La separación de isótopos por 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 menor de 235 U fisible. Tradicionalmente, el 235 U se separa de la masa disolviéndolo en ácido para producir hexafluoruro de uranio y luego utilizando centrífugas de gas para separar los isótopos. Cada paso por la centrífuga "enriquece" la cantidad de 235 U y deja atrás uranio empobrecido . En cambio, AVLIS produce un enriquecimiento mucho mayor en un solo paso sin necesidad de mezclarlo con ácido. La tecnología podría, en principio, utilizarse también para la separación de isótopos de otros elementos, lo que resulta poco 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 se procese 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, la extracción235
La U de esas fuentes sólo es económica hasta cierto punto, dejando toneladas de235
El U todavía se encuentra en los productos de desecho. El AVLIS puede ofrecer una manera 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 energéticas mucho menores que los métodos de enriquecimiento de uranio convencionales basados en centrifugación, el sistema AVLIS es un problema de proliferación nuclear . Hasta la fecha, no se conoce ninguna línea de producción AVLIS a escala comercial en uso.
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, lo que provoca la estructura hiperfina , los diferentes isótopos tienen diferentes niveles de energía. Los diseñadores eligen una energía de electrón particular donde la diferencia entre isótopos se maximiza y el nivel de energía se puede producir prácticamente con un láser . La luz del láser hace que el electrón elegido se fotoexcite y, por lo tanto, 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. El trabajo inicial generalmente se centró en electrones en la banda de 16 micrones, que podrían producirse de manera eficiente utilizando láseres de CO 2 que estaban surgiendo a fines de la década de 1960. Sin embargo, las transiciones en esta área estaban muy espaciadas, lo que dificultaba la selección debido al ensanchamiento Doppler , lo que requería que el vapor se enfriara con un sistema de expansión complejo. La introducción de láseres que funcionan a frecuencias sintonizables , típicamente láseres de colorante , permitió la selección de excitaciones más convenientes. Los sistemas modernos generalmente utilizan el pico de absorción de 238 U de 502,74 nanómetros que se desplaza 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 puro en estado gaseoso.
El láser que se utiliza habitualmente es un láser de colorante pulsado sintonizable de dos etapas, normalmente bombeado por un láser de vapor de cobre ; [4] [5] el oscilador maestro es sintonizable, de ancho de línea estrecho, de bajo ruido y muy preciso. [6] Su potencia se incrementa significativamente mediante un amplificador de láser de colorante que actúa como amplificador óptico . Se utilizan tres frecuencias ("colores") de láseres para la ionización completa 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 el marco de la mayor transferencia de tecnología en la historia del gobierno de Estados Unidos , el proceso AVLIS se transfirió a la United States Enrichment Corporation para su comercialización. Sin embargo, el 9 de junio de 1999, tras una inversión de 100 millones de dólares, la USEC canceló su programa AVLIS.
Algunos países siguen desarrollando AVLIS y esto plantea algunos desafíos específicos para la vigilancia internacional. [9] Ahora se sabe que Irán tenía un programa AVLIS secreto. Sin embargo, desde que se descubrió en 2003, Irán ha afirmado haberlo desmantelado. [10] [11]
La historia de los AVLIS, tal como se registra en la literatura arbitrada abierta, comenzó a principios y mediados de la década de 1970 en la ex Unión Soviética y los Estados Unidos. [12] En los EE. UU., la investigación de 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 sobre el desarrollo de láseres sintonizables para AVLIS, aplicables al uranio, en varios países, entre ellos Pakistán (1974), Australia (1982-1984), Francia (1984), India (1994) y Japón (1996). [12]
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