Separación de isótopos

El método de difusión, que se suele aplicar a gases pero también a líquidos, se basa en el hecho de que, en equilibrio térmico, dos isótopos con la misma energía tendrán velocidades medias diferentes. Los átomos más ligeros (o las moléculas que los contienen) se desplazarán más rápidamente a través de una membrana cuyos diámetros de poro no superan la longitud media del recorrido libre ( flujo de Knudsen ). La relación de velocidades es igual a la raíz cuadrada inversa de la relación de masas, por lo que la separación es mínima. Por ejemplo, para el isótopo ^235UF6 frente al 238UF6 ^, _{la relación es de 1,0043. Por consiguiente ,} se necesitan muchas etapas en cascada para obtener una alta pureza. Este método resulta costoso debido al trabajo necesario para impulsar el gas a través de la membrana y a las numerosas etapas requeridas, cada una de las cuales exige la recompresión del gas.

La primera separación a gran escala de isótopos de uranio fue lograda por Estados Unidos en grandes plantas de separación por difusión gaseosa en Clinton Engineering Works , establecidas como parte del Proyecto Manhattan . Estas plantas utilizaban hexafluoruro de uranio como fluido de proceso. Edward Adler y Edward Norris fueron pioneros en el uso de barreras de difusión de níquel en polvo y malla de níquel electrodepositada. ^{[ 3 ]} Debido al alto consumo de energía, el enriquecimiento de uranio por difusión fue reemplazado gradualmente por métodos más eficientes.

La última planta de difusión cerró en 2013. ^{[ 4 ]} La planta de difusión gaseosa de Paducah fue un esfuerzo del gobierno estadounidense para generar uranio altamente enriquecido para alimentar reactores militares y crear bombas nucleares, lo que llevó al establecimiento de la instalación en 1952. El enriquecimiento de Paducah se mantuvo inicialmente en niveles bajos, y la instalación funcionó como una "instalación de alimentación" para otras instalaciones de defensa que procesaban el uranio enriquecido en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Oak Ridge, Tennessee , y la planta de difusión gaseosa de Portsmouth en Piketon, Ohio . El objetivo de Paducah y su instalación hermana en Piketon se ajustó en la década de 1960 cuando comenzaron a enriquecer uranio para su uso en reactores nucleares comerciales para producir energía. ^{[ 5 ]}

Los sistemas centrífugos hacen girar rápidamente el material, permitiendo que los isótopos más pesados ​​se acerquen a una pared radial exterior. Esto se suele realizar en estado gaseoso mediante una centrífuga tipo Zippe . La centrifugación del plasma permite separar isótopos, así como rangos de elementos para la reducción de residuos radiactivos, el reprocesamiento nuclear y otros fines. El proceso se denomina "separación de masas por plasma"; los dispositivos se llaman "filtros de masas por plasma" o "centrífugas de plasma" (que no deben confundirse con las centrífugas médicas ). ^{[ 6 ]}

La separación centrífuga de isótopos fue propuesta por primera vez por Aston y Lindemann ^{[ 7 ]} en 1919, y los primeros experimentos exitosos fueron reportados por Beams y Haynes ^{[ 8 ]} sobre isótopos de cloro en 1936. Sin embargo, los intentos de utilizar esta tecnología durante el Proyecto Manhattan resultaron infructuosos. En la actualidad, es el principal método utilizado en todo el mundo para enriquecer uranio y, como resultado, sigue siendo un proceso bastante secreto, lo que dificulta una adopción más generalizada de la tecnología. En general, se conecta una alimentación de gas UF6 _a un cilindro que gira a alta velocidad. Cerca del borde exterior del cilindro se acumulan las moléculas de gas más pesadas que contienen U-238, mientras que las moléculas que contienen U-235 se concentran en el centro y luego se alimentan a otra etapa en cascada. ^{[ 9 ]}

El uso de la tecnología de centrifugación gaseosa para enriquecer isótopos resulta ventajoso, ya que reduce considerablemente el consumo energético en comparación con técnicas más convencionales, como las plantas de difusión, al requerir menos etapas en cascada para alcanzar grados de separación similares. Además de consumir menos energía para lograr la misma separación, permite la construcción de plantas a escala mucho menor, lo que las convierte en una opción económica viable para un país pequeño que aspire a producir un arma nuclear. Se cree que Pakistán utilizó este método en el desarrollo de sus armas nucleares.

Sudáfrica utilizó tubos de vórtice en su proceso de separación por vórtice Helikon . El gas se inyecta tangencialmente en una cámara con una geometría especial que aumenta aún más su rotación a una velocidad muy alta, lo que provoca la separación de los isótopos. ^{[ 10 ]} El método es sencillo porque los tubos de vórtice no tienen partes móviles, pero consume mucha energía, aproximadamente 50 veces más que las centrífugas de gas. En Alemania se creó un proceso similar, conocido como boquilla de chorro , con una planta de demostración construida en Brasil, e incluso se llegó a desarrollar un sitio para abastecer de combustible a las centrales nucleares del país. ^{[ 11 ]}

La separación electromagnética es espectrometría de masas a gran escala, por lo que a veces se la denomina simplemente espectrometría de masas. Se basa en el hecho de que las partículas cargadas se desvían en un campo magnético , y la magnitud de la desviación depende de la masa de la partícula. Es muy costosa para la cantidad producida, ya que tiene un rendimiento extremadamente bajo, pero permite alcanzar purezas muy elevadas. Este método se utiliza a menudo para procesar pequeñas cantidades de isótopos puros para investigación o usos específicos (como trazadores isotópicos ), pero no es práctico para uso industrial.

En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y en la Universidad de California, Berkeley , Ernest O. Lawrence desarrolló la separación electromagnética para gran parte del uranio utilizado en las primeras bombas atómicas . Los dispositivos que emplean este principio se denominan calutrones . Tras la guerra, el método se abandonó en gran medida por considerarse poco práctico. Se había implementado (junto con la difusión y otras tecnologías) únicamente para garantizar la disponibilidad de material suficiente, independientemente del coste. Su principal contribución al esfuerzo bélico fue concentrar aún más el material procedente de las plantas de difusión gaseosa, alcanzando niveles de pureza superiores.

En este método, un láser se sintoniza a una longitud de onda que excita solo un isótopo del material e ioniza preferentemente esos átomos. Para los átomos, la absorción resonante de luz para un isótopo depende de ^{[ 12 ].}

• la masa nuclear (que se aprecia principalmente en los elementos ligeros)
• el volumen nuclear (que provoca una desviación del potencial de Coulomb , perceptible para los elementos más pesados)
• desdoblamiento hiperfino de las transiciones electrónicas, si el núcleo tiene un espín,

Esto permite que láseres finamente ajustados interactúen con un solo isótopo. Después de que el átomo se ioniza, se puede extraer de la muestra aplicando un campo eléctrico . Este método se abrevia a menudo como AVLIS ( separación isotópica por láser de vapor atómico ). Este método se desarrolló gracias a las mejoras en la tecnología láser entre las décadas de 1970 y 1980. Los intentos de desarrollarlo a escala industrial para el enriquecimiento de uranio se abandonaron sucesivamente en la década de 1990 "debido a las interminables dificultades técnicas" y porque las centrífugas alcanzaron la madurez técnica mientras tanto. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Sin embargo, es una gran preocupación para quienes trabajan en el campo de la proliferación nuclear , porque puede ser más barato y más fácil de ocultar que otros métodos de separación isotópica. Los láseres sintonizables utilizados en AVLIS incluyen el láser de colorante ^{[ 15 ]} y, más recientemente, los láseres de diodo . ^{[ 16 ]}

Un segundo método de separación láser se conoce como separación isotópica molecular por láser (MLIS). En este método, un láser infrarrojo se dirige al gas hexafluoruro de uranio (si se desea enriquecerlo), excitando moléculas que contienen un átomo de U-235 . Un segundo láser, también en el infrarrojo ( disociación multifotónica infrarroja ) o en el ultravioleta, libera un átomo de flúor , dejando pentafluoruro de uranio que luego precipita del gas. La secuenciación en cascada de las etapas de MLIS es más difícil que con otros métodos porque el UF5 _debe fluorarse de nuevo a UF6 _antes de introducirlo en la siguiente etapa de MLIS. Pero con elementos ligeros, la selectividad isotópica suele ser lo suficientemente buena como para que no sea necesaria la secuenciación en cascada.

Se han desarrollado varios esquemas MLIS alternativos. Por ejemplo, uno utiliza un primer láser en la región del infrarrojo cercano o visible, donde se puede obtener una selectividad superior a 20:1 en una sola etapa. Este método se denomina OP-IRMPD (Preexcitación de sobretonos: disociación de fotones múltiples en el infrarrojo ). Sin embargo, debido a la baja probabilidad de absorción en los sobretonos, se desperdician demasiados fotones, por lo que el método no ha alcanzado la viabilidad industrial. Asimismo, otros métodos MLIS presentan el inconveniente del desperdicio de fotones, que son costosos.

Finalmente, el proceso SILEX ( Separación de isótopos por excitación láser ), desarrollado por Silex Systems en Australia, ha sido licenciado a General Electric para el desarrollo de una planta piloto de enriquecimiento. Para el uranio, utiliza un haz molecular frío con UF₆ _{en un} gas portador, en el que el ^235UF₆ se excita selectivamente mediante un láser infrarrojo cercano a los 16 μm . A diferencia de las moléculas excitadas, las moléculas isotópicas más pesadas no excitadas tienden a formar cúmulos con el gas portador, y estos cúmulos permanecen más cerca del eje del haz molecular, de modo que pueden pasar por un skimmer y, por lo tanto, separarse del isótopo más ligero excitado. 

A partir de 1994, se propuso otro esquema para la separación de deuterio utilizando paquetes de ondas troyanas formados en un campo electromagnético polarizado circularmente ^{[ 17 ]} o linealmente ^{[ 18 ]} . El proceso de formación de paquetes de ondas troyanas por paso adiabático rápido depende de manera ultrasensible de la masa reducida del electrón y del núcleo, de modo que la misma frecuencia de campo conduce a la excitación de paquetes de ondas troyanas o antitroyanas dependiendo del isótopo. ^{[ 19 ]} En teoría, los paquetes de ondas troyanas y sus gigantescos momentos dipolares eléctricos rotatorios podrían entonces ser${\displaystyle \pi }$-desplazado en fase y el haz atómico dividido en el gradiente del campo eléctrico de forma análoga al experimento de Stern-Gerlach .

Si bien normalmente se describe que los isótopos de un mismo elemento poseen las mismas propiedades químicas, esto no es del todo cierto. En particular, la masa atómica influye muy poco en la velocidad de reacción .

Las técnicas que emplean este método son más eficaces para átomos ligeros como el hidrógeno. Los isótopos más ligeros tienden a reaccionar o evaporarse más rápidamente que los isótopos pesados, lo que permite separarlos. Así es como se produce agua pesada a nivel comercial; consulte el proceso de sulfuro de Girdler para obtener más detalles. Los isótopos más ligeros también se disocian más rápidamente bajo un campo eléctrico. Este proceso, en cascada a gran escala , se utilizó en la planta de producción de agua pesada de Rjukan .

Un candidato para el mayor efecto isotópico cinético jamás medido a temperatura ambiente, el 305, podría utilizarse en el futuro para la separación de tritio (T). Los efectos para la oxidación de aniones formiato tritiados a HTO se midieron como:

Los isótopos de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno pueden enriquecerse mediante la destilación de compuestos ligeros adecuados en columnas largas . El factor de separación es la relación entre las presiones de vapor de dos moléculas isotópicas. En equilibrio, esta separación se produce en cada plato teórico de la columna y se multiplica por el mismo factor en el siguiente paso (en el plato siguiente). Debido a que el factor de separación elemental es pequeño, se necesita un gran número de platos. Esto requiere columnas con una altura total de entre 20 y 300 metros.

La menor presión de vapor de la molécula más pesada se debe a su mayor energía de vaporización , que a su vez resulta de su menor energía de vibración de punto cero en el potencial intermolecular. Como se espera de las fórmulas para la presión de vapor, la relación se vuelve más favorable a temperaturas más bajas (presiones más bajas). La relación de presión de vapor para H₂O _a D₂O _es 1,055 a 50  °C (123 mbar) y 1,026 a 100 _° C (1013 mbar  ). Para ^¹²CO a ^¹³CO es 1,007 cerca del punto de ebullición normal (81,6  K), y 1,003 para ^¹²CH₄ a _¹³CH₄ cerca de 111,7 K (punto ^de ebullición). ^{[ 20 ]} 

El enriquecimiento ^{de 13C} mediante destilación ( criogénica ) fue desarrollado a finales de la década de 1960 por científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Sigue siendo el método preferido para el enriquecimiento ^{de 13C} . El enriquecimiento de deuterio mediante destilación de agua solo se realiza si se ha preenriquecido mediante un proceso (intercambio químico) con menor demanda de energía. ^{[ 23 ]} Partir de la baja abundancia natural (0,015 % D) requeriría la evaporación de cantidades demasiado grandes de agua.

Como la producción de átomos radiactivos mediante la técnica ISOL depende de la química del átomo libre del elemento a estudiar, existen ciertos haces que no pueden producirse mediante el simple bombardeo de protones sobre blancos gruesos de actínidos. Los metales refractarios como el tungsteno y el renio no emergen del blanco ni siquiera a altas temperaturas debido a su baja presión de vapor. Para producir este tipo de haces, se requiere un blanco delgado. La técnica IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On Line) se desarrolló en 1981 en el laboratorio de ciclotrón de la Universidad de Jyväskylä en Finlandia . ^{[ 26 ]} En esta técnica, un blanco delgado de uranio es bombardeado con protones y los productos de la reacción nuclear retroceden del blanco en estado cargado. Los retrocesos se detienen en una celda de gas y luego salen a través de un pequeño orificio en el lateral de la celda, donde se aceleran electrostáticamente y se inyectan en un separador de masas. Este método de producción y extracción se lleva a cabo en una escala de tiempo más corta en comparación con la técnica ISOL estándar y los isótopos con vidas medias cortas (submilisegundos) pueden estudiarse utilizando un IGISOL. Un IGISOL también se ha combinado con una fuente de iones láser en el Separador de Isótopos en Línea de Lovaina (LISOL) en Bélgica. ^{[ 27 ]} Las fuentes de blanco delgado generalmente proporcionan cantidades significativamente menores de iones radiactivos que las fuentes de blanco grueso y este es su principal inconveniente.

A medida que avanza la física nuclear experimental, el estudio de los núcleos radiactivos más exóticos cobra cada vez mayor importancia. Para ello, se requieren técnicas más innovadoras que permitan crear núcleos con proporciones extremas de protones y neutrones. Una alternativa a las técnicas ISOL descritas aquí es la de los haces de fragmentación, donde los iones radiactivos se producen mediante reacciones de fragmentación en un haz rápido de iones estables que incide sobre un blanco delgado (generalmente de átomos de berilio). Esta técnica se utiliza, por ejemplo, en la Instalación de Haces de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan y en la Fábrica de Haces de Isótopos Radiactivos (RIBF) de RIKEN , en Japón.