La separación de isótopos es el proceso de concentrar isótopos específicos de un elemento químico mediante la eliminación de otros isótopos. El uso de los nucleidos producidos es variado. La mayor variedad se utiliza en investigación (por ejemplo, en química, donde se utilizan átomos de nucleidos "marcadores" para descubrir mecanismos de reacción). Por tonelaje, la separación del uranio natural en uranio enriquecido y uranio empobrecido es la aplicación más importante. En el siguiente texto se considera principalmente el enriquecimiento de uranio. Este proceso es crucial en la fabricación de combustible de uranio para plantas de energía nuclear y también es necesario para la creación de armas nucleares basadas en uranio . Las armas basadas en plutonio utilizan plutonio producido en un reactor nuclear, que debe funcionar de tal manera que produzca plutonio que ya tenga una mezcla o calidad isotópica adecuada .
Si bien los elementos químicos pueden purificarse mediante procesos químicos , los isótopos del mismo elemento tienen propiedades químicas casi idénticas, lo que hace que este tipo de separación no sea práctica, excepto para la separación de deuterio .
Hay tres tipos de técnicas de separación de isótopos:
El tercer tipo de separación es todavía experimental; Todas las técnicas prácticas de separación dependen de alguna manera de la masa atómica. Por lo tanto, generalmente es más fácil separar isótopos con una diferencia de masa relativa mayor. Por ejemplo, el deuterio tiene el doble de masa que el hidrógeno ordinario (ligero) y generalmente es más fácil purificarlo que separar el uranio-235 del uranio-238, más común . En el otro extremo, la separación del plutonio fisible-239 de la impureza común plutonio-240 , si bien es deseable porque permitiría la creación de armas de fisión tipo cañón a partir de plutonio, en general se considera poco práctica. [1]
Todos los esquemas de separación de isótopos a gran escala emplean una serie de etapas similares que producen concentraciones sucesivamente mayores del isótopo deseado. Cada etapa enriquece aún más el producto del paso anterior antes de ser enviado a la siguiente etapa. De manera similar, los relaves de cada etapa se devuelven a la etapa anterior para su posterior procesamiento. Esto crea un sistema de enriquecimiento secuencial llamado cascada .
Hay dos factores importantes que caracterizan el desempeño de una cascada. El primero es el factor de separación, que es un número mayor que 1. El segundo es el número de etapas necesarias para conseguir la pureza deseada.
Hasta la fecha, sólo se ha producido la separación isotópica comercial a gran escala de tres elementos. En cada caso, el más raro de los dos isótopos más comunes de un elemento se ha concentrado para su uso en tecnología nuclear:
Algunos elementos purificados isotópicamente se utilizan en cantidades más pequeñas para aplicaciones especializadas, especialmente en la industria de los semiconductores, donde se utiliza silicio purificado para mejorar la estructura cristalina y la conductividad térmica , [2] y carbono con mayor pureza isotópica para fabricar diamantes con mayor conductividad térmica.
La separación de isótopos es un proceso importante para la tecnología nuclear tanto pacífica como militar y, por lo tanto, la capacidad que tiene una nación para la separación de isótopos es de sumo interés para la comunidad de inteligencia.
La única alternativa a la separación de isótopos es fabricar el isótopo requerido en su forma pura. Esto puede hacerse mediante la irradiación de un objetivo adecuado, pero es necesario tener cuidado en la selección del objetivo y otros factores para garantizar que sólo se produzca el isótopo requerido del elemento de interés. Los isótopos de otros elementos no suponen un problema tan grave, ya que pueden eliminarse por medios químicos.
Esto es particularmente relevante en la preparación de plutonio-239 de alta calidad para su uso en armas. No es práctico separar el Pu-239 del Pu-240 o del Pu-241. El Pu-239 fisible se produce después de la captura de neutrones por el uranio-238, pero una mayor captura de neutrones producirá Pu-240 , que es menos fisible y, peor aún, es un emisor de neutrones bastante fuerte, y Pu-241, que se desintegra a Am-241 , un fuerte emisor alfa que plantea problemas de autocalentamiento y radiotoxicidad. Por lo tanto, los objetivos de uranio utilizados para producir plutonio militar deben irradiarse sólo durante un corto período de tiempo, para minimizar la producción de estos isótopos no deseados. Por el contrario, mezclar plutonio con Pu-240 lo hace menos adecuado para armas nucleares.
Si el objetivo deseado no es una bomba atómica sino hacer funcionar una central nuclear, la alternativa al enriquecimiento de uranio para su uso en un reactor de agua ligera es el uso de un moderador de neutrones con una sección transversal de absorción de neutrones más baja que la del protio . Las opciones incluyen agua pesada , como se usa en los reactores tipo CANDU , o grafito , como se usa en los reactores magnox o RBMK . Sin embargo, la obtención de agua pesada también requiere la separación de isótopos, en este caso de los isótopos de hidrógeno, lo que es más fácil debido a la mayor variación en el peso atómico. Tanto los reactores magnox como los RBMK tenían propiedades indeseables cuando funcionaban con uranio natural , lo que finalmente llevó a la sustitución de este combustible por uranio poco enriquecido, anulando la ventaja de renunciar al enriquecimiento. Los reactores de agua pesada a presión , como el CANDU, todavía están en uso activo, y la India , que tiene recursos internos de uranio limitados y ha estado bajo un embargo nuclear parcial desde que se convirtió en un Estado con bomba atómica, depende en particular de reactores moderados por agua pesada para su energía nuclear. Una gran desventaja de los reactores de agua pesada es el enorme coste inicial del agua pesada.
_(cropped).jpg/1280px-Gaseous_Diffusion_(44021367082)_(cropped).jpg)
El método de difusión, que suele utilizarse con gases, pero también con líquidos, se basa en el hecho de que, en equilibrio térmico, dos isótopos con la misma energía tendrán velocidades medias diferentes. Los átomos más ligeros (o las moléculas que los contienen) viajarán más rápidamente a través de una membrana, cuyos diámetros de poro no son mayores que la longitud media del camino libre ( flujo de Knudsen ). La relación de velocidad es igual a la raíz cuadrada inversa de la relación de masa, por lo que la cantidad de separación es pequeña. Por ejemplo para 235 UF 6 versus 238 UF 6 es 1,0043. Por tanto, se necesitan muchas etapas en cascada para obtener una alta pureza. Este método es caro debido al trabajo necesario para empujar el gas a través de una membrana y a las numerosas etapas necesarias, cada una de las cuales requiere la recompresión del gas.
La primera separación a gran escala de isótopos de uranio la logró Estados Unidos en grandes plantas de separación por difusión gaseosa en los Laboratorios Oak Ridge , que se establecieron como parte del Proyecto Manhattan . Estos utilizaron gas hexafluoruro de uranio como fluido de proceso. Edward Adler y Edward Norris fueron pioneros en las barreras de difusión de malla de níquel en polvo y níquel electrodepositado. [3] Véase difusión gaseosa . Debido al elevado consumo de energía, el enriquecimiento de uranio por difusión fue sustituido gradualmente por métodos más eficientes como la centrifugación de gases y el enriquecimiento por láser . La última planta de difusión (en Paducah, EE. UU.) cerró en 2013. [4] La Planta de Difusión Gaseosa de Paducah fue un esfuerzo del gobierno de EE. UU. para generar uranio altamente enriquecido para alimentar reactores militares y crear bombas nucleares que condujo al establecimiento de la instalación en 1952. El enriquecimiento de Paducah se mantuvo inicialmente en niveles bajos y la instalación funcionó como una "instalación de alimentación" para otras instalaciones de defensa que procesaban el uranio enriquecido en Oak Ridge, Tennessee y Piketon, Ohio. El objetivo de Paducah y su instalación hermana en Piketon se ajustó en la década de 1960 cuando comenzaron a enriquecer uranio para usarlo en reactores nucleares comerciales para producir energía. [5]
Los esquemas centrífugos hacen girar rápidamente el material permitiendo que los isótopos más pesados se acerquen a una pared radial exterior. Esto suele hacerse en forma gaseosa utilizando una centrífuga tipo Zippe .
La centrifugación de plasma puede separar isótopos, así como separar rangos de elementos para la reducción de desechos radiactivos, el reprocesamiento nuclear y otros fines. El proceso se denomina "separación de masa plasmática"; los dispositivos se denominan "filtro de masa de plasma" o "centrífuga de plasma" (no confundir con centrífugas médicas ). [6]
La separación centrífuga de isótopos fue sugerida por primera vez por Aston y Lindemann [7] en 1919 y los primeros experimentos exitosos fueron reportados por Beams y Haynes [8] con isótopos de cloro en 1936. Sin embargo, los intentos de utilizar esta tecnología durante el Proyecto Manhattan fueron improductivos. . En los tiempos modernos, es el principal método utilizado en todo el mundo para enriquecer uranio y, como resultado, sigue siendo un proceso bastante secreto, lo que impide una adopción más generalizada de la tecnología. En general, se conecta una alimentación de gas UF 6 a un cilindro que gira a alta velocidad. Cerca del borde exterior del cilindro se acumulan las moléculas de gas más pesadas que contienen U-238, mientras que las moléculas que contienen U-235 se concentran en el centro y luego se alimentan a otra etapa en cascada. [9] El uso de tecnología centrífuga gaseosa para enriquecer isótopos es deseable ya que el consumo de energía se reduce considerablemente en comparación con técnicas más convencionales, como las plantas de difusión, ya que se requieren menos pasos en cascada para alcanzar grados similares de separación. De hecho, las centrifugadoras de gas que utilizan hexafluoruro de uranio han sustituido en gran medida a la tecnología de difusión gaseosa para el enriquecimiento de uranio. [ cita necesaria ] Además de requerir menos energía para lograr la misma separación, son posibles plantas a escala mucho más pequeña, lo que las convierte en una posibilidad económica para una nación pequeña que intenta producir un arma nuclear . Se cree que Pakistán utilizó este método para desarrollar sus armas nucleares.
Sudáfrica utilizó tubos de vórtice en su proceso de separación de vórtice Helikon . El gas se inyecta tangencialmente en una cámara con una geometría especial que aumenta aún más su rotación a una velocidad muy alta, provocando que los isótopos se separen. [10] El método es simple porque los tubos de vórtice no tienen partes móviles, pero consumen mucha energía, aproximadamente 50 veces más que las centrífugas de gas. En Alemania se creó un proceso similar, conocido como boquilla de chorro , con una planta de demostración construida en Brasil, y llegaron incluso a desarrollar un sitio para alimentar las plantas nucleares del país. [11]
La separación electromagnética es espectrometría de masas a gran escala, por lo que a veces se la denomina espectrometría de masas. Utiliza el hecho de que las partículas cargadas se desvían en un campo magnético y la cantidad de desviación depende de la masa de la partícula. Es muy caro para la cantidad producida, ya que tiene un rendimiento extremadamente bajo, pero puede permitir alcanzar purezas muy altas. Este método se utiliza a menudo para procesar pequeñas cantidades de isótopos puros para investigación o uso específico (como trazadores isotópicos ), pero no es práctico para uso industrial.
En Oak Ridge y en la Universidad de California, Berkeley , Ernest O. Lawrence desarrolló la separación electromagnética para gran parte del uranio utilizado en la primera bomba atómica de Estados Unidos (ver Proyecto Manhattan ). Los dispositivos que utilizan este principio se denominan calutrones . Después de la guerra, el método se abandonó en gran medida por considerarlo poco práctico. Sólo se había emprendido (junto con la difusión y otras tecnologías) para garantizar que hubiera suficiente material para su uso, cueste lo que cueste. Su principal contribución final al esfuerzo de guerra fue concentrar aún más el material de las plantas de difusión gaseosa a niveles más altos de pureza.
En este método, un láser se sintoniza a una longitud de onda que excita sólo un isótopo del material e ioniza esos átomos preferentemente. Para los átomos, la absorción resonante de luz de un isótopo depende de [12]
permitiendo que láseres finamente sintonizados interactúen con un solo isótopo. Una vez ionizado el átomo, se puede eliminar de la muestra aplicando un campo eléctrico . Este método a menudo se abrevia como AVLIS ( separación de isótopos por láser de vapor atómico ). Este método sólo se desarrolló a medida que la tecnología láser mejoró entre los años 1970 y 1980. Los intentos de desarrollarlo a escala industrial para el enriquecimiento de uranio fueron abandonados sucesivamente en los años 1990 "debido a dificultades técnicas interminables" y porque entretanto las centrifugadoras habían alcanzado la madurez técnica. [13] [14] Sin embargo, es una gran preocupación para aquellos en el campo de la proliferación nuclear , porque puede ser más barato y más fácil de ocultar que otros métodos de separación de isótopos. Los láseres sintonizables utilizados en AVLIS incluyen el láser de colorante [15] y, más recientemente, los láseres de diodo . [dieciséis]
Un segundo método de separación por láser se conoce como separación de isótopos por láser molecular (MLIS). En este método, se dirige un láser infrarrojo al gas de hexafluoruro de uranio (si se desea enriquecer el uranio), excitando moléculas que contienen un átomo de U-235 . Un segundo láser, también en IR ( disociación multifotónica infrarroja ) o en UV, libera un átomo de flúor , dejando pentafluoruro de uranio , que luego precipita en el gas. La conexión en cascada de las etapas MLIS es más difícil que con otros métodos porque el UF 5 debe volver a fluorarse a UF 6 antes de introducirse en la siguiente etapa MLIS. Pero con elementos ligeros, la selectividad isotópica suele ser lo suficientemente buena como para que no sea necesaria la conexión en cascada.
Se han desarrollado varios esquemas MLIS alternativos. Por ejemplo, se utiliza un primer láser en la región visible o del infrarrojo cercano, donde se puede obtener una selectividad superior a 20:1 en una sola etapa. Este método se llama OP-IRMPD (Preexcitación armónica: disociación de fotones múltiples IR ). Pero debido a la pequeña probabilidad de absorción en los armónicos, quedan demasiados fotones sin utilizar, por lo que el método no alcanzó la viabilidad industrial. Además, algunos otros métodos MLIS sufren la pérdida de fotones costosos.
Finalmente, el proceso ' Separación de isótopos por excitación láser ' (SILEX), desarrollado por Silex Systems en Australia, ha sido licenciado a General Electric para el desarrollo de una planta piloto de enriquecimiento. Para el uranio, utiliza un haz molecular frío con UF 6 en un gas portador, en el que el 235 UF 6 se excita selectivamente mediante un láser infrarrojo cercano a 16 μm. A diferencia de las moléculas excitadas, las moléculas isotópicas más pesadas no excitadas tienden a formar grupos con el gas portador, y estos grupos permanecen más cerca del eje del haz molecular, de modo que pueden pasar un skimmer y así separarse del isótopo más ligero excitado. .
Recientemente [ ¿ cuándo? ] Se ha propuesto otro esquema para la separación de deuterio utilizando paquetes de ondas troyanos en un campo electromagnético polarizado circularmente. El proceso de formación de paquetes de ondas troyanos mediante el paso adiabático rápido depende de manera ultrasensible de la reducción de la masa del electrón y del núcleo, que con la misma frecuencia de campo conduce a la excitación del paquete de ondas troyano o antitroyano dependiendo del tipo de isótopo. . Estos y sus gigantescos momentos dipolares eléctricos giratorios se desfasan y el haz de tales átomos se divide en el gradiente del campo eléctrico, en analogía con el experimento de Stern-Gerlach . [ cita necesaria ]
Aunque normalmente se describe que los isótopos de un solo elemento tienen las mismas propiedades químicas, esto no es estrictamente cierto. En particular, las velocidades de reacción se ven ligeramente afectadas por la masa atómica.
Las técnicas que utilizan esto son más efectivas para átomos ligeros como el hidrógeno. Los isótopos más ligeros tienden a reaccionar o evaporarse más rápidamente que los isótopos pesados, lo que permite separarlos. Así es como se produce comercialmente el agua pesada ; consulte el proceso de sulfuro de Girdler para obtener más detalles. Los isótopos más ligeros también se disocian más rápidamente bajo un campo eléctrico. Este proceso en gran cascada se utilizó en la planta de producción de agua pesada de Rjukan .
Un candidato para el mayor efecto isotópico cinético jamás medido a temperatura ambiente, 305, podría eventualmente usarse para la separación de tritio (T). Los efectos de la oxidación de aniones formiato tritiados a HTO se midieron como:
Los isótopos de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno se pueden enriquecer destilando compuestos ligeros adecuados en columnas largas . El factor de separación es la relación de presiones de vapor de dos moléculas isotópicas. En equilibrio, dicha separación se produce en cada plato teórico de la columna y se multiplica por el mismo factor en el siguiente paso (en el siguiente plato). Debido a que el factor de separación elemental es pequeño, se necesita un gran número de placas de este tipo. Esto requiere alturas totales de columna de 20 a 300 m.
La menor presión de vapor de la molécula más pesada se debe a su mayor energía de vaporización , que a su vez resulta de su menor energía de vibración de punto cero en el potencial intermolecular. Como se esperaba de las fórmulas para la presión de vapor, la relación se vuelve más favorable a temperaturas más bajas (presiones más bajas). La relación de presión de vapor de H 2 O a D 2 O es 1,055 a 50 °C (123 mbar) y 1,026 a 100 °C (1013 mbar). Para 12 CO a 13 CO es 1,007 cerca del punto de ebullición normal (81,6 K), y 1,003 para 12 CH 4 a 13 CH 4 cerca de 111,7 K (punto de ebullición). [17]
El enriquecimiento de 13 C mediante destilación ( criogénica ) fue desarrollado a finales de la década de 1960 por científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos. [18] [19] Sigue siendo el método preferido para el enriquecimiento con 13 C. El enriquecimiento de deuterio mediante destilación de agua sólo se realiza si fue preenriquecido mediante un proceso (intercambio químico) con menor demanda de energía. [20] Comenzar con la baja abundancia natural (0,015% D) requeriría la evaporación de cantidades demasiado grandes de agua.
La unidad de trabajo de separación (SWU) es una unidad compleja que depende de la cantidad de uranio procesado y del grado de enriquecimiento, es decir , del grado de aumento de la concentración del isótopo U-235 con respecto al resto.
La unidad es estrictamente: unidad de trabajo separativo kilogramo , y mide la cantidad de trabajo separativo (indicativo de la energía utilizada en el enriquecimiento) cuando las cantidades de alimento y producto se expresan en kilogramos. El esfuerzo invertido en separar una masa F de alimentación de ensayo xf en una masa P de producto de ensayo xp y un desperdicio de masa W y ensayo xw se expresa en términos del número de unidades de trabajo de separación necesarias, dado por la expresión SWU = WV ( xw ) + PV ( xp ) - FV ( xf ), donde V ( x ) es la "función de valor", definida como V ( x ) = (1 - 2 x ) ln ((1 - x ) / x ).
El trabajo de separación se expresa en SWU, kg SW o kg UTA (del alemán Urantrennarbeit )
Si, por ejemplo, se comienza con 100 kilogramos (220 libras) de uranio natural, se necesitan alrededor de 60 SWU para producir 10 kilogramos (22 libras) de uranio enriquecido con un contenido de U-235 al 4,5%.
Los haces radiactivos de isótopos específicos se utilizan ampliamente en los campos de la física experimental, la biología y la ciencia de materiales. La producción y formación de estos átomos radiactivos en un haz iónico para su estudio es todo un campo de investigación que se lleva a cabo en muchos laboratorios de todo el mundo. Bohr y sus compañeros desarrollaron el primer separador de isótopos en el Ciclotrón de Copenhague utilizando el principio de separación electromagnética. Hoy en día, existen muchos laboratorios en todo el mundo que suministran haces de iones radiactivos para su uso. Podría decirse que el principal separador de isótopos en línea (ISOL) es ISOLDE en el CERN, [21] que es una instalación europea conjunta extendida a lo largo de la frontera franco-suiza cerca de la ciudad de Ginebra. Este laboratorio utiliza principalmente espalación de protones de objetivos de carburo de uranio para producir una amplia gama de fragmentos de fisión radiactiva que no se encuentran naturalmente en la Tierra. Durante la espalación (bombardeo con protones de alta energía), un objetivo de carburo de uranio se calienta a varios miles de grados para que se liberen los átomos radiactivos producidos en la reacción nuclear. Una vez fuera del objetivo, el vapor de los átomos radiactivos viaja a una cavidad ionizadora. Esta cavidad del ionizador es un tubo delgado hecho de un metal refractario con una alta función de trabajo que permite colisiones con las paredes para liberar un solo electrón de un átomo libre ( efecto de ionización superficial ). Una vez ionizadas, las especies radiactivas son aceleradas por un campo electrostático y inyectadas en un separador electromagnético. Como los iones que entran en el separador tienen aproximadamente la misma energía, los iones con una masa menor serán desviados por el campo magnético en mayor cantidad que aquellos con una masa más pesada. Este diferente radio de curvatura permite que se lleve a cabo una purificación isobárica. Una vez purificado isobáricamente, el haz de iones se envía a los experimentos individuales. Para aumentar la pureza del haz isobárico, la ionización láser puede tener lugar dentro de la cavidad del ionizador para ionizar selectivamente una cadena de un solo elemento de interés. En el CERN, este dispositivo se llama Fuente de iones láser de ionización por resonancia (RILIS). [22] Actualmente, más del 60% de todos los experimentos optan por utilizar el RILIS para aumentar la pureza de los haces radiactivos.
Como la producción de átomos radiactivos mediante la técnica ISOL depende de la química de los átomos libres del elemento a estudiar, hay ciertos haces que no pueden producirse mediante un simple bombardeo de protones sobre objetivos de actínidos gruesos. Los metales refractarios como el tungsteno y el renio no emergen del objetivo ni siquiera a altas temperaturas debido a su baja presión de vapor. Para producir este tipo de vigas, se requiere un objetivo delgado. La técnica del separador de isótopos guía de iones en línea (IGISOL) se desarrolló en 1981 en el laboratorio de ciclotrón de la Universidad de Jyväskylä en Finlandia . [23] En esta técnica, un objetivo delgado de uranio es bombardeado con protones y los productos de la reacción nuclear salen del objetivo en un estado cargado. Los retrocesos se detienen en una celda de gas y luego salen a través de un pequeño orificio en el costado de la celda donde se aceleran electrostáticamente y se inyectan en un separador de masa. Este método de producción y extracción se lleva a cabo en una escala de tiempo más corta en comparación con la técnica ISOL estándar y los isótopos con vidas medias cortas (sub milisegundos) se pueden estudiar utilizando un IGISOL. También se ha combinado un IGISOL con una fuente de iones láser en el Separador de Isótopos en Línea de Leuven (LISOL), en Bélgica. [24] Las fuentes de objetivos delgados generalmente proporcionan cantidades significativamente menores de iones radiactivos que las fuentes de objetivos gruesos y este es su principal inconveniente.
A medida que avanza la física nuclear experimental, resulta cada vez más importante estudiar los núcleos radiactivos más exóticos. Para hacerlo, se requieren técnicas más inventivas para crear núcleos con proporciones extremas de protones/neutrones. Una alternativa a las técnicas ISOL descritas aquí es la de haces de fragmentación, donde los iones radiactivos se producen mediante reacciones de fragmentación en un haz rápido de iones estables que inciden sobre un objetivo delgado (generalmente de átomos de berilio). Esta técnica se utiliza, por ejemplo, en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) de la Universidad Estatal de Michigan y en la Fábrica de Haz de Isótopos Radioactivos (RIBF) de RIKEN , en Japón.
