La separación de isótopos mediante excitación láser ( SILEX ) es un proceso en desarrollo para enriquecer uranio a escala industrial para reactores nucleares. Se sospecha firmemente que utiliza la represión de la condensación por láser para excitar el isótopo de uranio-235 en el hexafluoruro de uranio (UF 6 ), lo que permite que esta molécula más ligera se mueva más rápidamente hacia el borde exterior de un chorro gaseoso y resista la condensación en comparación con la molécula más pesada y no excitada. 238UF6 . [1] Esto difiere mucho de los métodos anteriores de enriquecimiento por láser explorados por sus perspectivas comerciales: uno que utiliza uranio atómico (Separación de isótopos por láser con vapor atómico (AVLIS)) y otro método molecular que utiliza láseres para disociar un átomo de flúor de 235 UF 6 (Molecular Separación de isótopos por láser (MLIS)), permitiendo que el producto enriquecido precipite como un sólido. [1]
Si bien la empresa australiana Silex Systems Limited es el desarrollador más destacado de esta tecnología (como parte del consorcio Global Laser Enrichment), el acrónimo SILEX en realidad solo se refiere a un concepto de separación física que utiliza la represión de la condensación y que es bien conocido y está en desarrollo o en uso. para múltiples aplicaciones en todo el mundo. [2] Pueden existir ligeras variaciones en los parámetros operativos, la disposición de los equipos, los láseres y sus capacidades de un proceso de tipo SILEX a otro (y recibir nombres diferentes), pero el concepto de separación física sigue siendo el mismo si se utiliza la represión de condensación. , especialmente en comparación con el utilizado por AVLIS o MLIS.
El físico de Princeton Ryan Snyder ha sugerido que este proceso puede conducir a una mayor proliferación de armas nucleares debido a su vía tecnológica cada vez más accesible [2] [3] y firmas indetectables (huella de área pequeña y alta eficiencia energética). [1]
El desarrollo de diversas variantes de MLIS comenzó ya en los años 1970. En la mayoría de ellos, un láser infrarrojo excitaba vibratoriamente uno de los isótopos como el 235 UF 6 de hexafluoruro de uranio gaseoso . Esto requiere una longitud de onda cercana a los 16 µm. A continuación, las moléculas excitadas se excitaron aún más hasta disociarse, ya sea nuevamente a 16 µm o mediante un láser UV.
Después de la euforia inicial, la LIS de uranio fue abandonada en su mayor parte durante la década de 1990. Urenco publicó en 1992 los motivos de su decisión. [4] Una razón fue que los procesos LIS parecían requerir una serie de desarrollos adicionales de resultado incierto, mientras que las centrifugadoras habían alcanzado la madurez técnica en esa época. Pero en Australia la variante SILEX no fue descontinuada.
En noviembre de 1996, Silex Systems Limited otorgó la licencia de su tecnología exclusivamente a United States Enrichment Corporation (USEC) para el enriquecimiento de uranio. [5]
En 1999, Estados Unidos firmó el Acuerdo de Cooperación entre el Gobierno de Australia y el Gobierno de los Estados Unidos de América sobre Tecnología para la Separación de Isótopos de Uranio mediante Excitación Láser [Acuerdo SILEX] , que permitió la investigación y el desarrollo cooperativos entre los Estados Unidos. dos países sobre el proceso SILEX. [6]
Silex Systems concluyó la segunda etapa de pruebas en 2005 y comenzó su Programa Test Loop. Ya antes, en 2003, la USEC se retiró del proyecto. En 2007, Silex Systems firmó un acuerdo exclusivo de comercialización y licencia con General Electric Corporation (GE). El programa Test Loop se transfirió a las instalaciones de GE en Wilmington, Carolina del Norte . También en 2007, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) firmó cartas de intención para servicios de enriquecimiento de uranio con Exelon y Entergy , las dos mayores empresas de energía nuclear de Estados Unidos. [7]
En 2008, GEH escindió Global Laser Enrichment (GLE) para comercializar la tecnología SILEX y anunció la primera posible instalación comercial de enriquecimiento de uranio utilizando el proceso Silex. La Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de EE. UU. aprobó una enmienda de licencia que permite a GLE operar el circuito de prueba. También en 2008, Cameco Corporation , Canadá, el mayor productor de uranio del mundo, se unió a GE e Hitachi como copropietario de GLE. [8]
En 2010, surgieron preocupaciones de que el proceso SILEX representa una amenaza para la seguridad nuclear global (ver Preocupaciones por la proliferación). [9]
En agosto de 2011, GLE solicitó a la NRC un permiso para construir una planta comercial en Wilmington, que enriquecería uranio hasta un máximo del 8% 235 U. [10] El 19 de septiembre de 2012, la NRC tomó su decisión inicial sobre la solicitud y concedió el permiso solicitado. [11] Silex completó su programa de bucle de prueba de fase 1 en las instalaciones de GE-Hitachi Global Laser Enrichment (GLE) en Wilmington. El nivel de enriquecimiento objetivo de la planta comercial es del 8 por ciento, lo que la sitúa en el extremo superior del uranio poco enriquecido. [12]
En 2014, tanto GLE como Silex Systems se reestructuraron y Silex redujo a la mitad su fuerza laboral. [13] En 2016, GEH se retiró de GLE y canceló su inversión. [13] [14]
En 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos acordó vender alrededor de 300.000 toneladas de hexafluoruro de uranio empobrecido a GLE para su reenriquecimiento (del 0,35 al 0,7 % 235 U) utilizando el proceso SILEX durante 40 años en una instalación de enriquecimiento láser propuesta en Paducah, Kentucky. . [15]
En 2018, Silex Systems abandonó sus planes para GLE, con la intención de repatriar la tecnología SILEX a Australia. [dieciséis]
En 2021, Silex Systems adquirió la propiedad mayoritaria (51%) de GLE, con Cameco (49%) como propietario minoritario. El camino hacia el mercado para la empresa está respaldado por un acuerdo entre GLE y el Departamento de Energía de EE. UU. en virtud del cual los relaves de uranio del DOE estarán disponibles para el proyecto propuesto de enriquecimiento por láser de Paducah. La tecnología de Silex se utilizará para producir uranio de grado natural a partir de los relaves. [17] GLE tiene la intención ahora (a partir de 2022) de centrarse en el reenriquecimiento en Paducah. [18] Es en este lugar donde funcionó hasta 2013 la última planta de difusión para el enriquecimiento de uranio. Dejó varios cientos de miles de toneladas de UF 6 empobrecido .
La vibración fundamental de longitud de onda más corta del UF 6 gaseoso es de alrededor de 16 µm. A temperatura ambiente, su ancho (alrededor de 20 cm −1 ) es mucho mayor que el desplazamiento isotópico (0,6 cm −1 ). El ensanchamiento se debe a estados vibratorios y rotacionales excitados térmicamente. Para permitir una excitación selectiva, el UF6 , diluido aproximadamente 100 veces con un gas portador (que puede ser argón o nitrógeno), se enfría a aproximadamente 80 K mediante expansión adiabática a través de una boquilla al vacío. Al principio todavía se producen colisiones (que son necesarias para enfriar). Pero después de recorrer unos 10 diámetros de boquilla, debido a la expansión, son tan raras que ya no se puede producir condensación. También es necesario evitar colisiones para suprimir cualquier transferencia de energía por colisión entre los isótopos. Este método de haz molecular se utiliza en todos los casos en los que se necesita un estrechamiento espectral para una excitación selectiva.
Con SILEX, la presión y el diámetro de la boquilla se eligen lo suficientemente grandes como para proporcionar un número suficiente de colisiones inmediatamente después de la boquilla, para permitir la formación de agrupaciones (UF6•G) con el gas portador G. (Las agrupaciones de UF 6 •UF 6 son prácticamente no se forma debido a la densidad mucho menor del UF6 en comparación con el G.) Si 235 UF 6 se excita selectivamente a 628,3 cm −1 , entonces esta molécula no se agrega con G, mientras que el 238 UF 6 no excitado, más pesado, sí lo hace. Debido a su mayor velocidad térmica, las moléculas libres abandonan el eje del haz molecular más rápido que los grupos. Por tanto, estos últimos se enriquecen en la parte transmitida por una boquilla desnatadora aguas abajo, mientras que la fracción no transmitida se enriquece en 235 UF 6 . El factor de enriquecimiento es mejor cuanto mayor es la fracción transmitida (es decir, cuanto menor es el agotamiento y menor la reducción). Es decir, SILEX utiliza una boquilla de separación, modificada por un láser, que aprovecha la represión selectiva de la formación de clusters ("condensación").
Para ello, el láser de CO 2 necesita al menos 20 MW. Con un desplazamiento Raman de 354,3 cm −1 y un número de onda del láser de CO 2 de 982,1 cm −1 (línea 10R30), se reciben 627,8 cm −1 . Esto está sólo cerca de la rama Q de 235 UF 6 (centro a 628,3 cm −1 , ancho 0,01 cm −1 [19] ) y está aún más cerca de la rama Q de 238 UF 6 . GLE no informa cómo realizan los ajustes necesarios. Los láseres de CO 2 de alta presión provocarían problemas adicionales en la frecuencia de repetición de los impulsos. Con láseres de CO 2 comunes (presión atmosférica) y con el desplazador Raman estimulado, el estado de la tecnología es de 2 a 4 kHz. [20] Para no dejar grandes partes del haz molecular sin irradiar, se necesitan al menos 20 kHz (según Urenco varias decenas de kHz [21] ), a menos que se utilicen boquillas pulsadas. Las propias boquillas deben tener forma de hendidura para proporcionar una longitud de absorción suficiente.
GLE informa que alcanzan factores de separación de 2 a 20, los valores más altos probablemente van acompañados de un agotamiento más pobre (que no se proporciona). Esto es suficiente para el enriquecimiento desde uranio natural (0,72 % 235 U) hasta grado reactor ( > 3 % 235 U). Los trabajos pioneros del grupo van den Bergh sólo obtuvieron enriquecimientos mucho menores con SF 6 . [22]
Utilizando otros láseres con longitudes de onda adecuadas, SILEX también se puede utilizar para el enriquecimiento isotópico de otros elementos como cloro , molibdeno , carbono y silicio .
En comparación con las tecnologías de enriquecimiento actuales, SILEX obtiene un mayor enriquecimiento. Por lo tanto, se necesitan menos etapas para alcanzar uranio apto para bombas (> 90% 235 U). Según GLE, cada etapa requiere tan solo un 25% del espacio de los métodos convencionales. Por lo tanto, facilitaría a los gobiernos rebeldes ocultar una instalación de producción de uranio para bombas. [9] El atractivo se ve incluso reforzado por las afirmaciones de GLE de que una planta SILEX es más rápida y más barata de construir y consume considerablemente menos energía. Por lo tanto, los científicos expresaron repetidamente su preocupación de que SILEX pudiera crear un camino fácil hacia un arma nuclear (ver, por ejemplo, [23] ). Los cálculos modelo de Ryan Snyder corroboran estas advertencias. [1]
SILEX es la única información privada clasificada por el gobierno de Estados Unidos. En junio de 2001, el Departamento de Energía de Estados Unidos clasificó "cierta información generada de forma privada sobre un innovador proceso de separación de isótopos para enriquecer uranio". Según la Ley de Energía Atómica , toda la información que no esté específicamente desclasificada se clasifica como Datos Restringidos, ya sea de propiedad pública o privada. Esto marca una marcada distinción con la orden ejecutiva de clasificación de seguridad nacional , que establece que la clasificación sólo puede asignarse a información "que sea propiedad de, producida por o para, o que esté bajo el control del Gobierno de los Estados Unidos". Este es el único caso conocido de utilización de la Ley de Energía Atómica de esa manera. [24] [25]
El drama de 2014 de la Australian Broadcasting Corporation, The Code, utiliza "Laser Uranium Enrichment" como elemento central de la trama. La protagonista femenina Sophie Walsh afirma que la tecnología será más pequeña, consumirá menos energía y será más difícil de controlar una vez que sea una alternativa viable a los métodos actuales de enriquecimiento. La Sra. Walsh también afirma que el desarrollo de la tecnología ha sido prolongado y que existen importantes intereses gubernamentales en mantener el secreto y el estatus clasificado de la tecnología.
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