La separación de isótopos con láser de vapor atómico , o AVLIS , es un método mediante el cual se utilizan láseres especialmente sintonizados para separar isótopos de uranio mediante ionización selectiva de transiciones hiperfinas . [1] [2] Una tecnología similar, que utiliza moléculas en lugar de átomos, es la separación de isótopos por láser molecular (MLIS).
El uranio natural consta de una gran masa de 238 U y una masa mucho más pequeña de 235 U fisible. Tradicionalmente, el 235 U se separa de la masa disolviéndolo en ácido para producir hexafluoruro de uranio y luego usando centrífugas de gas para separar los isótopos. Cada paso por la centrífuga "enriquece" la cantidad de 235 U y deja uranio empobrecido . Por el contrario, AVLIS produce un enriquecimiento mucho mayor en un solo paso sin necesidad de mezclarlo con ácido. En principio, la tecnología también podría utilizarse para la separación de isótopos de otros elementos, lo que no resulta rentable fuera de las aplicaciones especializadas con las tecnologías actuales no basadas en láser para la mayoría de los elementos.
Como el proceso no requiere que la materia prima sea procesada químicamente antes del enriquecimiento, también es adecuado para su uso con combustible nuclear usado de reactores de agua ligera y otros desechos nucleares . En la actualidad, extrayendo235
El U de esas fuentes sólo es económico hasta cierto punto, lo que deja toneladas de235
U todavía contenido en productos de desecho. AVLIS puede ofrecer una forma económica de reprocesar incluso el combustible que ha pasado por un ciclo de reprocesamiento utilizando los métodos existentes. [3]
Debido a la posibilidad de lograr un enriquecimiento mucho mayor con necesidades de energía mucho menores que los métodos convencionales de enriquecimiento de uranio basados en centrifugadoras, AVLIS es una preocupación para la proliferación nuclear . Hasta la fecha, no se sabe que esté en uso ninguna línea de producción AVLIS a escala comercial.
El concepto básico detrás del sistema AVLIS es ionizar selectivamente los átomos deseados en un material fuente vaporizado. Como los niveles de energía de los electrones se ven afectados por la estructura nuclear, provocando la estructura hiperfina , diferentes isótopos tienen diferentes niveles de energía. Los diseñadores eligen una energía de electrones particular en la que se maximiza la diferencia entre isótopos y el nivel de energía se puede producir prácticamente con un láser . La luz láser provoca que el electrón elegido se fotoexcite y así ionice el átomo, dejándolo cargado eléctricamente. Luego, el ion se puede manipular con campos electrostáticos o magnéticos. Otros isótopos, que tienen niveles de energía sutilmente diferentes, no se ionizarán y permanecerán en la mezcla original.
La elección del electrón objetivo ha cambiado durante el desarrollo de AVLIS a medida que se han desarrollado nuevas tecnologías láser. Los primeros trabajos se centraron generalmente en electrones en la banda de 16 micrones, que podían producirse eficientemente utilizando láseres de CO 2 que estaban surgiendo a finales de los años sesenta. Sin embargo, las transiciones en esta área estaban muy espaciadas, lo que dificultaba su selección debido al ensanchamiento Doppler , que requería que el vapor se enfriara con un complejo sistema de expansión. La introducción de láseres que funcionan a frecuencias sintonizables , normalmente láseres de tinte , permitió la selección de excitaciones más convenientes. Los sistemas modernos suelen utilizar el pico de absorción de 238 U de 502,74 nanómetros y cambios a 502,73 nm en 235 U.
El sistema AVLIS consta de un vaporizador y un colector, que forman el sistema de separación y el sistema láser. El vaporizador produce una corriente de uranio gaseoso puro.
El láser comúnmente utilizado es un láser de colorante pulsado sintonizable de dos etapas, generalmente bombeado por un láser de vapor de cobre ; [4] [5] el oscilador maestro es sintonizable, de ancho de línea estrecho, de poco ruido y muy preciso. [6] Su potencia aumenta significativamente gracias a un amplificador láser de colorante que actúa como amplificador óptico . Se utilizan tres frecuencias ("colores") de láseres para la ionización total del uranio-235. [7]
Para AVLIS en otros elementos, como el litio , se utilizan láseres de diodo de ancho de línea estrecho sintonizables . [8]
En 1994, en la transferencia de tecnología más grande en la historia del gobierno de los EE. UU. , el proceso AVLIS se transfirió a la United States Enrichment Corporation para su comercialización. Sin embargo, el 9 de junio de 1999, después de una inversión de 100 millones de dólares, la USEC canceló su programa AVLIS.
Algunos países continúan desarrollando AVLIS y presenta algunos desafíos específicos para el monitoreo internacional. [9] Ahora se sabe que Irán tenía un programa secreto AVLIS. Sin embargo, desde que fue descubierto en 2003, Irán ha afirmado haberlo desmantelado. [10] [11]
La historia de AVLIS, tal como se registra en la literatura arbitrada abiertamente, comenzó a principios y mediados de la década de 1970 en la ex Unión Soviética y Estados Unidos. [12] En los EE. UU., la investigación AVLIS se llevó a cabo principalmente en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , aunque algunos laboratorios industriales fueron los primeros en participar. También se ha informado del desarrollo de láser sintonizable para AVLIS, aplicable al uranio, en varios países, entre ellos Pakistán (1974), Australia (1982-1984), Francia (1984), India (1994) y Japón (1996). [12]
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