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Centrífuga de gas

Diagrama de una centrífuga de gas con flujo a contracorriente, utilizada para separar isótopos de uranio. Una centrífuga de gases es un dispositivo que realiza la separación iso...

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Diagrama de una centrífuga de gas con flujo a contracorriente, utilizada para separar isótopos de uranio.

Una centrífuga de gases es un dispositivo que realiza la separación isotópica de gases. Una centrífuga se basa en los principios de la fuerza centrífuga, que acelera las moléculas de manera que las partículas de diferentes masas se separan físicamente en un gradiente a lo largo del radio de un recipiente giratorio.

Una aplicación destacada de las centrífugas de gas es la separación del uranio-235 ( ²³⁵U ) del uranio-238 ( ²³⁸U ). La centrífuga de gas se desarrolló para reemplazar el método de difusión gaseosa en la extracción de ²³⁵U . La alta separación de estos isótopos se logra mediante el uso de numerosas centrífugas individuales conectadas en serie, que alcanzan concentraciones progresivamente mayores. Este proceso produce concentraciones más elevadas de ²³⁵U con un consumo energético significativamente menor en comparación con el proceso de difusión gaseosa.

Historia

Sugerido en 1919, el proceso centrífugo se llevó a cabo con éxito por primera vez en 1934. El científico estadounidense Jesse Beams y su equipo de la Universidad de Virginia desarrollaron el proceso separando dos isótopos de cloro mediante una ultracentrífuga de vacío . Fue uno de los primeros métodos de separación isotópica explorados durante el Proyecto Manhattan , en particular por Harold Urey y Karl P. Cohen , pero la investigación se interrumpió en 1944, ya que se consideró que el método no daría resultados antes del final de la guerra y que otros métodos de enriquecimiento de uranio ( difusión gaseosa y separación electromagnética ) tenían mayores probabilidades de éxito a corto plazo. Este método se utilizó con éxito en el programa nuclear soviético , convirtiendo a la Unión Soviética en el proveedor más eficaz de uranio enriquecido. Franz Simon , Rudolf Peierls , Klaus Fuchs y Nicholas Kurti realizaron importantes contribuciones al proceso centrífugo.

Paul Dirac realizó importantes contribuciones teóricas al proceso centrífugo durante la Segunda Guerra Mundial ; [ 1 ] [ 2 ] Dirac desarrolló la teoría fundamental de los procesos de separación que sustenta el diseño y el análisis de las modernas plantas de enriquecimiento de uranio. [ 3 ] A largo plazo, especialmente con el desarrollo de la centrífuga tipo Zippe , la centrífuga de gas se ha convertido en un modo de separación muy económico, que utiliza mucha menos energía que otros métodos y tiene numerosas otras ventajas.

El científico pakistaní Abdul Qadeer Khan llevó a cabo investigaciones sobre el rendimiento físico de las centrífugas entre las décadas de 1970 y 1980, utilizando métodos de vacío para impulsar el papel de las centrífugas en el desarrollo de combustible nuclear para la bomba atómica de Pakistán . [ 4 ] Muchos de los teóricos que trabajaban con Khan dudaban de la viabilidad del uranio, tanto gaseoso como enriquecido, a tiempo. [ 5 ] Un científico recordó: «Nadie en el mundo ha utilizado el método de la centrífuga [de gas] para producir uranio de grado militar... Esto no iba a funcionar. Simplemente estaba perdiendo el tiempo». [ 5 ] A pesar del escepticismo, el programa demostró rápidamente su viabilidad. El enriquecimiento mediante centrífuga se ha utilizado en física experimental , y el método se introdujo de contrabando en al menos tres países diferentes a finales del siglo XX. [ 4 ] [ 5 ]

Proceso centrífugo

La centrífuga se basa en la fuerza resultante de la aceleración centrífuga para separar las moléculas según su masa y puede aplicarse a la mayoría de los fluidos. [ 6 ] [ 7 ] Las moléculas densas (más pesadas) se mueven hacia la pared, y las más ligeras permanecen cerca del centro. La centrífuga consta de un rotor de cuerpo rígido que gira a un período completo a alta velocidad. [ 8 ] Se utilizan tubos de gas concéntricos ubicados en el eje del rotor para introducir el gas de alimentación en el rotor y extraer las corrientes separadas más pesadas y más ligeras. [ 8 ] Para la producción de 235 U, la corriente más pesada es la corriente de desecho y la corriente más ligera es la corriente de producto. Las centrífugas modernas tipo Zippe son cilindros altos que giran sobre un eje vertical. Se puede aplicar un gradiente de temperatura vertical para crear una circulación convectiva que asciende en el centro y desciende en la periferia de la centrífuga. Este flujo a contracorriente también puede estimularse mecánicamente mediante las palas que extraen las fracciones enriquecidas y empobrecidas. La difusión entre estos flujos opuestos aumenta la separación por el principio de multiplicación contracorriente .

En la práctica, dado que la altura de una centrífuga individual es limitada, se conectan varias en serie. Cada centrífuga recibe una línea de entrada y produce dos líneas de salida, correspondientes a fracciones ligeras y pesadas . La entrada de cada centrífuga es el producto de la centrífuga anterior. Esto produce una fracción ligera casi pura a partir del producto de la última centrífuga y una fracción pesada casi pura a partir del residuo de la primera.

Proceso de centrifugación de gases

Cascada de centrifugadoras de gas utilizadas para producir uranio enriquecido. Banco de pruebas de centrifugadoras de gas de EE. UU. en Piketon, Ohio, 1984. Cada centrifugadora mide unos 12 metros de altura. (Las centrifugadoras convencionales que se utilizan hoy en día son mucho más pequeñas, de menos de 5 metros de altura).  

El proceso de centrifugación de gas utiliza un diseño único que permite que el gas fluya constantemente dentro y fuera de la centrífuga. A diferencia de la mayoría de las centrífugas que dependen del procesamiento por lotes , la centrífuga de gas utiliza un procesamiento continuo, lo que permite la cascada en la que ocurren múltiples procesos idénticos en sucesión. La centrífuga de gas consta de un rotor cilíndrico, una carcasa, un motor eléctrico y tres líneas para el transporte del material. La centrífuga de gas está diseñada con una carcasa que la encierra completamente. [ 4 ] El rotor cilíndrico está ubicado dentro de la carcasa, que está al vacío para producir una rotación casi sin fricción durante el funcionamiento. El motor hace girar el rotor, creando la fuerza centrífuga sobre los componentes a medida que entran en el rotor cilíndrico. Esta fuerza actúa para separar las moléculas del gas, con las moléculas más pesadas moviéndose hacia la pared del rotor y las moléculas más ligeras hacia el eje central. Hay dos líneas de salida, una para la fracción enriquecida en el isótopo deseado (en la separación de uranio, este es 235U ) y otra empobrecida en ese isótopo. Las líneas de salida llevan estas separaciones a otras centrífugas para continuar el proceso de centrifugación. [ 9 ] El proceso comienza cuando el rotor se equilibra en tres etapas. [ 10 ] La mayoría de los detalles técnicos sobre las centrífugas de gas son difíciles de obtener debido a que están rodeados de "secreto nuclear". [ 10 ]

Las primeras centrífugas de gas utilizadas en el Reino Unido empleaban un cuerpo de aleación recubierto de fibra de vidrio impregnada en epoxi. El equilibrado dinámico del conjunto se lograba añadiendo pequeñas cantidades de epoxi en los puntos indicados por la unidad de prueba de equilibrado. El motor solía ser de tipo plano y se ubicaba en la parte inferior del cilindro. Las primeras unidades medían aproximadamente 2 metros de largo, pero los avances posteriores aumentaron gradualmente su longitud. La generación actual supera los 4 metros. Los cojinetes son de gas, ya que los cojinetes mecánicos no resistirían las velocidades de funcionamiento normales de estas centrífugas.

Una sección de centrífugas se alimentaba con corriente alterna de frecuencia variable proveniente de un inversor electrónico (de alta potencia), que las aceleraba gradualmente hasta alcanzar la velocidad requerida, generalmente superior a 50 000 rpm. Una medida de precaución consistía en superar rápidamente las frecuencias en las que se sabía que el cilindro sufría problemas de resonancia . El inversor es una unidad de alta frecuencia capaz de operar a frecuencias cercanas a 1 kilohercio. Todo el proceso suele ser silencioso; si se escucha algún ruido proveniente de una centrífuga, es una señal de advertencia de fallo (que normalmente se produce muy rápidamente). El diseño de la cascada permite el fallo de al menos una centrífuga sin comprometer el funcionamiento de la misma. Las unidades suelen ser muy fiables; los primeros modelos han funcionado de forma continua durante más de 30 años.

Los modelos más recientes han aumentado progresivamente la velocidad de rotación de las centrífugas, ya que la velocidad de la pared de la centrífuga es el factor que más influye en la eficiencia de la separación. Una ventaja del sistema de centrífugas en cascada es que permite aumentar la capacidad de la planta de forma gradual, añadiendo módulos a la instalación existente en ubicaciones adecuadas, en lugar de tener que instalar una línea de centrífugas completamente nueva.

Centrífugas concurrentes y contracorriente

La centrífuga de gas más sencilla es la centrífuga concurrente, donde el efecto de separación se produce por los efectos centrífugos de la rotación del rotor. En estas centrífugas, la fracción pesada se recoge en la periferia del rotor y la fracción ligera más cerca del eje de rotación. [ 11 ]

La inducción de un flujo a contracorriente utiliza la multiplicación de contracorriente para mejorar el efecto de separación. Se establece una corriente circulante vertical, con el gas fluyendo axialmente a lo largo de las paredes del rotor en una dirección y un flujo de retorno más cerca del centro del rotor. La separación centrífuga continúa como antes (las moléculas más pesadas se mueven preferentemente hacia afuera), lo que significa que las moléculas más pesadas son recogidas por el flujo de pared, y la fracción más ligera se recoge en el otro extremo. En una centrífuga con flujo de pared descendente, las moléculas más pesadas se recogen en el fondo. Las tomas de salida se colocan entonces en los extremos de la cavidad del rotor, con la mezcla de alimentación inyectada a lo largo del eje de la cavidad (idealmente, el punto de inyección está en el punto donde la mezcla en el rotor es igual a la alimentación [ 12 ] ).

Este flujo a contracorriente puede inducirse mecánica o térmicamente, o mediante una combinación de ambas. En el flujo a contracorriente inducido mecánicamente, la disposición de las palas (estacionarias) y las estructuras internas del rotor se utilizan para generar el flujo. [ 13 ] Una pala interactúa con el gas ralentizándolo, lo que tiende a atraerlo hacia el centro del rotor. Las palas en cada extremo inducen corrientes opuestas, por lo que una pala está protegida del flujo por un "deflector": un disco perforado dentro del rotor que gira junto con el gas; en este extremo del rotor, el flujo será hacia afuera, hacia la pared del rotor. Así, en una centrífuga con una pala superior con deflector, el flujo de la pared es hacia abajo y las moléculas más pesadas se recogen en la parte inferior. Las corrientes de convección inducidas térmicamente pueden crearse calentando la parte inferior de la centrífuga y/o enfriando el extremo superior.

Unidades de trabajo separables

La unidad de trabajo de separación (UTS) es una medida de la cantidad de trabajo realizado por la centrífuga y tiene unidades de masa (típicamente kilogramo unidad de trabajo de separación ). El trabajoWSWU{\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}necesario para separar una masaF{\displaystyle F}de alimento de ensayoincógnitaF{\displaystyle x_{f}}en una masaPAG{\displaystyle P}ensayo del productoincógnitapag{\displaystyle x_{p}}y colas de masaT{\displaystyle T}y ensayoincógnitat{\displaystyle x_{t}}se expresa en términos del número de unidades de trabajo separables necesarias, dadas por la expresión

WSWU=PAG⋅V(incógnitapag)+T⋅V(incógnitat)−F⋅V(incógnitaF){\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\left(x_{p}\right)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})}
dóndeV(incógnita){\displaystyle V\left(x\right)}es la función de valor , definida como
V(incógnita)=(1−2incógnita)⋅ln⁡(1−incógnitaincógnita){\displaystyle V(x)=(1-2x)\cdot \ln \left({\frac {1-x}{x}}\right)}

Aplicación práctica de la centrifugación

Separación de uranio-235 de uranio-238

La separación del uranio requiere que el material se encuentre en estado gaseoso; para el enriquecimiento de uranio se utiliza hexafluoruro de uranio (UF₆ ) . Al entrar en el cilindro de la centrífuga, el gas UF₆ gira a alta velocidad. Esta rotación genera una fuerte fuerza centrífuga que atrae las moléculas de gas más pesadas (que contienen el 238U ) hacia la pared del cilindro, mientras que las moléculas de gas más ligeras (que contienen el 235U ) tienden a acumularse más cerca del centro. La corriente ligeramente enriquecida en 235U se extrae y se introduce en la siguiente etapa superior, mientras que la corriente ligeramente empobrecida se recicla a la siguiente etapa inferior.

Separación de isótopos de zinc

Para ciertas aplicaciones en tecnología nuclear, es necesario reducir el contenido de zinc-64 ( ⁶⁴Zn ) en el zinc metálico para evitar la formación de radioisótopos por activación neutrónica . El dietilzinc se utiliza como fluido de alimentación gaseoso en la cascada de centrifugación. Un ejemplo del material resultante es el óxido de zinc empobrecido , utilizado como inhibidor de la corrosión .

Véase también

Notas

  1. ↑ Olander, Donald R. (1978). "La centrífuga de gas" . Scientific American . 239 (2): 37– 43. Bibcode : 1978SciAm.239b..37O . doi : 10.1038/scientificamerican0878-37 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24960352 .  
  2. ↑ Kemp, R. Scott (26 de junio de 2009). "Teoría y desarrollo de la centrífuga de gas: una revisión de los programas estadounidenses" . Science & Global Security . 17 (1): 1– 19. Bibcode : 2009S & GS...17....1K . doi : 10.1080/08929880802335816 . ISSN 0892-9882 . 
  3. ↑ Gilinsky, Victor (2010). "Recuerdos de Dirac" . Physics Today . 63 (5): 59. Bibcode : 2010PhT....63e..59G . doi : 10.1063/1.3431338 .
  4. 1 2 3 Centrifugadora de gas Enriquecimiento de uranio
  5. 1 2 3 Brigadier General (retirado) Feroz Hassan Khan (7 de noviembre de 2012). "Dominando el enriquecimiento de uranio" (libro de Google) . Comiendo hierba: la fabricación de la bomba pakistaní . Stanford, California: Stanford University Press. pág. 151. ISBN  978-0804776011Consultado el 8 de enero de 2013 .
  6. ↑ Conceptos básicos de la centrífuga - Cole Parmer
  7. ↑ "Detalles para el IEV número 395-08-07: "proceso centrífugo"" . Vocabulario Electrotécnico Internacional (en japonés) . Consultado el 11 de septiembre de 2025 .
  8. 1 2 Khan, Abdul Qadeer; Atta, MA; Mirza, JA (1 de septiembre de 1986). "Vibraciones inducidas por el flujo en el conjunto del tubo de gas de la centrífuga" . Journal of Nuclear Science and Technology . 23 (9): 819– 827. Bibcode : 1986JNST...23..819A . doi : 10.1080/18811248.1986.9735059 .
  9. ↑ ¿Qué es una centrífuga de gas? Archivado el 12 de mayo de 2003 en Wayback Machine.
  10. 1 2 Khan, AQ; Suleman, M.; Ashraf, M.; Khan, M. Zubair (1 de noviembre de 1987). "Algunos aspectos prácticos del equilibrado de un rotor de ultracentrífuga" . Journal of Nuclear Science and Technology . 24 (11): 951– 959. Bibcode : 1987JNST...24..951K . doi : 10.1080/18811248.1987.9733526 .
  11. ↑ Bogovalov, Sergey; Borman, Vladimir (2016). "Poder de separación de una centrífuga de gas concurrente optimizada" . Ingeniería nuclear y tecnología . 48 (3). Elsevier BV: 719– 726. arXiv : 1506.00823 . Bibcode : 2016NuEnT..48..719B . doi : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN 1738-5733 . 
  12. ↑ van Wissen, Ralph; Golombok, Michael; Brouwers, JJH (2005). "Separación de dióxido de carbono y metano en centrífugas de gas de contracorriente continua". Chemical Engineering Science . 60 (16). Elsevier BV: 4397– 4407. Bibcode : 2005ChEnS..60.4397V . doi : 10.1016/j.ces.2005.03.010 . ISSN 0009-2509 . 
  13. ↑ "Consideraciones de ingeniería para centrífugas de gas" . Federación de Científicos Americanos . Consultado el 13 de enero de 2020 .

Referencias

  • "Conceptos básicos de centrifugación". Laboratorio Técnico Cole-Parmer. 14 de marzo de 2008.
  • «Enriquecimiento de uranio mediante centrifugación gaseosa». Global Security.Org. 27 de abril de 2005. 13 de marzo de 2008.
  • "¿Qué es una centrífuga de gas?" 2003. Instituto para la Ciencia y la Seguridad Internacional. 10 de octubre de 2013.
  • Bibliografía anotada sobre la centrífuga de gas de la Biblioteca Digital Alsos.
  • Historia de la centrífuga
  • ¿Qué es una centrífuga de gas?
  • Acuerdo entre el Gobierno de los Estados Unidos de América y los cuatro Gobiernos de la República Francesa, el Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda del Norte, el Reino de los Países Bajos y la República Federal de Alemania relativo al establecimiento, construcción y operación de instalaciones de enriquecimiento de uranio mediante tecnología de centrifugación de gas en los Estados Unidos de América. Departamento de Estado de los Estados Unidos.