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La difusión gaseosa es una tecnología que se utilizó para producir uranio enriquecido forzando hexafluoruro de uranio gaseoso (UF 6 ) a través de membranas microporosas. Esto produce una ligera separación (factor de enriquecimiento 1,0043) entre las moléculas que contienen uranio-235 ( 235 U) y uranio-238 ( 238 U). Mediante el uso de una gran cascada de muchas etapas, se pueden lograr altas separaciones. Fue el primer proceso desarrollado capaz de producir uranio enriquecido en cantidades industrialmente útiles, pero hoy en día se considera obsoleto, habiendo sido reemplazado por el proceso de centrifugación de gas más eficiente (factor de enriquecimiento de 1,05 a 1,2). [1] [2]
La difusión gaseosa fue ideada por Francis Simon y Nicholas Kurti en el Laboratorio Clarendon en 1940, a quienes el Comité MAUD les encargó encontrar un método para separar el uranio-235 del uranio-238 con el fin de producir una bomba para el proyecto British Tube Alloys . El prototipo del equipo de difusión gaseosa fue fabricado por Metropolitan-Vickers (MetroVick) en Trafford Park , Manchester, a un coste de £150.000 por cuatro unidades, para MS Factory, Valley . Este trabajo fue posteriormente transferido a los Estados Unidos cuando el proyecto Tube Alloys quedó incluido en el posterior Proyecto Manhattan . [3]
De los 33 nucleidos primordiales radiactivos conocidos , dos ( 235 U y 238 U) son isótopos de uranio . Estos dos isótopos son similares en muchos aspectos, excepto que sólo el 235 U es fisible (capaz de sostener una reacción nuclear en cadena de fisión nuclear con neutrones térmicos ). De hecho, 235 U es el único núcleo fisible de origen natural. [4] Debido a que el uranio natural tiene solo alrededor del 0,72% de 235 U en masa, debe enriquecerse a una concentración del 2 al 5% para poder soportar una reacción nuclear en cadena continua [5] cuando se utiliza agua normal como moderador. El producto de este proceso de enriquecimiento se llama uranio enriquecido.
La difusión gaseosa se basa en la ley de Graham , que establece que la velocidad de efusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molecular . Por ejemplo, en una caja con una membrana microporosa que contiene una mezcla de dos gases, las moléculas más ligeras saldrán del recipiente más rápidamente que las moléculas más pesadas, si el diámetro de los poros es menor que la longitud media del camino libre ( flujo molecular ). El gas que sale del recipiente está algo enriquecido en moléculas más ligeras, mientras que el gas residual está algo empobrecido. Se denomina difusor a un recipiente único en el que se realiza el proceso de enriquecimiento mediante difusión gaseosa .
El UF 6 es el único compuesto de uranio suficientemente volátil para ser utilizado en el proceso de difusión gaseosa. Afortunadamente, el flúor consta de un solo isótopo 19 F, de modo que la diferencia del 1% en los pesos moleculares entre 235 UF 6 y 238 UF 6 se debe únicamente a la diferencia de pesos de los isótopos de uranio. Por estas razones, el UF 6 es la única opción como materia prima para el proceso de difusión gaseosa. [6] El UF6 , un sólido a temperatura ambiente, se sublima a 56,4 °C (133 °F) a 1 atmósfera. [7] El punto triple está a 64,05 °C y 1,5 bar. [8] La aplicación de la ley de Graham da:
dónde:
Esto explica la diferencia del 0,4% en las velocidades promedio de 235 moléculas de UF 6 respecto a las de 238 moléculas de UF 6 . [9]
El UF 6 es una sustancia altamente corrosiva . Es un oxidante [10] y un ácido de Lewis que puede unirse al fluoruro ; por ejemplo, se informa que la reacción del fluoruro de cobre (II) con hexafluoruro de uranio en acetonitrilo forma heptafluorouranato (VI) de cobre (II), Cu (UF). 7 ) 2 . [11] Reacciona con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manipular a escala industrial. [6] Como consecuencia, las vías gaseosas internas deben fabricarse con acero inoxidable austenítico y otros metales termoestabilizados . Se deben aplicar fluoropolímeros no reactivos, como el teflón, como recubrimiento a todas las válvulas y sellos del sistema.
Las plantas de difusión gaseosa suelen utilizar barreras agregadas (membranas porosas) construidas con níquel o aluminio sinterizado , con un tamaño de poro de 10 a 25 nanómetros (esto es menos de una décima parte del recorrido libre medio de la molécula de UF 6 ). [4] [6] También pueden utilizar barreras tipo película, que se fabrican perforando poros a través de un medio inicialmente no poroso. Una forma de hacerlo es eliminando un componente de una aleación, por ejemplo usando cloruro de hidrógeno para eliminar el zinc de la plata-zinc (Ag-Zn) o hidróxido de sodio para eliminar el aluminio de la aleación Ni-Al.
Debido a que los pesos moleculares de 235 UF 6 y 238 UF 6 son casi iguales, se produce muy poca separación de 235 U y 238 U en un solo paso a través de una barrera, es decir, en un difusor. Por tanto, es necesario conectar un gran número de difusores entre sí en una secuencia de etapas, utilizando las salidas de la etapa anterior como entradas para la etapa siguiente. Esta secuencia de etapas se llama cascada . En la práctica, las cascadas de difusión requieren miles de etapas, según el nivel de enriquecimiento deseado. [6]
Todos los componentes de una planta de difusión deben mantenerse a una temperatura y presión adecuadas para asegurar que el UF 6 permanezca en la fase gaseosa. El gas debe comprimirse en cada etapa para compensar la pérdida de presión a través del difusor. Esto conduce al calentamiento por compresión del gas, que luego debe enfriarse antes de ingresar al difusor. Las necesidades de bombeo y refrigeración hacen que las plantas de difusión consuman enormes cantidades de energía eléctrica . Por esta razón, la difusión gaseosa era el método más caro utilizado hasta hace poco para producir uranio enriquecido. [12]
Los trabajadores que trabajaban en el Proyecto Manhattan en Oak Ridge, Tennessee , desarrollaron varios métodos diferentes para la separación de isótopos de uranio. Tres de estos métodos se utilizaron secuencialmente en tres plantas diferentes en Oak Ridge para producir el 235 U para " Little Boy " y otras primeras armas nucleares . En el primer paso, la instalación de enriquecimiento de uranio S-50 utilizó el proceso de difusión térmica para enriquecer el uranio desde un 0,7% hasta casi un 2% 235 U. Luego, este producto se introdujo en el proceso de difusión gaseosa en la planta K-25 , la cuyo producto fue alrededor del 23% de 235 U. Finalmente, este material se introdujo en calutrones en el Y-12 . Estas máquinas (un tipo de espectrómetro de masas ) emplearon separación de isótopos electromagnéticos para aumentar la concentración final de 235 U a aproximadamente el 84%.
La preparación de materia prima de UF 6 para la planta de difusión gaseosa K-25 fue la primera aplicación del flúor producido comercialmente y se encontraron obstáculos importantes en el manejo tanto del flúor como del UF 6 . Por ejemplo, antes de poder construir la planta de difusión gaseosa K-25, primero fue necesario desarrollar compuestos químicos no reactivos que pudieran usarse como recubrimientos, lubricantes y juntas para las superficies que entrarían en contacto con el gas UF 6 ( una sustancia altamente reactiva y corrosiva). Los científicos del Proyecto Manhattan reclutaron a William T. Miller , profesor de química orgánica en la Universidad de Cornell , para sintetizar y desarrollar dichos materiales, debido a su experiencia en química organofluorada . Miller y su equipo desarrollaron varios polímeros de clorofluorocarbono no reactivos novedosos que se utilizaron en esta aplicación. [13]
Los Calutrons eran ineficientes y costosos de construir y operar. Tan pronto como se superaron los obstáculos de ingeniería planteados por el proceso de difusión gaseosa y las cascadas de difusión gaseosa comenzaron a funcionar en Oak Ridge en 1945, se cerraron todos los calutrones. La técnica de difusión gaseosa se convirtió entonces en la técnica preferida para producir uranio enriquecido. [4]
En el momento de su construcción, a principios de la década de 1940, las plantas de difusión gaseosa eran algunos de los edificios más grandes jamás construidos. [ cita necesaria ] Estados Unidos, la Unión Soviética (incluida una planta que ahora se encuentra en Kazajstán ), el Reino Unido , Francia y China construyeron grandes plantas de difusión gaseosa . La mayoría de ellas ya han cerrado o se espera que lo hagan, al no poder competir económicamente con las nuevas técnicas de enriquecimiento. Parte de la tecnología utilizada en bombas y membranas sigue siendo ultrasecreta. Algunos de los materiales que se utilizaron siguen sujetos a controles de exportación, como parte del esfuerzo continuo por controlar la proliferación nuclear .
En 2008, las plantas de difusión gaseosa en Estados Unidos y Francia todavía generaban el 33% del uranio enriquecido del mundo. [12] Sin embargo, la planta francesa ( la planta Georges-Besse de Eurodif ) cerró definitivamente en junio de 2012, [14] y la planta de difusión gaseosa de Paducah en Kentucky operada por la United States Enrichment Corporation (USEC) (la última planta de uranio en pleno funcionamiento instalación de enriquecimiento en los Estados Unidos que emplea el proceso de difusión gaseosa [5] [1] ) cesó el enriquecimiento en 2013. [15] La única otra instalación de este tipo en los Estados Unidos, la Planta de Difusión Gaseosa de Portsmouth en Ohio, cesó las actividades de enriquecimiento en 2001 [5] [16] [17] Desde 2010, el sitio de Ohio es utilizado principalmente por AREVA , un conglomerado francés , para la conversión de UF 6 empobrecido en óxido de uranio . [18] [19]
A medida que las plantas de difusión gaseosa existentes se volvieron obsoletas, fueron reemplazadas por tecnología de centrifugación de gas de segunda generación , que requiere mucha menos energía eléctrica para producir cantidades equivalentes de uranio separado. AREVA reemplazó su planta de difusión gaseosa Georges Besse por la planta centrífuga Georges Besse II. [2]
Las actividades de enriquecimiento de uranio cesaron en 2013
