Enriquecimiento de uranio Es uno de los pasos clave para crear armas nucleares. Solo un cierto tipo de uranio funciona en reactores nucleares y bombas.
Separar este tipo de uranio de una variedad más extendida requiere una gran habilidad de ingeniería, a pesar del hecho de que la tecnología necesaria para esto ha existido durante décadas. La tarea no es descubrir cómo separar el uranio, sino construir y ejecutar el equipo necesario para completar esta tarea.
Los átomos de uranio, como los átomos de elementos que se encuentran en la naturaleza en una variedad, se llaman isótopos. (Cada isótopo tiene un número diferente de neutrones en su núcleo). El uranio-235, el isótopo que constituye menos del 1 por ciento de todo el uranio natural, proporciona combustible para reactores nucleares y bombas nucleares, mientras que el uranio-238, el isótopo que constituye el 99 por ciento uranio natural, no tiene uso nuclear.
Grados de enriquecimiento de uranio
Una reacción en cadena nuclear implica que al menos un neutrón de la desintegración de un átomo de uranio será capturado por otro átomo y, en consecuencia, causará su desintegración. En una primera aproximación, esto significa que el neutrón debe "tropezar" con el átomo de 235 U antes de abandonar el reactor. Esto significa que el diseño con uranio debe ser lo suficientemente compacto como para que la probabilidad de encontrar el próximo átomo de uranio para el neutrón sea lo suficientemente alta. Pero a medida que el reactor de 235 U funciona, se quema gradualmente, lo que reduce la probabilidad de que un neutrón se encuentre con el átomo de 235 U, lo que los obliga a colocar un cierto margen de esta probabilidad en los reactores. En consecuencia, la baja proporción de 235 U en combustible nuclear requiere:
- un volumen de reactor mayor para que el neutrón permanezca más tiempo
- una mayor proporción del volumen del reactor debe estar ocupada por combustible para aumentar la probabilidad de colisión de un neutrón y un átomo de uranio,
- más a menudo se requiere recargar el combustible a fresco para mantener una densidad aparente dada de 235 U en el reactor,
- una alta proporción de valiosos 235 U en combustible gastado.
En el proceso de mejora de la tecnología nuclear, se encontraron soluciones económicas y tecnológicamente óptimas que requerían un aumento en el contenido de 235 U en el combustible, es decir, el enriquecimiento de uranio.
En las armas nucleares, la tarea de enriquecimiento es casi la misma: se requiere que en un tiempo extremadamente corto de una explosión nuclear, el número máximo de 235 átomos de U encuentre su neutrón, se descomponga y libere energía. Para esto, se requiere la densidad aparente máxima posible de átomos de 235 U, que se puede lograr con el enriquecimiento final.
Grados de enriquecimiento de uranio [editar |La clave de la separación.
La clave para su separación es que los átomos de uranio-235 pesan un poco menos que los átomos de uranio-238.
Para separar la pequeña cantidad de uranio-235 que está presente en cada muestra natural de mineral de uranio, los ingenieros primero convierten el uranio en gas mediante una reacción química.
Luego, el gas se introduce en un tubo de centrífuga en forma cilíndrica del tamaño de una persona o más. Cada tubo gira sobre su eje a velocidades increíblemente altas, arrastrando moléculas de gas de uranio-238 más pesadas al centro del tubo, dejando moléculas de gas de uranio-235 más livianas más cerca de los bordes del tubo donde pueden ser succionadas.
Cada vez que el gas gira en una centrífuga, solo se elimina una pequeña cantidad de uranio-238 de la mezcla, por lo que las tuberías se utilizan en serie. Cada centrífuga extrae un poco de uranio-238 y luego transfiere la mezcla de gas ligeramente purificada a la siguiente tubería, etc.
Conversión de uranio gaseoso
Después de la separación del uranio gaseoso 235 en muchas etapas de las centrifugadoras, los ingenieros utilizan una reacción química diferente para convertir el gas de uranio en metal sólido. Este metal se puede formar más tarde para su uso en reactores o bombas.
Dado que cada paso solo limpia la mezcla de gas de uranio en una pequeña cantidad, los países solo pueden permitirse el funcionamiento de centrifugadoras diseñadas con el más alto nivel de eficiencia. De lo contrario, la producción de incluso una pequeña cantidad de uranio 235 puro se vuelve prohibitivamente costosa.
Y el diseño y la fabricación de estos tubos de centrífuga requiere un cierto nivel de inversión y conocimientos técnicos más allá del alcance de muchos países. Las tuberías requieren tipos especiales de acero o mezclas que soporten una presión significativa durante la rotación, deben ser completamente cilíndricas y fabricadas por máquinas especializadas que son difíciles de construir.
Aquí hay un ejemplo de una bomba que Estados Unidos arrojó sobre Hiroshima. Se necesitan 62 kg de uranio-235 para fabricar una bomba, según "construir una bomba atómica" (Simon y Schuster, 1995).
La separación de estos 62 kg de casi 4 toneladas de mineral de uranio ocurrió en el edificio más grande del mundo y utilizó el 10 por ciento de la electricidad del país. "Se necesitaron 20,000 personas para construir la instalación, 12,000 personas operaron la instalación y en 1944 su equipamiento costó más de $ 500 millones". Eso es aproximadamente $ 7.2 mil millones en 2018.
¿Por qué el uranio enriquecido es tan terrible?
El uranio o el plutonio apto para armas es peligroso en su forma pura por una simple razón: a partir de ellos, con cierta base técnica, se puede hacer un dispositivo nuclear explosivo.
La figura muestra una representación esquemática de una simple ojiva nuclear. Billets 1 y 2 de combustible nuclear están dentro de la carcasa. Cada uno de ellos es una de las partes de toda la bola y pesa un poco menos que la masa crítica del arma metálica utilizada en la bomba.
Cuando se detona la carga detonante TNT, los lingotes de uranio 1 y 2 se combinan en uno, su masa total seguramente excede la masa crítica para este material, lo que conduce a una reacción en cadena nuclear y, en consecuencia, a una explosión atómica.
No parecería nada complicado, pero en realidad esto, por supuesto, no es así. De lo contrario, habría un orden de magnitud de más países con armas nucleares en el planeta. Además, el riesgo de que tales tecnologías peligrosas caigan en manos de grupos terroristas suficientemente poderosos y desarrollados aumentaría considerablemente.
El truco es que solo las potencias muy ricas con infraestructura científica desarrollada pueden enriquecer uranio, incluso con el desarrollo actual de la tecnología. Aún más difícil, sin el cual el dispositivo atómico no funcionaría, separe los isótopos de uranio 235 y 238.
Minas de uranio: verdad y ficción
En la URSS, a nivel filisteo, había una hipótesis de que los criminales condenados trabajaban en minas de uranio, expiando así su culpa ante el partido y el pueblo soviético. Esto, por supuesto, no es cierto.
La minería de uranio es una industria minera de alta tecnología, y es poco probable que alguien haya admitido trabajar con equipos sofisticados y muy caros y asesinos inveterados con ladrones. Además, los rumores de que los mineros de uranio necesariamente usan una máscara de gas y ropa interior de plomo tampoco son más que un mito.
El uranio se extrae en minas, a veces hasta un kilómetro de profundidad. Las mayores reservas de este elemento se encuentran en Canadá, Rusia, Kazajstán y Australia. En Rusia, una tonelada de mineral produce un promedio de aproximadamente un kilo y medio de uranio. Este no es el mayor indicador. En algunas minas europeas, esta cifra alcanza los 22 kg por tonelada.
El fondo de radiación en la mina es casi el mismo que en el borde de la estratosfera, donde se reparan los aviones de pasajeros civiles.
Mineral de uranio
El uranio enriquecido comienza inmediatamente después de la extracción, directamente cerca de la mina. Además del metal, como cualquier otro mineral, el uranio contiene roca residual. La etapa inicial de enriquecimiento se reduce a clasificar los adoquines extraídos de la mina: los ricos en uranio y los pobres. Literalmente, cada pieza se pesa, se mide mediante máquinas y, según las propiedades, se envía a un flujo en particular.
Luego entra en juego un molino, moliendo el mineral rico en uranio en polvo fino. Sin embargo, esto no es uranio, sino solo su óxido. Obtener metal puro es la cadena más complicada de reacciones y transformaciones químicas.
Sin embargo, no es suficiente aislar el metal puro de los compuestos químicos de partida. Del uranio total contenido en la naturaleza, el isótopo 238 ocupa el 99%, y su contrapartida 235 es menos del uno por ciento. Separarlos es una tarea muy difícil, que no todos los países pueden resolver.
Método de enriquecimiento por difusión de gas.
Este es el primer método por el cual se enriqueció el uranio. Todavía se usa en los Estados Unidos y Francia. Basado en la diferencia de densidad de 235 y 238 isótopos. El gas de uranio liberado del óxido se bombea a alta presión a una cámara separada por una membrana. Los átomos 235 del isótopo son más ligeros, por lo tanto, de la porción de calor recibida se mueven más rápido que los átomos de uranio "lentos" 238, respectivamente, golpean con mayor frecuencia y más intensidad contra la membrana. De acuerdo con las leyes de la teoría de la probabilidad, es más probable que entren en uno de los microporos y estén del otro lado de esta membrana.
La efectividad de este método es pequeña, porque la diferencia entre los isótopos es muy, muy pequeña. Pero, ¿cómo hacer que el uranio enriquecido sea adecuado para su uso? La respuesta es aplicar este método muchas, muchas veces. Para obtener uranio adecuado para la fabricación de combustible de un reactor en una central eléctrica, el sistema de tratamiento de difusión de gas se repite varios cientos de veces.
Las opiniones de expertos sobre este método son mixtas. Por un lado, el método de separación por difusión de gas es el primero en proporcionar a los Estados Unidos uranio de alta calidad, convirtiéndolos temporalmente en un líder en la esfera militar. Por otro lado, se cree que la difusión de gas produce menos desperdicio. Lo único que falla en este caso es el alto precio del producto final.
Método de centrifugación
Este es el desarrollo de los ingenieros soviéticos. En la actualidad, además de Rusia, hay una serie de países donde el uranio se enriquece con el método descubierto en la URSS. Estos son Brasil, Gran Bretaña, Alemania, Japón y algunos otros estados. El método es similar a la tecnología de difusión de gas en que utiliza la diferencia de masa de los isótopos 235 y 238.
El gas de uranio gira en una centrífuga a 1.500 rpm. Debido a las diferentes densidades, los isótopos se ven afectados por fuerzas centrífugas de diferentes tamaños. El uranio 238, como más pesado, se acumula cerca de las paredes de la centrífuga, mientras que el isótopo 235 se reúne más cerca del centro. La mezcla de gases se bombea a la parte superior del cilindro. Habiendo pasado al fondo de la centrífuga, los isótopos tienen tiempo para separarse parcialmente y se seleccionan por separado.
A pesar de que el método tampoco proporciona una separación del 100% de los isótopos, y para lograr el grado de enriquecimiento necesario, debe usarse repetidamente, es mucho más eficiente económicamente que la difusión de gases. Por lo tanto, el uranio enriquecido en Rusia que usa tecnología centrífuga es aproximadamente 3 veces más barato que el obtenido en las membranas estadounidenses.
Aplicación de uranio enriquecido
¿Por qué es todo este complicado y costoso papeleo con purificación, separación de metales de óxidos, separación de isótopos? Una lavadora de uranio enriquecido 235, de los utilizados en la energía nuclear (de tales "píldoras" son barras ensambladas - barras de combustible), con un peso de 7 gramos, reemplaza aproximadamente tres barriles de gasolina de 200 litros o aproximadamente una tonelada de carbón.
El uranio enriquecido y empobrecido se usa de manera diferente dependiendo de la pureza y la relación de los isótopos 235 y 238.
El isótopo 235 es un combustible que consume más energía. El uranio enriquecido se considera cuando el contenido de 235 isótopos es superior al 20%. Esta es la base de las armas nucleares.
Las materias primas saturadas de energía enriquecida también se utilizan como combustible para reactores nucleares en submarinos y naves espaciales debido a la masa y tamaño limitados.
El uranio empobrecido, que contiene principalmente 238 isótopos, es un combustible para los reactores nucleares estacionarios civiles. Los reactores de uranio natural se consideran menos explosivos.
Por cierto, según los cálculos de los economistas rusos, mientras mantiene la tasa de producción actual de 92 elementos de la tabla periódica, sus reservas en minas exploradas en todo el mundo ya se habrán agotado para 2030. Es por eso que los científicos esperan que la fusión sea una fuente de energía barata y asequible en el futuro.
