Centrífuga de gases

Una centrífuga de gas 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 modo que las partículas de diferentes masas se separen físicamente en un gradiente a lo largo del radio de un recipiente giratorio. Un uso destacado de las centrífugas de gas es la separación de uranio-235 (²³⁵U) del uranio-238 (²³⁸U). La centrífuga de gas fue desarrollada para sustituir el método de difusión gaseosa de extracción de uranio-235. Los altos grados de separación de estos isótopos se basan en el uso de muchas centrífugas individuales dispuestas en serie, que alcanzan concentraciones sucesivamente mayores. Este proceso produce concentraciones más altas de uranio-235 y utiliza significativamente menos energía en comparación con el proceso de difusión gaseosa.

Proceso centrífugo

La centrífuga se basa en la fuerza resultante de la aceleración centrífuga para separar las moléculas según su masa y se puede aplicar a la mayoría de los fluidos. 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 toda velocidad a alta velocidad. Se utilizan tubos de gas concéntricos ubicados en el eje del rotor para introducir gas de alimentación en el rotor y extraer las corrientes separadas más pesadas y más ligeras. Para la producción de ²³⁵U, el flujo más pesado es el flujo de residuos y el flujo más ligero es el flujo de productos. 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 sube en el centro y desciende en la periferia de la centrífuga. Este flujo a contracorriente también puede ser estimulado mecánicamente mediante palas que extraen las fracciones enriquecidas y empobrecidas. La difusión entre estos flujos opuestos aumenta la separación por el principio de multiplicación en contracorriente.

En la práctica, dado que existen límites en cuanto a la altura que se puede fabricar una sola centrífuga, varias de estas centrífugas se conectan en serie. Cada centrífuga recibe una entrada y produce dos líneas de salida, correspondientes a fracciones ligeras y pesadas. La entrada de cada centrífuga es la salida (ligera) de la centrífuga anterior y la salida (pesada) de la siguiente etapa. Esto produce una fracción ligera casi pura de la salida (ligera) de la última centrífuga y una fracción pesada casi pura de la salida (pesada) de la primera centrífuga.

Proceso de centrifugación de gases

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 el funcionamiento en cascada, en el que se producen múltiples procesos idénticos en sucesión. La centrífuga de gas consta de un rotor cilíndrico, una carcasa, un motor eléctrico y tres líneas para que viaje el material. La centrífuga de gas está diseñada con una carcasa que encierra completamente la centrífuga. El rotor cilíndrico está ubicado dentro de la carcasa, a la que se le evacua todo el aire para producir una rotación casi sin fricción durante el funcionamiento. El motor hace girar el rotor, creando la fuerza centrífuga sobre los componentes cuando ingresan al rotor cilíndrico. Esta fuerza actúa para separar las moléculas del gas, desplazándose las moléculas más pesadas hacia la pared del rotor y las más ligeras hacia el eje central. Hay dos líneas de salida, una para la fracción enriquecida en el isótopo deseado (en separación de uranio, este es el U-235) y otra empobrecida en el mismo. Las líneas de salida llevan estas separaciones a otras centrífugas para continuar el proceso de centrifugación. El proceso comienza cuando el rotor se equilibra en tres etapas. La mayoría de los detalles técnicos sobre las centrifugadoras de gas son difíciles de obtener porque están envueltos en un "secreto nuclear".

Las primeras centrífugas utilizadas en el Reino Unido utilizaban un cuerpo de aleación envuelto en fibra de vidrio impregnada de epoxi. El equilibrio dinámico del conjunto se logró añadiendo pequeñas trazas de epoxi en los lugares indicados por la unidad de prueba de equilibrio. El motor solía ser del tipo panqueque ubicado en la parte inferior del cilindro. Las primeras unidades normalmente medían alrededor de 2 metros de largo (aprox.), pero los desarrollos posteriores aumentaron gradualmente la longitud. La generación actual mide más de 4 metros de longitud. Los cojinetes son dispositivos a base de gas, ya que los cojinetes mecánicos no sobrevivirían a las velocidades de funcionamiento normales de estas centrífugas.

Una sección de centrífugas se alimentaría con CA de frecuencia variable desde un inversor electrónico (a granel), que las aumentaría lentamente hasta la velocidad requerida, generalmente superior a 50.000 rpm. Una precaución fue 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 funcionar a frecuencias de alrededor de 1 kilohercio. Normalmente, todo el proceso es silencioso; si se escucha un ruido proveniente de una centrífuga, es un aviso de avería (que normalmente ocurre muy rápidamente). El diseño de la cascada normalmente permite el fallo de al menos una unidad centrífuga sin comprometer el funcionamiento de la cascada. Las unidades suelen ser muy fiables y los primeros modelos han funcionado de forma continua durante más de 30 años.

Los modelos posteriores han aumentado constantemente la velocidad de rotación de las centrífugas, ya que es la velocidad de la pared de la centrífuga la que tiene el mayor efecto en la eficiencia de separación.

Una característica del sistema de centrífugas en cascada es que es posible aumentar el rendimiento de la planta de forma incremental, añadiendo "bloques" a la instalación existente en lugares adecuados, en lugar de tener que instalar una línea de centrífugas completamente nueva.

Centrífugas concurrentes y contracorriente

La centrífuga de gas más simple es la centrífuga concurrente, donde el efecto separativo 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.

La inducción de un flujo a contracorriente utiliza la multiplicación a contracorriente para mejorar el efecto separativo. 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 la 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 acumulan en el fondo. Luego, las palas de salida se colocan 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).

Este flujo a contracorriente puede ser inducido mecánica o térmicamente, o 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. 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 estará hacia afuera, hacia la pared del rotor. Por lo tanto, en una centrífuga con una pala superior con deflectores, el flujo de la pared es hacia abajo y las moléculas más pesadas se recogen en la parte inferior.

Se pueden crear corrientes de convección térmicamente inducidas calentando la parte inferior de la centrífuga y/o enfriando el extremo superior.

Unidades de trabajo separadas

La unidad de trabajo separativa (SWU) es una medida de la cantidad de trabajo realizada por el centrífugo y tiene unidades de masa (típicamente unidad de trabajo separativa). El trabajo ${displaystyle ¿Qué?$ necesario para separar una masa ${displaystyle F}$ de alimentos de ensayo ${displaystyle x_{f}$ en una masa ${displaystyle P}$ de producto ensayo ${displaystyle x_{p}$, y colas de masa ${displaystyle T}$ y ensayo ${displaystyle x_{t}$ se expresa en términos del número de unidades de trabajo separativas necesarias, dadas por la expresión

${displaystyle W_{mathrm {SWU}=Pcdot Vleft(x_{p}right)+Tcdot V(x_{t})-Fcdot V(x_{f})}$

Donde ${displaystyle Vleft(xright)}$ es la función de valor, definida como

${displaystyle V(x)=(1-2x)cdot ln left({frac {1-x}{x}right)}}$

Aplicación práctica de la centrifugación

Separación del uranio-235 del uranio-238

La separación del uranio requiere que el material se encuentre en forma gaseosa; El hexafluoruro de uranio (UF₆) se utiliza para el enriquecimiento de uranio. Al ingresar al cilindro de la centrífuga, el gas UF₆ gira a alta velocidad. La rotación crea una fuerte fuerza centrífuga que atrae más moléculas de gas más pesadas (que contienen el U-238) hacia la pared del cilindro, mientras que las moléculas de gas más ligeras (que contienen el U-235) tienden a acumularse más cerca del centro. La corriente que está ligeramente enriquecida en U-235 se retira y se alimenta a la siguiente etapa superior, mientras que la corriente ligeramente empobrecida se recicla nuevamente a la siguiente etapa inferior.

Separación de isótopos de zinc

Para algunos usos en la tecnología nuclear, el contenido de zinc-64 en el zinc metálico debe reducirse para evitar la formación de radioisótopos por su activación neutrónica. Como medio de alimentación gaseoso para la cascada de centrífuga se utiliza dietil zinc. Un ejemplo de material resultante es el óxido de zinc empobrecido, utilizado como inhibidor de la corrosión.

Historia

Sugerido en 1919, el proceso centrífugo se realizó primero con éxito en 1934. El científico estadounidense Jesse Beams y su equipo en la Universidad de Virginia desarrollaron el proceso separando dos isótopos de cloro a través de un ultracentrifuge de vacío. Fue uno de los medios iniciales de separación isotópica perseguida durante el Proyecto Manhattan, más particularmente por Harold Urey y Karl P. Cohen, pero la investigación se suspendió en 1944, ya que se consideró que el método no produciría resultados al final de la guerra, y que otros medios de enriquecimiento de uranio (difusión gigante y separación electromagnética) tenían una mejor oportunidad de éxito a corto plazo. Este método fue utilizado con éxito en el programa nuclear soviético, haciendo de la Unión Soviética el proveedor más eficaz de uranio enriquecido. Franz Simon, Rudolf Peierls, Klaus Fuchs y Nicholas Kurti hicieron importantes contribuciones al proceso centrífugo. Paul Dirac también hizo importantes contribuciones teóricas al proceso centrífugo durante la Segunda Guerra Mundial. Dirac desarrolló la teoría fundamental de procesos de separación que subyace al diseño y análisis de plantas modernas de enriquecimiento de uranio.

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 considerablemente menos energía que otros métodos y tiene muchas otras ventajas.

El científico paquistaní Abdul Qadeer Khan llevó a cabo una investigación sobre el rendimiento físico de las centrifugadoras en las décadas de 1970 y 1980, utilizando métodos de vacío para promover el papel de las centrifugadoras en el desarrollo de combustible nuclear para la bomba atómica de Pakistán. Muchos de los teóricos que trabajaron con Khan no estaban seguros de que el uranio enriquecido o gaseoso fuera factible a tiempo. Un científico recordó: “Nadie en el mundo ha utilizado el método de centrifugación [de gas] para producir uranio de grado militar... Esto no iba a funcionar. Simplemente estaba perdiendo el tiempo”. A pesar del escepticismo, rápidamente se demostró que el programa era viable. El enriquecimiento mediante centrifugación se ha utilizado en física experimental y el método se introdujo de contrabando en al menos tres países diferentes a finales del siglo XX.