Separación de isótopos mediante excitación láser.

La separación de isótopos por excitación láser ( SILEX ) es un proceso experimental para producir uranio enriquecido . Se sospecha firmemente que SILEX utiliza la represión de condensación láser para excitar un modo vibracional del isótopo uranio-235 en el hexafluoruro de uranio (UF6 ₎ , lo que permite que esta molécula más ligera se mueva más rápidamente hacia el borde exterior de un chorro gaseoso y resista la condensación en comparación con el 238UF6, más pesado y no excitado . ^[ ₁ ] ^{Esto difiere enormemente} de los métodos previos de enriquecimiento láser explorados por sus perspectivas comerciales: uno que utiliza uranio atómico ( separación isotópica láser de vapor atómico ₍ AVLIS)) y otro método molecular que utiliza láseres para disociar un átomo de flúor del 235UF6 ⁽ separación isotópica láser molecular (MLIS)), lo que permite que el producto enriquecido precipite como un sólido. ^{[ 1 ]}

Si bien la empresa australiana Silex Systems Limited es el desarrollador más destacado de esta tecnología (como parte del consorcio Global Laser Enrichment), el acrónimo SILEX en realidad solo se refiere a un concepto de separación física que utiliza la represión de condensación, bien conocido y en desarrollo o en uso para múltiples aplicaciones en todo el mundo. ^{[ 2 ]} Pueden existir ligeras variaciones en los parámetros operativos, la disposición de los equipos, los láseres y sus capacidades, de un proceso tipo SILEX a otro (y ser denominados con un nombre diferente), pero el concepto de separación física sigue siendo el mismo si se utiliza la represión de condensación, especialmente en comparación con el utilizado por AVLIS o MLIS. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

El desarrollo de diversas variantes de separación isotópica molecular por láser  (MLIS) comenzó en la década de 1970. El proceso físico clave en todas ellas es un láser infrarrojo, que excita vibracionalmente solo uno de los isótopos del hexafluoruro de uranio gaseoso . Esto requiere una longitud de onda cercana a 16  μm. La MLIS tradicional continuó excitando las moléculas hasta su disociación , momento en el que cristalizaron como pentafluoruro de uranio-235 .

Tras la euforia inicial, la investigación sobre la separación de isótopos mediante láser se abandonó en gran medida durante la década de 1990, principalmente porque aún requería un extenso e incierto trabajo de investigación y desarrollo, mientras que las centrífugas de gas habían alcanzado la madurez tecnológica . ^{[ 4 ]} Sin embargo, Australia continuó investigando la técnica SILEX.

En noviembre de 1996, Silex Systems Limited otorgó una licencia exclusiva de su tecnología a United States Enrichment Corporation (USEC) para el enriquecimiento de uranio. ^{[ 5 ]} En 1999, Estados Unidos y Australia firmaron un tratado internacional para la investigación y el desarrollo cooperativos de SILEX. ^{[ 6 ]} Sin embargo, en 2003 USEC se retiró del proyecto.

Silex Systems concluyó la segunda fase de pruebas en 2005 y comenzó su Programa de Circuito de Pruebas. En 2007, Silex Systems firmó un acuerdo exclusivo de comercialización y licencia con General Electric Corporation (GE), transfiriendo su circuito de pruebas a las instalaciones de GE en Wilmington, Carolina del Norte . Ese mismo año, GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) firmó cartas de intención para servicios de enriquecimiento de uranio con Exelon y Entergy , las dos mayores empresas de energía nuclear de Estados Unidos. ^{[ 7 ]}

En 2008, GEH escindió Global Laser Enrichment (GLE) para comercializar la tecnología SILEX y anunció la primera planta potencial de enriquecimiento comercial de uranio que utilizaría el proceso SILEX. La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. (NRC) aprobó una modificación de la licencia que permitía a GLE operar el circuito de pruebas. También en 2008, Cameco Corporation , de Canadá, el mayor productor de uranio del mundo, se unió a GE y Hitachi como copropietario de GLE. ^{[ 8 ]}

En 2010, se plantearon preocupaciones de que el proceso SILEX representa una amenaza para la seguridad nuclear mundial. ^{[ 9 ]}

Entre 2011 y 2012, GLE solicitó y recibió un permiso para construir una planta de enriquecimiento comercial en Wilmington. ^{[ 10 ] [ 11 ]} La planta enriquecería uranio al 8 % de ²³⁵ U, el límite superior del uranio de bajo enriquecimiento . ^{[ 12 ]}

En 2014, tanto GLE como Silex Systems se reestructuraron, y Silex redujo su plantilla a la mitad. ^{[ 13 ]} En 2016, GEH se retiró de GLE, amortizando su inversión. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos acordó vender aproximadamente 300.000 toneladas de hexafluoruro de uranio empobrecido a GLE para su re-enriquecimiento (de 0,35 a 0,7  % ^{de 235} U) utilizando el proceso SILEX durante 40 años en una instalación de enriquecimiento láser propuesta en Paducah, Kentucky . ^{[ 15 ]}

En 2018, Silex Systems abandonó sus planes para GLE, con la intención de repatriar la tecnología SILEX a Australia. ^{[ 16 ]}

En 2021, Silex Systems adquirió la participación mayoritaria (51%) de GLE, con Cameco (49%) como accionista minoritario. Según un acuerdo entre GLE y el Departamento de Energía de EE. UU., GLE volverá a enriquecer a niveles naturales varios cientos de kilotones de residuos de uranio empobrecido procedentes de la última planta de enriquecimiento que utilizó difusión gaseosa . Dicha planta operó en Paducah hasta 2013, y GLE planea construir su nueva planta en el mismo lugar. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

^{La vibración fundamental de} menor longitud de onda del UF₆ gaseoso _es de aproximadamente 16  μm. A temperatura ambiente ^, su anchura (alrededor de 20  cm⁻¹ ) es mucho mayor que el desplazamiento isotópico (0,6 cm⁻¹ ). El ensanchamiento se debe a estados vibracionales y rotacionales excitados y poblados térmicamente. Para permitir la excitación selectiva, el UF₆ _, diluido aproximadamente 100 veces por un gas portador (que puede ser argón o nitrógeno ), se enfría a unos 80 K mediante expansión adiabática a través de una boquilla hacia el vacío. Inicialmente, aún se producen colisiones (necesarias para el enfriamiento). Pero después de recorrer aproximadamente 10 diámetros de boquilla, debido a la expansión, son tan raras que la condensación ya no puede tener lugar. Evitar las colisiones también es necesario para suprimir cualquier transferencia de energía colisional entre los isótopos. Este método de haz molecular se utiliza en todos los casos en los que se necesita un estrechamiento espectral para la excitación selectiva. 

Con SILEX, la presión y el diámetro de la boquilla se eligen lo suficientemente grandes como para proporcionar un número suficiente de colisiones inmediatamente después de la boquilla, para permitir la formación de cúmulos (UF ₆ •G) con el gas portador G. (Los cúmulos UF ₆ •UF ₆ prácticamente no se forman debido a la densidad mucho menor de UF ₆ en comparación con G). Si ^{el 235} UF ₆ se excita selectivamente a 628,3  cm ⁻¹ , entonces esta molécula no se agrega con G, mientras que el ²³⁸ UF ₆ más pesado no excitado sí lo hace. Debido a su mayor velocidad térmica, las moléculas libres abandonan el eje del haz molecular más rápido que los cúmulos. Estos últimos se enriquecen, por lo tanto, en la parte transmitida por una boquilla skimmer aguas abajo, mientras que la fracción no transmitida se enriquece en el ²³⁵ UF ₆ . El factor de enriquecimiento es mejor cuanto mayor sea la fracción transmitida (es decir, cuanto menor sea el agotamiento y menor el corte). Es decir, SILEX utiliza una boquilla de separación, modificada por un láser y que se beneficia de la represión selectiva de la formación de cúmulos ("condensación").

Para ello, el láser de CO2 ^necesita _al menos 20 MW. Con un desplazamiento Raman de 354,3  cm⁻¹ y un número de onda ^del láser de _CO2 de 982,1 cm⁻¹ (línea 10R30), se recibe 627,8 cm⁻¹ ^. Esto está cerca de la rama Q del ^235UF6 (centro en 628,3 ^cm⁻¹ , ancho 0,01 ^cm⁻¹ [ ₁₉ ^{] )} e incluso más cerca de la rama Q del 238UF6 . GLE no informa cómo realizan el ajuste fino necesario. Los láseres de CO2 de alta presión _causarían problemas adicionales con la frecuencia de repetición de pulsos. Con los láseres de CO2 comunes (de presión atmosférica) ^y _con el _{desplazador Raman estimulado} ^, el estado de la tecnología es de 2 a 4 kHz . ^{[ 20 ]} Para no dejar grandes partes del haz molecular sin irradiar, se necesitan al menos 20 kHz (según Urenco varias decenas de kHz ^{[ 21 ]} ), a menos que se utilicen boquillas pulsadas. Las boquillas mismas deben tener forma de hendidura, para proporcionar una longitud de absorción suficiente.      

GLE informa que alcanzan factores de separación de 2 a 20, los valores más altos probablemente asociados a un agotamiento menor (que no se especifica). Esto es suficiente para el enriquecimiento desde uranio natural (0,72  % ²³⁵ U) hasta grado reactor ( > 3 % ²³⁵ U). Los trabajos pioneros del grupo van den Bergh obtuvieron enriquecimientos mucho menores con _SF6 . ^{[ 22 ]}

Utilizando otros láseres con longitudes de onda adecuadas, SILEX también puede utilizarse para el enriquecimiento isotópico de otros elementos como el cloro , el molibdeno , el carbono y el silicio .

En comparación con las tecnologías de enriquecimiento actuales, SILEX obtiene un mayor enriquecimiento. Por lo tanto, se necesitan menos etapas para alcanzar uranio apto para armas (> 90 % ²³⁵ U). Según GLE, cada etapa requiere tan solo el 25 % del espacio de los métodos convencionales. Por consiguiente, podría permitir a gobiernos deshonestos ocultar instalaciones dedicadas a la producción de uranio apto para armas. ^{[ 9 ]} El atractivo se ve reforzado aún más por las afirmaciones de GLE de que una planta SILEX es más rápida y barata de construir, a la vez que consume mucha menos energía. Por consiguiente, los científicos han expresado repetidamente su preocupación de que SILEX pueda crear un camino fácil hacia un arma nuclear. ^{[ 1 ] [ 23 ]}

En junio de 2001, el Departamento de Energía de los Estados Unidos clasificó "cierta información generada de forma privada relativa a un innovador proceso de separación de isótopos para el enriquecimiento de uranio". Según la Ley de Energía Atómica , toda la información que no se desclasifique específicamente se clasifica como Datos Restringidos, ya sea de dominio público o privado. Esto contrasta notablemente con la orden ejecutiva sobre clasificación de seguridad nacional , que establece que la clasificación solo puede asignarse a información "propiedad del Gobierno de los Estados Unidos, producida por o para este, o que esté bajo su control". Este es el único caso conocido en el que se ha utilizado la Ley de Energía Atómica de esta manera. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

La serie dramática de la Australian Broadcasting Corporation de 2014 , The Code, utiliza el enriquecimiento de uranio mediante láser como elemento central de la trama. La protagonista, Sophie Walsh, afirma que, una vez que se convierta en una alternativa viable a los métodos actuales de enriquecimiento, esta tecnología será más compacta, consumirá menos energía y será más difícil de controlar. Walsh también señala que el desarrollo de la tecnología ha sido prolongado y que existen importantes intereses gubernamentales en mantener su secreto y clasificación.

• Silex Systems Limited: http://www.silex.com.au/
• Snyder, R., "Evaluación de la proliferación de la tecnología de enriquecimiento de uranio láser de tercera generación", Science & Global Security: https://doi.org/10.1080/08929882.2016.1184528
• Snyder, R., "Riesgos de proliferación del enriquecimiento láser de uranio", Presentación en la Academia Nacional de Ciencias.