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Separación de isótopos mediante láser de vapor atómico

Un experimento de separación de isótopos mediante láser de vapor atómico en LLNL . La luz verde proviene de un láser de bombeo de vapor de cobre utilizado para bombear un láser ...

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Un experimento de separación de isótopos mediante láser de vapor atómico en LLNL . La luz verde proviene de un láser de bombeo de vapor de cobre utilizado para bombear un láser de colorante altamente sintonizado que produce la luz naranja.

La separación isotópica por láser de vapor atómico ( AVLIS ) es un método que utiliza láseres especialmente sintonizados para separar isótopos de uranio mediante la ionización selectiva de transiciones hiperfinas . [ 1 ] [ 2 ] Una tecnología similar, que utiliza moléculas en lugar de átomos, es la separación isotópica por láser molecular (MLIS).

El uranio natural se compone de una gran masa de 238U y una masa mucho menor de 235U fisionable . Tradicionalmente, el 235U se separa de la masa disolviéndolo en ácido para producir hexafluoruro de uranio y luego utilizando centrifugadoras de gas para separar los isótopos. Cada paso por la centrifugadora "enriquece" la cantidad de 235U y deja atrás uranio empobrecido . En cambio, AVLIS produce un enriquecimiento mucho mayor en un solo paso sin necesidad de mezclarlo con ácido. En principio, esta tecnología también podría utilizarse para la separación de isótopos de otros elementos, lo cual no resulta rentable fuera de 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 sea procesada químicamente antes del enriquecimiento, también es adecuado para su uso con combustible nuclear usado de reactores de agua ligera y otros residuos nucleares . En la actualidad, la extracción de 235La U de esas fuentes es económica solo hasta cierto punto, dejando toneladas de 235El uranio aún se encuentra en los residuos. AVLIS puede ofrecer una forma económica de reprocesar incluso el combustible que ya 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 convencionales de enriquecimiento de uranio basados ​​en centrifugación, el AVLIS representa una preocupación para la proliferación nuclear . Hasta la fecha, no se conoce ninguna línea de producción de AVLIS a escala comercial en funcionamiento.

Principio

El concepto básico del sistema AVLIS consiste en ionizar selectivamente los átomos deseados en un material fuente vaporizado. Dado que los niveles de energía de los electrones se ven afectados por la estructura nuclear , que da lugar a la estructura hiperfina , los distintos isótopos presentan diferentes niveles de energía . Los diseñadores seleccionan una energía electrónica específica donde la diferencia entre isótopos se maximiza y que puede generarse prácticamente con un láser . La luz láser fotoexcita el electrón elegido , ionizando así el átomo y dejándolo cargado eléctricamente. El ion puede entonces manipularse mediante campos electrostáticos o magnéticos. Otros isótopos, con niveles de energía sutilmente diferentes, no se ionizan y permanecen 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. Los primeros trabajos se centraron generalmente en electrones en la banda de 16 micras, que podían producirse eficientemente utilizando láseres de CO₂ que surgieron a finales de la década de 1960. Sin embargo, las transiciones en esta área estaban muy próximas, lo que dificultaba su selección debido al ensanchamiento Doppler , requiriendo 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 suelen utilizar el pico de absorción del ²³⁸U a 502,74 nanómetros , que se desplaza a 502,73  nm en el ²³⁵U .

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 gaseoso puro.

Excitación láser

El láser comúnmente utilizado es un láser de colorante pulsado sintonizable de dos etapas, generalmente bombeado por un láser de vapor de cobre ; [ 4 ] [ 5 ] el oscilador maestro es sintonizable, de ancho de línea estrecho, bajo ruido y alta precisión. [ 6 ] Su potencia se incrementa significativamente mediante un amplificador 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 sintonizables de ancho de línea estrecho . [ 8 ]

Comercialización y relevancia internacional

En la mayor transferencia de tecnología en la historia del gobierno estadounidense , en 1994 el proceso AVLIS fue transferido a la Corporación de Enriquecimiento de los Estados Unidos ( USEC) 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.

AVLIS continúa siendo desarrollado por algunos países y presenta algunos desafíos específicos para la vigilancia internacional. [ 9 ] Ahora se sabe que Irán tuvo un programa secreto de AVLIS. Sin embargo, desde que fue descubierto en 2003, Irán ha afirmado haberlo desmantelado. [ 10 ] [ 11 ]

Breve historia

La historia de AVLIS, según consta en la literatura revisada por pares, comenzó a principios y mediados de la década de 1970 en la antigua Unión Soviética y Estados Unidos. [ 12 ] En Estados Unidos, la investigación sobre AVLIS se llevó a cabo principalmente en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, aunque algunos laboratorios industriales participaron desde el principio. También se ha informado del 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 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ LJ Radziemski, RW Solarz y JA Paisner (Eds.), Espectroscopia láser y sus aplicaciones (Marcel Dekker, Nueva York, 1987) Capítulo 3.
  2. ↑ Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Separación de isótopos por láser en vapor atómico . Wiley-VCH, Berlín, agosto de 2006, ISBN 3-527-40621-2
  3. ↑ "Mejora de los residuos del enriquecimiento de uranio (re-enriquecimiento)" .
  4. ↑ FJ Duarte y LW Hillman (Eds.), Principios del láser de colorante (Academic, Nueva York, 1990) Capítulo 9.
  5. ↑ CE Webb , Láseres de colorante de alta potencia bombeados por láseres de vapor de cobre, en Láseres de colorante de alta potencia , FJ Duarte (Ed.) (Springer, Berlín, 1991) Capítulo 5. doi : 10.1007/978-3-540-47385-5_5
  6. ↑ FJ Duarte y JA Piper , Osciladores láser de colorante bombeados por láser de cobre de alta frecuencia de repetición de pulsos y ancho de línea estrecho, Appl. Opt. 23 , 1391-1394 (1984). doi : 10.1364/AO.23.001391
  7. ↑ ""Anexo 3": Lista de elementos que deben ser reportados al OIEA" . Iraqwatch.org. Archivado del original el 14 de mayo de 2011. Consultado el 22 de noviembre de 2010 .
  8. ↑ IE Olivares, AE Duarte, EA Saravia y FJ Duarte, Separación de isótopos de litio con láseres de diodo sintonizables, Appl. Opt. 41 , 2973-2977 (2002). doi : 10.1364/AO.41.002973
  9. ↑ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack (marzo-abril de 2005). "Enriquecimiento láser: ansiedad por la separación" . Consejo de Relaciones Exteriores . Archivado del original el 22 de diciembre de 2010. Consultado el 22 de noviembre de 2010 .
  10. ↑ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack (17 de junio de 2004). "Enfoque en el programa de enriquecimiento láser de Irán" (PDF) . FirstWatch International . Recuperado el 22 de noviembre de 2010 .
  11. ↑ Paul Rogers (marzo de 2006). "Actividades nucleares de Irán" . Oxford Research Group. Archivado del original el 6 de febrero de 2007. Consultado el 22 de noviembre de 2010 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  12. 1 2 F. J. Duarte (2016). "Separación de isótopos mediante láser de vapor atómico sintonizable". En FJ Duarte (ed.). Aplicaciones de láseres sintonizables (3.ª ed.). Boca Raton: CRC Press . págs. 371–384 . ISBN   9781482261066.
  • Comunicado de prensa de la USEC sobre la cancelación de AVLIS
  • Informe sobre el programa AVLIS iraní
  • Informe del Grupo de Investigación de Oxford sobre las actividades nucleares de Irán .
  • Enriquecimiento de uranio mediante separación de isótopos por láser
  • Descripción general de la separación de isótopos mediante láser de vapor atómico de uranio. RM Feinburg y RS Hargrove. UCRL-ID-114671, agosto de 1993.
  • Página sobre separación de isótopos por láser en LLNL.
  • Investigación relacionada con la separación de isótopos mediante láser en Pakistán