La centrífuga tipo Zippe es una centrífuga de gas diseñada para enriquecer el raro isótopo fisionable uranio-235 ( 235 U) a partir de la mezcla de isótopos que se encuentran en los compuestos de uranio naturales. La separación isotópica se basa en la ligera diferencia de masa de los isótopos. El diseño del Zippe fue desarrollado originalmente en la Unión Soviética por un equipo liderado por 60 científicos e ingenieros austriacos y alemanes capturados después de la Segunda Guerra Mundial , trabajando bajo custodia. En Occidente (y ahora en general) el tipo se conoce por el nombre del hombre que recreó la tecnología después de su regreso a Occidente en 1956, basándose en sus recuerdos de su trabajo (y contribuciones al) programa soviético, Gernot Zippe. . En la medida en que en el uso soviético/ruso se podía hacer referencia a ella con el nombre de cualquier persona, se la conocía (al menos en una etapa de desarrollo algo anterior) como centrífuga Kamenev (en honor a Evgeni Kamenev). [1] [2]
El uranio natural consta de tres isótopos ; la mayoría (99,274%) es U-238 , mientras que aproximadamente el 0,72% es U-235 , fisionable por neutrones térmicos, y el 0,0055% restante es U-234 . Si el uranio natural se enriquece hasta un 3% de U-235 , puede utilizarse como combustible para reactores nucleares de agua ligera . Si se enriquece al 90% de uranio-235, se puede utilizar para armas nucleares .
Enriquecer uranio es difícil porque los isótopos son prácticamente idénticos en química y muy similares en peso: el U-235 es sólo un 1,26% más ligero que el U-238 (tenga en cuenta que esto se aplica sólo al uranio metálico). Las centrífugas necesitan trabajar con un gas en lugar de un sólido, y el gas que se utiliza aquí es hexafluoruro de uranio . La diferencia de masa relativa entre 235 UF 6 y 238 UF 6 es inferior al 0,86%. Por otro lado, la eficiencia de separación en una centrífuga depende de la diferencia absoluta de masa. 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 mesa 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 superior a Mach 2 en el aire (Mach 1 = velocidad del sonido, en aire aproximadamente 340 m/s) y mucho más en UF6 . A modo de comparación, las lavadoras automáticas funcionan a sólo entre 12 y 25 revoluciones por segundo (720 a 1500 rpm) durante el ciclo de centrifugado, mientras que las turbinas de los turbocompresores de automóviles pueden funcionar a entre 2500 y 3333 revoluciones por segundo (150 000 a 200 000 rpm). [7] [8]
Una centrífuga 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 que se usa en un motor eléctrico , es capaz de hacerlo girar lo suficientemente rápido como para que el El UF 6 se arroja hacia la pared exterior, enriqueciéndose el 238 UF 6 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 necesitan pasamuros ni juntas mecánicas para la entrada y salida del gas; cerca de la pared el UF 6 alcanza su presión de saturación, lo que a su vez limita la velocidad de rotación, ya que se debe evitar la condensación. En la llamada centrífuga a contracorriente se puede calentar el fondo de la mezcla gaseosa, produciendo corrientes de convección . Pero la contracorriente suele ser estimulada mecánicamente por la pala que recoge la fracción enriquecida. De esta manera, el enriquecimiento en cada capa horizontal se repite (y por tanto se multiplica) en la siguiente capa, de forma similar a como ocurre en la destilación en columna . Una pala está detrás de un deflector perforado que gira con la centrífuga; recoge la fracción rica en 238 UF 6 . La otra primicia no tiene desconcierto. Esto ralentiza la rotación del gas y aumenta así la presión hacia el interior, de modo que también se puede recoger la fracción rica en 235 UF 6 sin bombear. [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 la presión radial (o densidad) puede venir dada 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 ). Al escribir esta ecuación para ambos isótopos y dividirla, se obtiene la proporción 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 proporción de isótopos inicial. Para calcular el enriquecimiento total en una centrífuga a contracorriente de altura H , hay que sumar un factor de H /( R √2) en el exponente.
Según Glaser, [3] las primeras centrífugas tenían diámetros de rotor de 7,4 a 15 cm y longitudes de 0,3 a 3,2 m, y la velocidad periférica era de 350 a 500 m/s. La moderna centrífuga 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) proyecta una centrífuga con un diámetro de 60 cm, una altura de 12 m y una velocidad periférica de 900 m/s.
Se estimula una contracorriente del gas ya sea mecánicamente o (menos preferido) mediante un gradiente de temperatura entre la parte superior e inferior del rotor. Con una relación contracorriente/alimentación de 4, Glaser [3] calcula un factor de separación de 1,74 para una centrífuga TC-21 de 5 m de altura. Reducir esta relación (aumentando la alimentación) disminuye el factor de separación pero aumenta el rendimiento y, por tanto, la productividad.
Para reducir la fricción, el rotor gira en el vacío . Parte del rotor con la carcasa cercana actúa como bomba molecular que mantiene el vacío. Un cojinete magnético mantiene estable la parte superior del rotor y el único contacto físico (necesario sólo durante el arranque) es el cojinete cónico tipo joya sobre el que se asienta el rotor. [1] [9] Ambos rodamientos contienen medidas para amortiguar las vibraciones. Las tres líneas de gas entran 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 occidentales llevaban años de retraso en su tecnología centrífuga. Pudo reproducir su diseño en la Universidad de Virginia en 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 (él 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 martensítico , una aleación con una vida de fatiga más larga y una longitud de rotura más larga, lo que permitía mayores 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 centrífugas avanzadas tipo Zippe son secretos celosamente guardados. Por ejemplo, la eficiencia de las centrífugas mejora aumentando su velocidad de rotación. Para ello se utilizan materiales más resistentes, como los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono ; pero los detalles del material y su protección contra ataques químicos son propietarios. Éstas son también las diversas técnicas que se utilizan para evitar fuerzas que provoquen vibraciones destructivas (de flexión): El alargamiento de una centrífuga (contracorriente) mejora exponencialmente el enriquecimiento. [9] Pero también disminuye la frecuencia vibratoria de las resonancias mecánicas, lo que aumenta el peligro de fallas catastróficas durante el arranque (como sucedió 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 centrífuga no funcione demasiado tiempo a velocidades donde la resonancia es un problema. Pero parecen necesarias más medidas (de propiedad exclusiva). Por lo tanto, 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 tipo Zippe es difícil de construir con éxito y requiere piezas cuidadosamente mecanizadas. Sin embargo, en comparación con otros métodos de enriquecimiento , es mucho más barato y más rápido de instalar, consume mucha menos energía y requiere poca superficie para la planta. Por lo tanto, puede construirse en relativo secreto. Esto lo hace ideal para programas encubiertos de armas nucleares y aumenta el riesgo de proliferación nuclear . [3] Las cascadas de centrífugas también contienen mucho menos material en la máquina en todo momento que las plantas de difusión gaseosa .
El programa de bombas atómicas de Pakistán desarrolló las centrífugas P1 y P2 basadas en los primeros diseños de Urenco; [3] Las dos primeras centrifugadoras que Pakistán desplegó en mayor número, pero las redujeron después de 1981 según una estimación de la masa crítica requerida. La centrífuga P1 utiliza un rotor de aluminio y la centrífuga P2 utiliza un rotor de acero martensítico, [3] que es más fuerte, gira más rápido y enriquece más uranio por máquina que la P1. En Pakistán, la centrífuga tipo Zippe tenía una designación local y se conocía como Centrifuge Khan (en honor a Abdul Qadeer Khan ). : 151 [10]
Fuentes rusas cuestionan el relato de Gernot Zippe sobre el desarrollo de las centrífugas soviéticas. Citan a Max Steenbeck como el científico alemán a cargo de la parte alemana del esfuerzo centrífugo soviético, iniciado por el refugiado alemán Fritz Lange en la década de 1930. Los soviéticos atribuyen a Steenbeck, Isaac Kikoin y Evgeni Kamenev el origen de diferentes aspectos valiosos del diseño. Afirman que Zippe estuvo involucrado en la construcción de prototipos para el proyecto durante dos años a partir de 1953. Dado que el proyecto de la centrífuga era ultrasecreto, los soviéticos no cuestionaron ninguna de las afirmaciones de Zippe en ese momento. [2]
