Enriquiment d'urani
El enriquiment d'urani és el procés al com és somés l'urani-238 per a aumentar la proporció del isòtop 235O. L'urani natural es compon principalment de l'isòtop 238O, en una proporció en pes d'al voltant del 0,7 % de 235O, l'únic isòtop en cantitat apreciable existent en la naturalea que és fisionable per mig de neutrons tèrmics. Durant l'enriquiment, el contingut percentual de 235O en l'urani natural s'incrementa gràcies al procés de separació d'isòtops.
ya que els diferents isòtops de l'urani són químicament indistinguibles, ya que la corfa electrònica de tots ells té la mateixa estructura, és necessari aprofitar les diferències en propietats físiques com la massa (per mig de difusió gaseosa o centrifugación) o les chicotetes diferències en les energies de transició entre nivells dels electrons (per mig d'excitació diferencial en làser) per a aumentar la proporció de 235O sobre el valor que es troba en la naturalea.
El procés d'enriquiment s'aplica despuix d'haver separat l'urani de les impurees per mijos químics. En el método històricament utilisat a escala industrial, la difusió gaseosa, l'urani es troba en forma d'hexafluoruro d'urani. Despuix de l'enriquiment, el hexafluoruro d'urani és transformat en plantes químiques especials en diòxit d'urani, material ceràmic que s'utilisa finalment com a combustible en els reactors nuclears.
En el procés de diferència de masses es basen el método de difusió a través de membranes i els calutrones. En les diferències en els nivells energètics, es basa la separació per rajos làser.
Les tècniques necessàries per a l'enriquiment són suficientment complexes com per a necessitar un laboratori alvançat i d'importants inversions de capital, pero lo suficientment senzilles com per a estar a l'alcanç de pràcticament qualsevol país del món. En les condicions d'operació dels reactors comercials d'aigua llaugera, l'isòtop 235O presenta una secció eficaç de fissió nuclear major que els atres nucleidos de l'urani. Per a conseguir una taxa de fissions suficientment alta com per a mantindre la reacció en cadena és necessari aumentar la proporció del nucleido 235Urani en el combustible nuclear de tals centrals.
En el Proyecte Manhattan a l'urani enriquit se li va denominar en còdic oralloy, abreviatura d'Oak Ridge alloy (aleació), per la planta en la que l'urani era enriquit. El terme oralloy encara s'usa en ocasions per a referir-se a l'urani enriquit.
El 238urani que permaneix despuix de l'enriquiment és conegut com urani empobrit, i és considerablement menys radiactiu inclús que l'urani natural, a pesar de que és extremadament dens i útil per a vehículs blindats i armes per a travessar blindages i atres aplicacions en les que es requerixca una alta densitat.
Hi ha al voltant de 2,000 tonellades d'urani altament enriquit en el món, produït principalment para energia nuclear, armes nuclears, propulsió naval i cantitats menors per a reactors d'investigació.[1]
Graus
[editar | editar còdic]l'urani tal com s'extrau directament de la Terra no és adequat com a combustible per a la majoria dels reactors nuclears i requerix processos adicionals per a fer-ho utilisable (el disseny CANDU és una excepció notable). L'urani s'extrau ya siga de manera subterrànea o en una mina a cel obert, depenent de la profunditat a la que es trobe. Despuix d'extraure el mineral d'urani, deu passar per un procés de molienda per a extraure l'urani del mineral. Açò es conseguix per mig d'una combinació de processos químics, el producte final dels quals és òxit d'urani concentrat, conegut com òxit d'urani, que conté aproximadament un 80 % d'urani, mentres que el mineral original típicament conté tan sol un 0.1 % d'urani.[2]
Este òxit d'urani es processa més per a obtindre la forma desijada d'urani adequada per a la producció de combustible nuclear. Una volta completat el procés de molienda, l'urani deu sometre's a un procés de conversió, "ya siga a diòxit d'urani, que pot usar-se com a combustible per a aquells tipos de reactors que no requerixen urani enriquit, o a hexafluoruro d'urani, que pot enriquir-se per a produir combustible per a la majoria dels tipos de reactors".[3] L'urani que es troba de manera natural està compost per una mescla de 235O i 238U. El 235O és fisible, lo que significa que es dividix fàcilment en neutrons, mentres que el restant és 238O, pero en la naturalea, més del 99 % del mineral extret és 238U. La majoria dels reactors nuclears requerixen urani enriquit, que és urani en concentracions més altes de 235O, que varien entre 3.5 % i 4.5 % (encara que alguns dissenys de reactors que utilisen un moderador de grafit o aigua pesada, com el RBMK i el CANDU, són capaços d'operar en urani natural com a combustible). Existixen dos processos comercials d'enriquiment: difusió gaseosa i centrifugación de gas. Abdós processos d'enriquiment involucren l'us de hexafluoruro d'urani i produïxen òxit d'urani enriquit.[4]
Urani altament enriquit
[editar | editar còdic]
El urani altament enriquit (Highly enriched uranium HEU) té una concentració superior al 20 % de. 235O. Este alt nivell d'enriquiment és essencial per a les armes nuclears i certs dissenys especialisats de reactors. L'urani fisible en els núcleus de les armes nuclears generalment conté un 85 % o més de 235O, conegut com a grau armamentístico, encara que teòricament, per a un disseny d'implosió, un mínim del 20 % podria ser suficient (cridat nivell per a armes), encara que requeriria centenars de quilograms de material i "no seria pràctic de dissenyar";[5][6] inclús un enriquiment més baix és hipotèticament possible, pero a mida que disminuïx el percentage d'enriquiment, la massa crítica per a neutrons ràpits no moderats aumenta ràpidament, requerint-se, per eixemple, una massa infinita d'urani al 5.4 % de 235O.[5] Per a experiments de criticidad, s'ha conseguit enriquir urani a més del 97 %.[7]
La primera bomba d'urani, Little Boy, llançada pels Estats Units sobre Hiroshima en 1945, va utilisar 64 quilograms (141 lliures) d'urani enriquit al 80 %. Envoldre el núcleu fisible de l'arma en un reflector de neutrons (la qual cosa és estàndar en tots els explosius nuclears) pot reduir dràsticament la massa crítica. Degut a que el núcleu estava rodejat per un bon reflector de neutrons, en l'explosió va comprendre casi 2.5 masses crítiques. Els reflectores de neutrons, la compressió del núcleu fisible per mig d'implosió, l'impuls de fusió i el "tamping", que ralentisa l'expansió del núcleu fisible en inèrcia, permeten dissenys d'armes nuclears que utilisen menys de lo que seria una massa crítica d'esfera nueta a densitat normal. La presència de massa isòtop 238O inhibix la reacció en cadena nuclear descontrolada responsable del poder de l'arma. La massa crítica per a urani altament enriquit al 85 % és d'aproximadament 50 quilograms (110 lliures), que a densitat normal seria una esfera d'uns 17 centímetros (6.7 polzades) de diàmetro.[8]
Les armes nuclears nortamericans posteriors generalment usen plutoni-239 en l'etapa primària, pero l'etapa secundària del revestiment o tampó, que és comprimida per l'explosió nuclear primària, a sovint usa HEU en un enriquiment entre el 40 % i el 80 % junt en el combustible de fusió de deuteruro de liti.[9] Este disseny de múltiples etapes millora l'eficiència i efectivitat de les armes nuclears, permetent un major control sobre la lliberació d'energia durant la detonació. Per a l'etapa secundària d'una gran arma nuclear, la major massa crítica d'urani menys enriquit pot ser una ventaja, ya que permet que el núcleu continga una major cantitat de combustible en el moment de l'explosió. Esta estratègia de disseny optimisa el rendiment explosiu i l'eficiència dels sistemes alvançats d'armes nuclears. El 238O no es considera fisible, pero encara és fisionable per neutrons ràpits (>2 MeV), com els produïts durant la fusió D-T.[10]
El HEU també s'utilisa en reactors de neutrons ràpits, els núcleus dels quals requerixen al voltant del 20 % o més de material fisible, aixina com en reactors navals, a on a sovint conté a lo manco un 50 % de 235O, pero típicament no excedix el 90 %. Estos sistemes de reactors especialisats depenen de l'urani altament enriquit per als seus requisits operatius únics, incloent un alt fluix de neutrons i un control precís sobre la dinàmica del reactor. El prototip del reactor ràpit comercial Fermi-1 va utilisar HEU en un 26.5 % de 235O. Cantitats significatives de HEU s'utilisen en la producció d'isòtops mèdics, com el molibdeno-99 per a generadors de tecnecio-99m.[11] L'indústria mèdica es beneficia de les propietats úniques de l'urani altament enriquit, que permeten la producció eficient d'isòtops crítics essencials per a la imagenología diagnòstica i aplicacions terapèutiques.
Urani de baix enriquiment d'alt ensaig (High-assay LEU (HALEU))
[editar | editar còdic]L'urani de baix enriquiment d'alt ensaig (HALEU) s'enriquix entre un 5 % i un 20 %[12] i s'utilisa en molts dissenys de menuts reactors modular (SMR per les seues sigles en anglés). L'urani de baix enriquiment fresc utilisat en reactors d'investigació sol enriquir-se entre un 12 % i un 19.75 % de 235O; esta última concentració s'usa per a reemplaçar els combustibles d'urani altament enriqueci en convertir-los en urani de baix enriquiment.[13]
Urani de baix enriquiment
[editar | editar còdic]L'urani de baix enriquiment (Low-enriched uranium LEU) té una concentració inferior a el 20% de 235O.
Per a us en els reactors d'aigua llaugera comercials (LWR=Light water reactor), els més estesos mundialment, l'urani està enriquit del 3 al 5 % en 235O. No hi ha un risc directe d'explosió. El LEU utilisat en reactors per a investigació està enriquit del 12 % al 19,75 % en 235O, sent la concentració més alta per a substituir als combustibles d'alt enriquiment pels de baix enriquiment.[14]
Urani llaugerament enriquit
[editar | editar còdic]L'urani llaugerament enriquit (Slightly enriched uranium SEU) té una concentració de 235O entre 0.9 i 2%.
Este nou nivell està sent utilisat per a substituir el combustible d'urani natural en alguns reactors d'aigua pesada presurizada tals com el CANDU. Els costs es rebaixen perque requerixen menys urani i en menys fas s'alimenta el reactor, lo que a la seua volta reduïx la cantitat de combustible gastat i els consegüents costs de gestió de residus.
L'Urani recuperat (Recovered uranium (RU)) és una variació de el SEU. Està basat en el cicle de combustible implicat en els reactors d'aigua llaugera.
Métodos d'enriquiment
[editar | editar còdic]La separació d'isòtops és una activitat difícil i que requerix intensa energia. Enriquir urani és difícil perque els dos isòtops són molt similars en pes: el 238O és solament un 1.27 % més pesat que el 235U. S'han utilisat vàries tècniques per a l'enriquiment, i atres més estan en fase d'investigació. En general, estos métodos exploten les llaugeres diferències en el pes atòmic dels varis isòtops. S'han realisat treballs que usarien la resonància magnètica nuclear, encara que no es coneix si estos processos han segut posats en producció comercial.
Actualment, existixen dos métodos comercials genèrics empleats internacionalment per a l'enriquiment: la difusió gaseosa (coneguda com de primera generació) i la centrifugación de gas (de segona generació), que consumix solament entre un 2 % i un 2.5 % de l'energia que consumix la difusió gaseosa.[15]
Tècniques de difusió
[editar | editar còdic]Difusió tèrmica
[editar | editar còdic]La difusió tèrmica utilisa l'intercanvi de calor a través d'una prima capa de líquit o gas per a conseguir la separació d'isòtops.[10] El procés es beneficia del fet de que les més llaugeres molècules de gas de el 235O, es difondran cap a la superfície calenta, mentres que les més pesades de el 238O, ho faran cap a la superfície més freda. Durant la Segona Guerra Mundial es va utilisar la planta de Oak Ridge per a preparar el material requerit per al procés EMIS (vore més avall: Separació electromagnètica d'isòtops). El procés va ser abandonat en favor de l'us de la difusió gaseosa.
Difusió gaseosa
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Difusió gaseosa.
La difusió gaseosa és una tecnologia utilisada per a produir urani enriquit que consistix en forçar al gas d'hexafluoruro d'urani a través d'una membrana semipermeable, lo que produïx una llaugera separació entre les molècules que contenen 235O i les que contenen 238O. A lo llarc de la Guerra freda, la difusió gaseosa va jugar un paper important en la tècnica de l'enriquiment d'urani, a pesar de lo que actualment ha segut casi per complet substituïda per nous métodos.[16]
Tècniques de centrifugado
[editar | editar còdic]Gas centrifugado
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Centrifugador de gas.
El procés de gas centrifugado utilisa un gran número de cilindres rotatius en formacions en paralel i en série. Esta rotació crea una força centrífuga molt forta, de modo que les molècules més pesades que contenen 238O, es desplacen cap a la part exterior del cilindre, mentres que les més llaugeres de el 235O s'arrepleguen més propenques al centre. Este procés requerix molta menys energia que el vell de difusió gaseosa, per a conseguir la mateixa separació, per lo que ho ha pràcticament remplazado per complet.[17]
El centrifugado Zippe
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Centrifugador Zippe.
El centrifugado Zippe és una millora sobre el centrifugado de gas convencional, sent la principal diferencia l'us de la calor. Es calfa el fondo dels cilindres rotatius, provocant corrents que mouen cap a la zona superior el 235O, a on pot ser arreplegat per mig de paleta. Este disseny de centrifugado millorat és utilisat per la companyia comercial Urenco per a produir combustible nuclear. També, este procés va ser utilisat per Pakistan en el seu programa d'armes nuclears, i el govern pakistaní va vendre la tecnologia Zippe a Corea del Nort i Iran, permetent a abdós països el desenroll de la seua pròpia indústria nuclear.
Métodos de separació per làser
[editar | editar còdic]Els processos Làser constituïxen possiblement una tercera generació tecnològica que promet menys requeriments d'aportació d'energia, més baixos costs de capital, i reducció de proves, tot lo que suponen ventages econòmiques significatives.
Separació d'isòtops per làser de vapor atòmic
[editar | editar còdic]- Artícul principal → AVLIS.
AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation) és un método en el que s'utilisen làsers especialment afinados per a separar isotopos d'urani, per mig de la selectiva ionisació en transicions hiperfinas. La tècnica utilisa làserés ajustats a freqüències que ionizan els àtoms de 235O pero no uns atres. El 235O en càrrega de ions positius és llavors atret a una font carregada negativament i recollit.[18]
Separació d'isòtops per làser molecular
[editar | editar còdic]En este método (Molecular Laser Isotope Separation MLIS) consistent en un làser de infrarrojos és dirigit al gas de hexafluoruro d'urani, excitant les molècules que contenen un àtom de 235U. Un segon làser llibera un àtom de flúor, extraent el pentafluoruro d'urani que precipita des del gas.
Separació d'isòtops per excitació làser
[editar | editar còdic]La separació d'isòtops per excitació làser (Separation of Isotopes by Laser Excitation, SILEX) és un desenroll australià que també utilisa UF6. Despuix d'un prolongat procés de desenroll que va involucrar a l'empresa d'enriquiment nortamericà USEC adquirint i després renunciant als drets de comercialisació de la tecnologia, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) va firmar un acort de comercialisació en Silex Systems en 2006.[19] GEH ha construït des de llavors un bucle de prova de demostració i va anunciar plans per a construir una instalació comercial inicial. Els detalls del procés estan classificats i restringits per acorts intergovernamentals entre Estats Units, Austràlia i les entitats comercials. Es proyecta que SILEX siga un orde de magnitut més eficient que les tècniques de producció existents, pero novament, la sifra exacta està classificada. En agost de 2011, Global Laser Enrichment, una subsidiària de GEH, va solicitar a la Comissió Reguladora Nuclear de EE. UU. (NRC) un permís per a construir una planta comercial.[20] En setembre de 2012, la NRC va emetre una llicència per a que GEH construïxca i opere una planta d'enriquiment comercial SILEX, encara que l'empresa encara no havia decidit si el proyecte seria lo suficientment rendable com per a començar la construcció, i a pesar de les preocupacions de que la tecnologia podria contribuir a la proliferació nuclear.[21] La por a la proliferació nuclear va sorgir en part degut a que la tecnologia de separació per làser requerix menys del 25 % de l'espai de les tècniques de separació típiques, aixina com solament l'energia necessària per a alimentar 12 cases típiques, posant a una planta de separació per làser que funciona per mig d'excitació làser molt per baix del llindar de detecció de les tecnologies de vigilància existents. Per estes preocupacions, la Societat Americana de Física va presentar una petició a la NRC, demanant que ans que es construïxquen plantes d'excitació per làser, es realise una revisió formal dels riscs de proliferació. La APS inclús va aplegar a calificar la tecnologia com un "canvi de joc" per la capacitat de ser amagada de qualsevol tipo de detecció.
Atres métodos
[editar | editar còdic]Processos aerodinàmics
[editar | editar còdic]
Els processos d'enriquiment aerodinàmics inclouen les tècniques "Becker Jet Nozzle" desenrollades per EW Becher i associats, i el procés de separació en el tubo vórtex. Este procés de separació aerodinàmica, es basa en la difusió provocada per gradient de pressió, tal com en el procés del gas centrifugado, i de fet, el procés aerodinàmic pot ser considerat un centrifugado no rotatiu. L'obtenció de les forces centrífugas es conseguix per una dilució de UF6, en hidrogen o heli com a gas de transport que alcança una major velocitat de fluix de la que s'obtindria si s'utilisara hexafluoruro d'urani pur. La Uranium Enrichment Corporation of South Africa (UCOR) va desenrollar el procés de separació Helikon vortex, basat en el tubo vórtex i en Brasil, NUCLEI, un consorci dirigit per Indústries Nuclears do Brasil, va construir una planta d'experimentació.[22] Com abdós processos implicaven un alt consum d'energia i requisits notables per a la retirada dels residus de la calor, actualment no estan en us.
Separació Electromagnètica d'Isòtops
[editar | editar còdic]Plantilla:Vore també Conegut per l'abreviatura de la seua denominació anglesa (Electromagnetic Isotope Separation) com EMIS. L'urani metàlic, prèviament és vaporizado, és ionizado en ions carregats positivament. Llavors, són accelerats i subsegüentment deflectados per camps magnètics cap als seus respectius punts de recollida. Un espectómetro de masses a nivell de producció, cridat Calutrón, desenrollat durant la Segona Guerra Mundial i que va proporcionar la majoria de el 235O utilisat en la bomba nuclear Little Boy que es va llançar sobre Hiroshima en 1945. Exactament, el terme 'Calutron' fa referència a un aparat de varis components situat en un gran óval al voltant d'un potent electromagneto. La separació magnètica s'ha pràcticament abandonat en favor de métodos més efectius; no obstant, els inspectors internacionals varen trobar que Iraq havia construït en secret dotzenes de calutrones, supostament per al desenroll d'una bomba nuclear.[23]
Métodos químics
[editar | editar còdic]S'han realisat demostracions per a una planta pilot d'un procediment químic, pero no ha segut utilisat. El procés francés CHEMEX va explotar una molt llaugera diferència en el clim dels dos isòtops a canviar de valència en l'oxidació/reducció, utilisant fases acuosas inmiscibles i orgàniques. Es va desenrollar un procediment d'intercanvi iònic per part de la Asahi Chemical Company en Japó que utilisa una química similar pero que realisa la separació baix l'intercanvi iònic de les propietats d'una columna de resina.
Separació de plasma
[editar | editar còdic]El procés de Separació de plasma (PSP) descriu una tècnica potencialment més eficient per a l'enriquiment d'urani que utilisa el magnetisme de superconductores i la física de plasma. En este procés, s'utilisa el principi del ciclotrón para, selectivament, potenciar l'isòtop 235O en un plasma que conté una mescla de ions. Els francesos han desenrollat la seua pròpia versió de el PSP, a la qual denominen RCI. La dotació de fondos per a el RCI es va reduir dràsticament en 1986, i el programa es va suspendre cap a 1990, a pesar de que encara s'usa el RCI per a la separació estable d'isòtops.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Cochran, Thomas (1997). Safeguarding Nuclear Weapon-Usable Materials in Russia (en en), Proceedings of international forum on illegal nuclear traffic.
- ↑ «Nuclear Fuel Cycle Overview» (en en). World Nuclear Association.
- ↑ «Radiological Sources of Potential Exposure and/or Contamination» (en en). U.S. Army Center for Health Promotion and Preventive Medicine.
- ↑ Progress in Nuclear Energy.ISSN 0149-1970.doi:10.1016/0149-1970(81)90026-3.
- ↑ 5,0 5,1 ORNL/TM-13517.
- ↑ Carey Sublette. «Nuclear Weapons FAQ, Section 4.1.7.1: Nuclear Design Principles – Highly Enriched Uranium» (en en). Nuclear Weapons FAQ.
- ↑ Els Alamos Technical Paper.doi:10.2172/10120434.
- ↑ Progress in Nuclear Energy.ISSN 0149-1970.doi:10.1016/0149-1970(81)90026-3.
- ↑ «Nuclear Weapons FAQ» (en en).
- ↑ 10,0 10,1 Chemical Engineering Journal.doi:10.1016/j.cej.2023.144586.
- ↑ Science & Global Security.doi:10.1080/08929880600993071.
- ↑ John Herczeg. «High-assay low enriched uranium» (en en). Energy.gov.
- ↑ Glaser, Alexander (2005). About the Enrichment Limit for Research Reactor Conversion : Why 20%? (en en), The 27th International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors.
- ↑ Nuclear Engineering and Design.doi:10.1016/j.nucengdes.2020.110718.
- ↑ «Uranium Enrichment» (en en). world-nuclear.org.
- ↑ «Paducah enrichment plant to be closed - World Nuclear News» (en en).
- ↑ Nature: nature.
- ↑ Duarte; Hillman, {{{nom2}}}. Dye Laser Principles (en en).
- ↑ «GE Signs Agreement With Silex Systems of Austràlia To Develop Uranium Enrichment Technology» (en en). GE Energy.
- ↑ «[1]» (en en).
- ↑ «[2]» (en en).
- ↑ Smith; Jackson, A. G. M. (2000). South African Institution of Chemical Engineers – Conference 2000 (en en).
- ↑ Kötter, Wolfgang (1994). Nuclear Senar-Proliferation and Global order (en anglés), SIPRI/Oxford University Press. ISBN 0-19-829155-8.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Enriquecimiento de uranio» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.