Difusión gaseosa

La difusión gaseosa es una tecnología que se utilizaba para producir uranio enriquecido mediante el paso de hexafluoruro de uranio gaseoso (UF₆ ₎ a través de membranas microporosas. Esto produce una ligera separación (factor de enriquecimiento de 1,0043) entre las moléculas que contienen uranio-235 ( ^²³⁵U ) y uranio-238 ( ^²³⁸U ). Mediante el uso de una cascada de múltiples etapas, se pueden lograr altas separaciones. Fue el primer proceso desarrollado capaz de producir uranio enriquecido en cantidades industrialmente útiles, pero actualmente se considera obsoleto, habiendo sido reemplazado por el proceso de centrifugación gaseosa , 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, con el encargo del Comité MAUD de encontrar un método para separar el uranio-235 del uranio-238 con el fin de producir una bomba para el proyecto británico Tube Alloys . El prototipo del equipo de difusión gaseosa fue fabricado por Metropolitan-Vickers (MetroVick) en Trafford Park , Manchester, a un costo de 150 000 libras esterlinas por cuatro unidades ( equivalente a entre 10 y 11 millones de libras esterlinas en la actualidad ), para la fábrica MS, Valley . Este trabajo fue posteriormente transferido a Estados Unidos cuando el proyecto Tube Alloys se integró en el posterior Proyecto Manhattan . ^{[ 3 ]}

De los 33 nucleidos primordiales radiactivos conocidos , dos ( ^235U y ^238U ) son isótopos de uranio . Estos dos isótopos son similares en muchos aspectos, excepto que solo el ^235U es fisionable (capaz de mantener una reacción en cadena nuclear de fisión nuclear con neutrones térmicos ). De hecho, ^{el 235U} es el único núcleo fisionable que se encuentra en la naturaleza. ^{[ 4 ]} Debido a que el uranio natural es solo alrededor del 0,72% de ^235U en masa, debe enriquecerse a una concentración del 2-5% para poder mantener una reacción en cadena nuclear continua ^{[ 5 ]} cuando se usa agua normal como moderador. El producto de este proceso de enriquecimiento se llama uranio enriquecido.

Fundamento científico

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 más pesadas si el diámetro del poro es menor que la longitud del recorrido libre medio ( flujo molecular ). El gas que sale del recipiente está ligeramente enriquecido en moléculas ligeras, mientras que el gas residual está ligeramente empobrecido. Un recipiente individual donde el proceso de enriquecimiento se produce mediante difusión gaseosa se denomina difusor .

hexafluoruro de uranio

_El UF6 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, el 19F, por lo que la diferencia del 1% en los pesos moleculares entre el 235UF6 y el 238UF6 _se ^debe únicamente a ^la diferencia ^en _los pesos de los isótopos de uranio. Por estas razones, el UF6 _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 se encuentra a 64,05 °C y 1,5 bar. ^{[ 8 ]} Aplicando la ley de Graham se obtiene:    

${\displaystyle {{\mbox{Tasa}}_{1} \over {\mbox{Tasa}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}={\sqrt {352.041206 \over 349.034348}}=1.004298...}$

dónde:

La tasa ₁ es la tasa de derrame de ²³⁵ UF ₆ .

La tasa ₂ es la tasa de derrame de ²³⁸ UF ₆ .

M ₁ es la masa molar de ²³⁵ UF ₆ = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348  g·mol ^{− 1}

M ₂ es la masa molar de ²³⁸ UF ₆ = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206  g·mol ^{− 1}

Esto explica la diferencia del 0,4% en las velocidades promedio de ²³⁵ moléculas de UF _{6 con respecto a las de} ²³⁸ moléculas de UF _6. ^{[ 9 ]}

_El UF6 es una sustancia altamente corrosiva . Es un oxidante ^{[ 10 ]} y un ácido de Lewis capaz de unirse al fluoruro ; por ejemplo, se ha informado que la reacción del fluoruro de cobre(II) con hexafluoruro de uranio en acetonitrilo forma heptafluorouranato(VI) de cobre(II), Cu(UF7 ₎ 2 _. [ ^{11 ] Reacciona} con el agua para formar un compuesto sólido y es muy difícil de manejar a escala industrial. ^{[ 6 ]} En consecuencia, los conductos gaseosos internos 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.

Materiales de barrera

Las plantas de difusión gaseosa suelen utilizar barreras agregadas (membranas porosas) construidas de níquel o aluminio sinterizado , con un tamaño de poro de 10 a 25 nanómetros (esto es menos de una décima parte del camino libre medio de la molécula de UF6 ₎ . ^{[ 4 ] [ 6 ]} También pueden utilizar barreras de tipo película, que se hacen 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 aleación plata-zinc (Ag-Zn) o hidróxido de sodio para eliminar el aluminio de la aleación Ni-Al.

Requisitos energéticos

_{Debido a} ^que los pesos moleculares de ^235U y _{238U son prácticamente iguales,} ^{la separación de 235U} y 238U es mínima en un solo paso a través de una barrera, es decir, en un difusor. Por lo tanto , es necesario conectar muchos difusores en una secuencia de etapas, utilizando las salidas de la etapa anterior como entradas para la siguiente. Esta secuencia de etapas se denomina cascada . En la práctica, las cascadas de difusión requieren miles de etapas, dependiendo del 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 UF₆ _permanezca en fase gaseosa. El gas debe comprimirse en cada etapa para compensar la pérdida de presión a través del difusor. Esto provoca un calentamiento por compresión del gas, que luego debe enfriarse antes de entrar en el difusor. Los requisitos de bombeo y refrigeración hacen que las plantas de difusión consuman enormes cantidades de energía eléctrica . Por ello, la difusión gaseosa fue el método más caro utilizado hasta hace poco para producir uranio enriquecido. ^{[ 12 ]}

El personal que trabajaba en el Proyecto Manhattan en Oak Ridge, Tennessee , desarrolló varios métodos diferentes para la separación de isótopos de uranio. Tres de estos métodos se utilizaron secuencialmente en tres plantas diferentes de Oak Ridge para producir el ^235U para " Little Boy " y otras armas nucleares tempranas . En la primera etapa, 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% de ^235U . Este producto se introdujo luego en el proceso de difusión gaseosa en la planta K-25 , cuyo producto tenía alrededor de un 23% de ^235U . Finalmente, este material se introdujo en los calutrones de la planta Y-12 . Estas máquinas (un tipo de espectrómetro de masas ) emplearon la separación isotópica electromagnética para aumentar la concentración final de ^{235U a aproximadamente un 84%.}

La preparación de la materia prima UF₆ _para la planta de difusión gaseosa K-25 fue la primera aplicación de flúor producido comercialmente, y se encontraron obstáculos significativos en el manejo tanto del flúor como del UF₆ _. Por ejemplo, antes de que se pudiera construir la planta de difusión gaseosa K-25, 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 UF₆ ₍ 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 de organofluorados . Miller y su equipo desarrollaron varios polímeros de clorofluorocarbono novedosos y no reactivos que se utilizaron en esta aplicación. ^{[ 13 ]}

Los calutrones eran ineficientes y costosos de construir y operar. Tan pronto como se superaron los obstáculos de ingeniería que planteaba el proceso de difusión gaseosa y las cascadas de difusión gaseosa comenzaron a operar en Oak Ridge en 1945, todos los calutrones fueron clausurados. 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 se encontraban entre los edificios más grandes jamás construidos. Grandes plantas de difusión gaseosa fueron construidas por Estados Unidos, la Unión Soviética (incluida una planta que ahora se encuentra en Kazajistán ), el Reino Unido , Francia y China . La mayoría de ellas han cerrado o se espera que cierren, al no poder competir económicamente con las nuevas técnicas de enriquecimiento. Parte de la tecnología utilizada en bombas y membranas permanece bajo alto secreto. Algunos de los materiales utilizados siguen sujetos a controles de exportación, como parte del esfuerzo continuo por controlar la proliferación nuclear .

En 2008, las plantas de difusión gaseosa de Estados Unidos y Francia aún generaban el 33% del uranio enriquecido mundial. ^{[ 12 ]} Sin embargo, la planta francesa ( 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 instalación de enriquecimiento de uranio en pleno funcionamiento en los Estados Unidos que empleaba el proceso de difusión gaseosa ^{[ 5 ] [ 15 ]} ) cesó el enriquecimiento en 2013. ^{[ 16 ]} 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 ] [ 17 ] [ 18 ]} 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 . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

A medida que las plantas de difusión gaseosa existentes quedaron obsoletas, fueron reemplazadas por la tecnología de centrifugación gaseosa 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 con la planta de centrifugación Georges Besse II. ^{[ 21 ]}

• emplazamiento nuclear de Capenhurst
• Leyes de difusión de Fick
• K-25
• Planta de enriquecimiento de uranio de Lanzhou
• Marcoule
• Difusión molecular
• Ciclo del combustible nuclear
• Thomas Graham (químico)
• Tomsk

• Referencias comentadas sobre difusión gaseosa de la Biblioteca Alsos