrolló para reemplazar el método de difusión gaseosa de extracción de 235 U. Los altos grados de separación de estos isótopos se basan en el uso de muchas centrífugas individuales dispuestas en serie que logran concentraciones sucesivamente más altas. Este proceso produce concentraciones más altas de 235 U mientras utiliza significativamente menos energía en comparación con el proceso de difusión gaseosa.
Sugerido en 1919, el proceso centrífugo se realizó con éxito por primera vez en 1934. El científico estadounidense Jesse Beams y su equipo de la Universidad de Virginia desarrollaron el proceso separando dos isótopos de cloro a través de una ultracentrífuga de vacío . Fue uno de los medios iniciales de separación isotópica perseguidos durante el Proyecto Manhattan , más particularmente por Harold Urey y Karl P. Cohen , pero la investigación se interrumpió en 1944 porque se consideró que el método no produciría resultados para el final de la guerra, y que otros medios de enriquecimiento de uranio ( difusión gaseosa y separación electromagnética ) tenían una mejor probabilidad de éxito a corto plazo. Este método se utilizó con éxito en el programa nuclear soviético , convirtiendo a la Unión Soviética en el proveedor más eficaz de uranio enriquecido. Franz Simon , Rudolf Peierls , Klaus Fuchs y Nicholas Kurti hicieron importantes contribuciones al proceso centrífugo.
Paul Dirac hizo importantes contribuciones teóricas al proceso centrífugo durante la Segunda Guerra Mundial ; [1] [2] Dirac desarrolló la teoría fundamental de los procesos de separación que sustenta el diseño y análisis de las modernas plantas de enriquecimiento de uranio. [3] A largo plazo, especialmente con el desarrollo de la centrífuga tipo Zippe , la centrífuga de gas se ha convertido en un modo de separación muy económico, utilizando considerablemente menos energía que otros métodos y teniendo numerosas otras ventajas.
El científico pakistaní Abdul Qadeer Khan realizó investigaciones sobre el rendimiento físico de las centrífugas en los años 1970 y 1980, utilizando métodos de vacío para avanzar en el papel de las centrífugas en el desarrollo de combustible nuclear para la bomba atómica de Pakistán . [4] Muchos de los teóricos que trabajaban con Khan no estaban seguros de que tanto el uranio gaseoso como el enriquecido fueran factibles a tiempo. [5] Un científico recordó: "Nadie en el mundo ha utilizado el método de centrífuga [de gas] para producir uranio de grado militar... Esto no iba a funcionar. Simplemente estaba perdiendo el tiempo". [5] A pesar del escepticismo, el programa demostró rápidamente que era factible. El enriquecimiento mediante centrífuga se ha utilizado en física experimental, y el método se introdujo de contrabando en al menos tres países diferentes a finales del siglo XX. [4] [5]
La centrífuga se basa en la fuerza resultante de la aceleración centrífuga para separar las moléculas según su masa y se puede aplicar a la mayoría de los fluidos. [6] Las moléculas densas (más pesadas) se mueven hacia la pared, y las más ligeras permanecen cerca del centro. La centrífuga consta de un rotor de cuerpo rígido que gira a período completo a alta velocidad. [7] Los tubos de gas concéntricos ubicados en el eje del rotor se utilizan para introducir gas de alimentación en el rotor y extraer las corrientes separadas más pesadas y más ligeras. [7] Para la producción de 235 U, la corriente más pesada es la corriente de desechos y la corriente más ligera es la corriente de producto. Las centrífugas modernas de tipo Zippe son cilindros altos que giran sobre un eje vertical. Se puede aplicar un gradiente de temperatura vertical para crear una circulación convectiva que asciende en el centro y desciende en la periferia de la centrífuga. Este flujo en contracorriente también se puede estimular mecánicamente mediante las palas que extraen las fracciones enriquecidas y agotadas. La difusión entre estos flujos opuestos aumenta la separación por el principio de multiplicación a contracorriente .
En la práctica, como existen límites en cuanto a la altura que puede alcanzar una única centrífuga, se conectan varias de ellas en serie. Cada centrífuga recibe una línea de entrada y produce dos líneas de salida, correspondientes a fracciones ligeras y pesadas . La entrada de cada centrífuga es la corriente de producto de la centrífuga anterior. Esto produce una fracción ligera casi pura a partir de la corriente de producto de la última centrífuga y una fracción pesada casi pura a partir de la corriente de desechos de la primera centrífuga.
El proceso de centrifugación de gas utiliza un diseño único que permite que el gas fluya constantemente dentro y fuera de la centrífuga. A diferencia de la mayoría de las centrífugas que dependen del procesamiento por lotes , la centrífuga de gas utiliza un procesamiento continuo, lo que permite la cascada en la que ocurren múltiples procesos idénticos en sucesión. La centrífuga de gas consta de un rotor cilíndrico, una carcasa, un motor eléctrico y tres líneas para que viaje el material. La centrífuga de gas está diseñada con una carcasa que encierra completamente la centrífuga. [4] El rotor cilíndrico está ubicado dentro de la carcasa, que se vacía de todo el aire para producir una rotación casi sin fricción cuando funciona. El motor hace girar el rotor, creando la fuerza centrífuga sobre los componentes a medida que ingresan al rotor cilíndrico. Esta fuerza actúa para separar las moléculas del gas, con las moléculas más pesadas moviéndose hacia la pared del rotor y las moléculas más livianas hacia el eje central. Existen dos líneas de salida, una para la fracción enriquecida en el isótopo deseado (en la separación de uranio, es el 235 U) y otra empobrecida en ese isótopo. Las líneas de salida llevan estas separaciones a otras centrífugas para continuar el proceso de centrifugación. [8] El proceso comienza cuando el rotor se equilibra en tres etapas. [9] La mayoría de los detalles técnicos sobre las centrífugas de gas son difíciles de obtener porque están envueltos en el "secreto nuclear". [9]
Las primeras centrífugas de gas utilizadas en el Reino Unido utilizaban un cuerpo de aleación envuelto en fibra de vidrio impregnada de epoxi. El equilibrado dinámico del conjunto se lograba añadiendo pequeñas trazas de epoxi en los lugares indicados por la unidad de prueba de equilibrado. El motor era normalmente de tipo panqueque situado en la parte inferior del cilindro. Las primeras unidades tenían normalmente unos 2 metros de largo, pero los desarrollos posteriores aumentaron gradualmente la longitud. La generación actual tiene más de 4 metros de longitud. Los cojinetes son dispositivos basados en gas, ya que los cojinetes mecánicos no sobrevivirían a las velocidades de funcionamiento normales de estas centrífugas.
Una sección de centrífugas se alimentaba con corriente alterna de frecuencia variable desde un inversor electrónico (de gran volumen), que las aceleraba lentamente hasta la velocidad requerida, generalmente superior a 50.000 rpm. Una precaución era superar rápidamente las frecuencias en las que se sabía que el cilindro sufría problemas de resonancia . El inversor es una unidad de alta frecuencia capaz de funcionar a frecuencias de alrededor de 1 kilohercio. Todo el proceso normalmente es silencioso; si se oye un ruido procedente de una centrífuga, es una advertencia de fallo (que normalmente se produce muy rápidamente). El diseño de la cascada normalmente permite el fallo de al menos una unidad de centrífuga sin comprometer el funcionamiento de la cascada. Las unidades normalmente son muy fiables, y los primeros modelos han funcionado de forma continua durante más de 30 años.
Los modelos posteriores han aumentado de forma constante la velocidad de rotación de las centrífugas, ya que es la velocidad de la pared de la centrífuga la que tiene el mayor efecto sobre la eficiencia de separación. Una característica del sistema de centrífugas en cascada es que es posible aumentar el rendimiento de la planta de forma incremental, añadiendo "bloques" en cascada a la instalación existente en ubicaciones adecuadas, en lugar de tener que instalar una línea de centrífugas completamente nueva.
La centrífuga de gas más sencilla es la centrífuga concurrente, en la que el efecto de separación se produce por los efectos centrífugos de la rotación del rotor. En estas centrífugas, la fracción pesada se recoge en la periferia del rotor y la fracción ligera, más cerca del eje de rotación. [10]
La inducción de un flujo en contracorriente utiliza la multiplicación en contracorriente para mejorar el efecto de separación. Se establece una corriente circulante vertical, con el gas fluyendo axialmente a lo largo de las paredes del rotor en una dirección y un flujo de retorno más cercano al centro del rotor. La separación centrífuga continúa como antes (las moléculas más pesadas se mueven preferentemente hacia afuera), lo que significa que las moléculas más pesadas son recolectadas por el flujo de pared y la fracción más liviana se recolecta en el otro extremo. En una centrífuga con flujo de pared descendente, las moléculas más pesadas se recolectan en la parte inferior. Luego, las palas de salida se colocan en los extremos de la cavidad del rotor, con la mezcla de alimentación inyectada a lo largo del eje de la cavidad (idealmente, el punto de inyección está en el punto donde la mezcla en el rotor es igual a la alimentación [11] ).
Este flujo en contracorriente puede ser inducido mecánicamente o térmicamente, o una combinación de ambas. En el flujo en contracorriente inducido mecánicamente, la disposición de las palas (estacionarias) y las estructuras internas del rotor se utilizan para generar el flujo. [12] Una pala interactúa con el gas ralentizándolo, lo que tiende a atraerlo hacia el centro del rotor. Las palas en cada extremo inducen corrientes opuestas, por lo que una pala está protegida del flujo por un "deflector": un disco perforado dentro del rotor que gira junto con el gas; en este extremo del rotor, el flujo será hacia afuera, hacia la pared del rotor. Por lo tanto, en una centrífuga con una pala superior con deflectores, el flujo de pared es hacia abajo y las moléculas más pesadas se recogen en la parte inferior. Las corrientes de convección inducidas térmicamente se pueden crear calentando la parte inferior de la centrífuga y/o enfriando el extremo superior.
La unidad de trabajo de separación (SWU) es una medida de la cantidad de trabajo realizado por la centrífuga y tiene unidades de masa (normalmente, kilogramo de unidad de trabajo de separación ). El trabajo necesario para separar una masa de alimentación de ensayo en una masa de producto de ensayo y colas de masa y ensayo se expresa en términos de la cantidad de unidades de trabajo de separación necesarias, dadas por la expresión
La separación del uranio requiere que el material se encuentre en forma gaseosa; para enriquecerlo se utiliza hexafluoruro de uranio (UF6 ) . Al entrar en el cilindro de la centrífuga, el gas UF6 gira a gran velocidad. La rotación crea una fuerte fuerza centrífuga que atrae más moléculas de gas más pesadas (que contienen 238 U) hacia la pared del cilindro, mientras que las moléculas de gas más ligeras (que contienen 235 U) tienden a acumularse más cerca del centro. La corriente que está ligeramente enriquecida en 235 U se retira y se introduce en la siguiente etapa superior, mientras que la corriente ligeramente empobrecida se recicla de nuevo en la siguiente etapa inferior.
Para algunos usos en la tecnología nuclear, el contenido de zinc-64 en el metal de zinc debe reducirse para evitar la formación de radioisótopos por su activación neutrónica . El dietilzinc se utiliza como medio de alimentación gaseoso para la cascada de centrifugación. Un ejemplo de material resultante es el óxido de zinc empobrecido , que se utiliza como inhibidor de la corrosión .
