Separación de isótopos

separación de isótopos es el proceso de concentración de isótopos específicos de un elemento químico mediante la eliminación de otros isótopos. El uso de los nucleidos producidos es variado. La variedad más grande se utiliza en la investigación (por ejemplo, en química, donde los átomos del nucleido 'marcador' se utilizan para descubrir los mecanismos de reacción). Por tonelaje, la separación de uranio natural en uranio enriquecido y uranio empobrecido es la aplicación más importante. En el siguiente texto se considera principalmente el enriquecimiento de uranio. Este proceso es crucial en la fabricación de combustible de uranio para plantas de energía nuclear y también es necesario para la creación de armas nucleares basadas en uranio. Las armas basadas en plutonio utilizan plutonio producido en un reactor nuclear, que debe operarse de tal manera que produzca plutonio que ya tenga una mezcla o grado isotópico adecuado. Si bien se pueden purificar diferentes elementos químicos a través de procesos químicos, los isótopos del mismo elemento tienen propiedades químicas casi idénticas, lo que hace que este tipo de separación sea poco práctico, a excepción de la separación del deuterio.

Técnicas de separación

Hay tres tipos de técnicas de separación de isótopos:

• Los basados directamente en el peso atómico del isótopo.
• Las que se basan en las pequeñas diferencias en las tasas de reacción química producidas por diferentes pesos atómicos.
• Los que se basan en propiedades no directamente relacionadas con el peso atómico, como resonancias nucleares.

El tercer tipo de separación aún es experimental; Todas las técnicas prácticas de separación dependen de alguna manera de la masa atómica. Por lo tanto, generalmente es más fácil separar isótopos con una diferencia de masa relativa mayor. Por ejemplo, el deuterio tiene el doble de masa que el hidrógeno ordinario (ligero) y generalmente es más fácil purificarlo que separar el uranio-235 del uranio-238 más común. En el otro extremo, la separación del plutonio-239 fisionable de la impureza común plutonio-240, aunque deseable porque permitiría la creación de armas de fisión tipo pistola a partir del plutonio, generalmente se acepta que no es práctica.

Cascadas de enriquecimiento

Todos los esquemas de separación de isótopos a gran escala emplean varias etapas similares que producen concentraciones cada vez más altas del isótopo deseado. Cada etapa enriquece aún más el producto del paso anterior antes de enviarlo a la siguiente etapa. De manera similar, los relaves de cada etapa se devuelven a la etapa anterior para su posterior procesamiento. Esto crea un sistema de enriquecimiento secuencial llamado cascada.

Hay dos factores importantes que afectan el rendimiento de una cascada. El primero es el factor de separación, que es un número mayor que 1. El segundo es el número de etapas requeridas para obtener la pureza deseada.

Materiales comerciales

Hasta la fecha, se ha producido la separación comercial a gran escala de isótopos de solo tres elementos. En cada caso, el más raro de los dos isótopos más comunes de un elemento se ha concentrado para su uso en tecnología nuclear:

• Los isótopos de uranio se han separado para preparar uranio enriquecido para su utilización como combustible de reactores nucleares y en armas nucleares.
• Se han separado isótopos de hidrógeno para preparar agua pesada para su uso como moderador en reactores nucleares.
  • El tritio es una molestia en el refrigerante / moderador de reactores moderados de agua y un producto valioso, por lo tanto a veces se separa del refrigerante
• El litio-6 se ha concentrado para su uso en armas termonucleares. El tritio se produce comúnmente de Litio-6 que a menudo se enriquece con este propósito, también.

Algunos elementos purificados isotópicamente se usan en cantidades más pequeñas para aplicaciones especializadas, especialmente en la industria de semiconductores, donde el silicio purificado se usa para mejorar la estructura cristalina y la conductividad térmica, y el carbono con mayor pureza isotópica para hacer diamantes con mayor conductividad térmica.

La separación de isótopos es un proceso importante para la tecnología nuclear tanto pacífica como militar y, por lo tanto, la capacidad que tiene una nación para la separación de isótopos es de gran interés para la comunidad de inteligencia.

Alternativas

La única alternativa a la separación de isótopos es fabricar el isótopo requerido en su forma pura. Esto se puede hacer mediante la irradiación de un objetivo adecuado, pero se necesita cuidado en la selección del objetivo y otros factores para garantizar que solo se produzca el isótopo requerido del elemento de interés. Los isótopos de otros elementos no son un problema tan grande ya que pueden eliminarse por medios químicos.

Esto es particularmente relevante en la preparación de plutonio-239 de alto grado para su uso en armas. No es práctico separar Pu-239 de Pu-240 o Pu-241. El Pu-239 fisionable se produce luego de la captura de neutrones por el uranio-238, pero una mayor captura de neutrones producirá Pu-240 que es menos fisionable y peor, es un emisor de neutrones bastante fuerte, y Pu-241 que se descompone en Am-241, un fuerte emisor alfa que plantea problemas de autocalentamiento y radiotoxicidad. Por lo tanto, los objetivos de uranio utilizados para producir plutonio militar deben irradiarse solo durante un breve período de tiempo para minimizar la producción de estos isótopos no deseados. Por el contrario, mezclar plutonio con Pu-240 lo hace menos adecuado para armas nucleares.

Si el objetivo deseado no es una bomba atómica sino operar una planta de energía nuclear, la alternativa al enriquecimiento de uranio para su uso en un reactor de agua ligera es el uso de un moderador de neutrones con una sección transversal de absorción de neutrones más baja que el protio. Las opciones incluyen agua pesada como se usa en los reactores tipo CANDU o grafito como se usa en los reactores Magnox o RBMK. Sin embargo, la obtención de agua pesada también requiere la separación de isótopos, en este caso de los isótopos de hidrógeno, que es más fácil debido a la mayor variación en el peso atómico. Tanto los reactores Magnox como RBMK tenían propiedades indeseables cuando funcionaban con uranio natural, lo que finalmente condujo a la sustitución de este combustible por uranio poco enriquecido, anulando la ventaja de renunciar al enriquecimiento. Los reactores de agua pesada presurizados como el CANDU todavía están en uso activo e India, que tiene recursos domésticos de uranio limitados y ha estado bajo un embargo nuclear parcial desde que se convirtió en un estado bomba atómica, en particular depende de reactores moderados de agua pesada para su energía nuclear. Una gran desventaja de los reactores de agua pesada es el enorme costo inicial del agua pesada.

Métodos prácticos de separación

Difusión

Difusión venosa utiliza membranas semipermeables para separar uranio enriquecido

A menudo utilizado con gases, pero también con líquidos, el método de difusión se basa en el hecho de que, en equilibrio térmico, dos isótopos con la misma energía tendrán velocidades promedio diferentes. Los átomos más ligeros (o las moléculas que los contienen) viajarán más rápido y es más probable que se difundan a través de una membrana. La diferencia de velocidades es proporcional a la raíz cuadrada de la relación de masa, por lo que la cantidad de separación es pequeña y se necesitan muchas etapas en cascada para obtener una alta pureza. Este método es costoso debido al trabajo necesario para empujar el gas a través de una membrana y las muchas etapas necesarias.

Estados Unidos logró la primera separación a gran escala de isótopos de uranio en grandes plantas de separación por difusión gaseosa en Oak Ridge Laboratories, que se establecieron como parte del Proyecto Manhattan. Estos utilizaron gas hexafluoruro de uranio como fluido de proceso. Edward Adler y Edward Norris fueron pioneros en las barreras de difusión de malla de níquel electro-depositada y polvo de níquel. Ver difusión gaseosa.

Centrífuga

Una cascada de centrifugadoras de gas en una planta de enriquecimiento de uranio estadounidense.

Los esquemas centrífugos giran rápidamente el material, lo que permite que los isótopos más pesados se acerquen a una pared radial exterior. Esto también se hace a menudo en forma gaseosa utilizando una centrífuga tipo Zippe.

La centrifugación de plasma puede separar isótopos, así como separar rangos de elementos para la reducción de desechos radiactivos, el reprocesamiento nuclear y otros fines. El proceso se llama "separación de masa de plasma"; los dispositivos se denominan "filtro de masa de plasma" o "centrífuga de plasma" (no debe confundirse con médico).

La separación centrífuga de isótopos fue sugerida por primera vez por Aston y Lindemann en 1919 y los primeros experimentos exitosos fueron informados por Beams y Haynes sobre isótopos de cloro en 1936. Sin embargo, los intentos de usar la tecnología durante el proyecto de Manhattan fueron improductivos. En los tiempos modernos, 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, una alimentación de gas UF₆ está conectada a un cilindro que gira a alta velocidad. Cerca del borde exterior del cilindro se acumulan 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. Es deseable el uso de tecnología centrífuga gaseosa para enriquecer isótopos, ya que el consumo de energía se reduce considerablemente en comparación con técnicas más convencionales, como las plantas de difusión, ya que se requieren menos pasos en cascada para alcanzar grados de separación similares. De hecho, las centrífugas de gas que utilizan hexafluoruro de uranio han reemplazado en gran medida a la tecnología de difusión gaseosa para el enriquecimiento de uranio. Además de requerir menos energía para lograr la misma separación, son posibles plantas a una escala mucho más pequeña, lo que las convierte en una posibilidad económica para una pequeña nación que intente producir un arma nuclear. Se cree que Pakistán utilizó este método para desarrollar sus armas nucleares.

Sudáfrica utilizó tubos de vórtice en su proceso de separación de 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. El método es simple porque los tubos de vórtice no tienen partes móviles, pero consumen mucha energía, unas 50 veces más que las centrífugas de gas. Un proceso similar, conocido como boquilla de chorro, se creó en Alemania, con una planta de demostración construida en Brasil, y llegaron incluso a desarrollar un sitio para alimentar las plantas nucleares del país.

Electromagnética

Esquema de separación de isótopos de uranio en un calutrón

La separación electromagnética es espectrometría de masas a gran escala, por lo que a veces se denomina espectrometría de masas. Utiliza el hecho de que las partículas cargadas se desvían en un campo magnético y la cantidad de desviación depende de la masa de la partícula. Es muy caro para la cantidad producida, ya que tiene un rendimiento extremadamente bajo, pero puede permitir alcanzar purezas muy altas. Este método se usa a menudo para procesar pequeñas cantidades de isótopos puros para investigación o uso específico (como trazadores isotópicos), pero no es práctico para uso industrial.

En Oak Ridge y en la Universidad de California, Berkeley, Ernest O. Lawrence desarrolló la separación electromagnética de gran parte del uranio utilizado en la primera bomba atómica de los Estados Unidos (ver Proyecto Manhattan). Los dispositivos que utilizan este principio se denominan calutrones. Después de la guerra, el método fue abandonado en gran medida por ser poco práctico. Sólo se había emprendido (junto con la difusión y otras tecnologías) para garantizar que hubiera suficiente material para su uso, cualquiera que fuera el costo. Su principal contribución eventual al esfuerzo de guerra fue concentrar aún más el material de las plantas de difusión gaseosa a niveles más altos de pureza.

Láser

En este método, se sintoniza un láser a una longitud de onda que excita solo un isótopo del material e ioniza preferentemente esos átomos. La absorción resonante de luz para un isótopo depende de su masa y de ciertas interacciones hiperfinas entre los electrones y el núcleo, lo que permite que los láseres sintonizados con precisión interactúen con un solo isótopo. Una vez que el átomo se ioniza, se puede eliminar de la muestra aplicando un campo eléctrico. Este método a menudo se abrevia como AVLIS (separación de isótopos por láser de vapor atómico). Este método se ha desarrollado recientemente a medida que la tecnología láser ha mejorado y actualmente no se usa de forma generalizada. Sin embargo, es una gran preocupación para aquellos en el campo de la proliferación nuclear porque puede ser más barato y más fácil de ocultar que otros métodos de separación de isótopos. Los láseres sintonizables utilizados en AVLIS incluyen el láser de colorante y, más recientemente, los láseres de diodo.

Un segundo método de separación por láser se conoce como separación molecular de isótopos por láser (MLIS). En este método, un láser infrarrojo se dirige al gas hexafluoruro de uranio, excitando moléculas que contienen un átomo de U-235. Un segundo láser libera un átomo de flúor, dejando pentafluoruro de uranio que luego se precipita fuera del gas. La conexión en cascada de las etapas MLIS es más difícil que con otros métodos porque el UF₅ debe volver a fluorarse a UF₆ antes de introducirse en la siguiente etapa MLIS. Actualmente se están desarrollando esquemas MLIS alternativos (utilizando un primer láser en la región visible o del infrarrojo cercano) en los que se puede obtener un enriquecimiento de más del 95 % en una sola etapa, pero los métodos (todavía) no han alcanzado la viabilidad industrial. Este método se denomina OP-IRMPD (preexcitación de sobretonos: disociación de múltiples fotones IR).

Finalmente, la 'Separación de isótopos por excitación láser' (SILEX), desarrollado por Silex Systems en Australia, ha sido licenciado a General Electric para el desarrollo de una planta piloto de enriquecimiento. El método utiliza hexafluoruro de uranio como materia prima y utiliza imanes para separar los isótopos después de que un isótopo se ioniza preferentemente. No se revelan más detalles del proceso.

Recientemente se ha propuesto otro esquema para la separación del deuterio utilizando paquetes de ondas troyanos en el campo electromagnético polarizado circularmente. El proceso de formación de paquetes de onda de troyano por el paso adiabático-rapido depende de manera ultrasensible de la masa reducida de electrones y núcleos que con la misma frecuencia de campo conduce a la excitación de troyano o de mochilero anti-Trojan dependiendo del tipo de isótopo. Esos y sus momentos de dipolo eléctrico giratorio son entonces π π {displaystyle pi}- injertado en fase y el rayo de tales átomos se divide en el gradiente del campo eléctrico en la analogía al experimento Stern-Gerlach.

Métodos químicos

Aunque normalmente se describe que los isótopos de un solo elemento tienen las mismas propiedades químicas, esto no es estrictamente cierto. En particular, las velocidades de reacción se ven muy poco afectadas por la masa atómica.

Las técnicas que utilizan esto son más efectivas para átomos ligeros como el hidrógeno. Los isótopos más ligeros tienden a reaccionar o evaporarse más rápidamente que los isótopos pesados, lo que les permite separarse. Así es como se produce comercialmente el agua pesada; consulte el proceso de sulfuro de Girdler para obtener más información. Los isótopos más ligeros también se disocian más rápidamente bajo un campo eléctrico. Este proceso en una gran cascada se utilizó en la planta de producción de agua pesada en Rjukan.

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

k(HCO)2 - 2= 9,54 M−1s−1	k(H)/k(D) = 38
k(DCO2 - 2= 9,54 M−1s−1	k(D)/k(T) = 8.1
k(TCO2 - 2= 9,54 M−1s−1	k(H)/k(T) = 305

Gravedad

Los isótopos de carbono, oxígeno y nitrógeno se pueden purificar enfriando estos gases o compuestos casi hasta su temperatura de licuefacción en columnas muy altas (200 a 700 pies (60 a 200 m)). Los isótopos más pesados se hunden y los isótopos más ligeros ascienden, donde se recogen fácilmente. El proceso fue desarrollado a fines de la década de 1960 por científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Este proceso también se denomina "destilación criogénica".

La SWU (unidad de trabajo separativa)

Unidad de Trabajo Separativo (SWU) es una unidad compleja que es una función de la cantidad de uranio procesado y el grado en que se enriquece, es decir el grado de aumento de la concentración del isótopo U-235 respecto al resto.

La unidad es estrictamente: Unidad de trabajo de separación en kilogramos, y mide la cantidad de trabajo de separación (indicativo de la energía utilizada en el enriquecimiento) cuando las cantidades de alimento y producto se expresan en kilogramos. El esfuerzo invertido en separar una masa F de alimentación de ensayo xf en una masa P de producto ensayo xp y desperdicio de masa W y el ensayo xw se expresa en términos del número de unidades de trabajo de separación necesarias, dado por la expresión SWU = WV(xw) + PV(xp) - FV(xf), donde V(x) es la "función de valor," definido como V(x) = (1 - 2x) ln ((1 - x) /x).

El trabajo de separación se expresa en SWU, kg SW o kg UTA (del alemán Urantrennarbeit)

• 1 SWU = 1 kg SW = 1 kg UTA
• 1 kSWU = 1.0 t SW = 1 t UTA
• 1 MSWU = 1 kt SW = 1 kt UTA

Si, por ejemplo, comienza con 100 kilogramos (220 libras) de uranio natural, se necesitan alrededor de 60 SWU para producir 10 kilogramos (22 libras) de uranio enriquecido en U-235 al 4,5 %.

Separadores de isótopos para investigación

Los haces radiactivos de isótopos específicos se utilizan ampliamente en los campos de la física experimental, la biología y la ciencia de los materiales. La producción y formación de estos átomos radiactivos en un haz iónico para su estudio es todo un campo de investigación llevado a cabo en muchos laboratorios de todo el mundo. El primer separador de isótopos fue desarrollado en el ciclotrón de Copenhague por Bohr y colaboradores utilizando el principio de separación electromagnética. Hoy en día, hay muchos laboratorios en todo el mundo que suministran haces de iones radiactivos para su uso. Podría decirse que el principal Separador de isótopos en línea (ISOL) es ISOLDE en el CERN, que es una instalación europea conjunta repartida en la frontera franco-suiza cerca de la ciudad de Ginebra. Este laboratorio utiliza principalmente la espalación de protones de objetivos de carburo de uranio para producir una amplia gama de fragmentos de fisión radiactivos que no se encuentran de forma natural en la Tierra. Durante la espalación (bombardeo con protones de alta energía), un objetivo de carburo de uranio se calienta a varios miles de grados para que se liberen los átomos radiactivos producidos en la reacción nuclear. Una vez fuera del objetivo, el vapor de átomos radiactivos viaja a una cavidad ionizadora. Esta cavidad ionizadora es un tubo delgado hecho de un metal refractario con una alta función de trabajo que permite colisiones con las paredes para liberar un solo electrón de un átomo libre (efecto de ionización superficial). Una vez ionizadas, las especies radiactivas son aceleradas por un campo electrostático e inyectadas en un separador electromagnético. Como los iones que ingresan al separador tienen aproximadamente la misma energía, los iones con una masa más pequeña serán desviados por el campo magnético en mayor cantidad que aquellos con una masa más pesada. Este radio de curvatura diferente permite que tenga lugar la purificación isobárica. Una vez purificado isobáricamente, el haz de iones se envía a los experimentos individuales. Para aumentar la pureza del haz isobárico, la ionización por láser puede tener lugar dentro de la cavidad del ionizador para ionizar selectivamente una cadena de un solo elemento de interés. En el CERN, este dispositivo se denomina fuente de iones láser de ionización por resonancia (RILIS). Actualmente, más del 60 % de todos los experimentos optan por utilizar RILIS para aumentar la pureza de los haces radiactivos.

Capacidad de producción de vigas de las instalaciones de ISOL

Como la producción de átomos radiactivos mediante la técnica ISOL depende de la química de los átomos libres del elemento a estudiar, hay ciertos haces que no se pueden producir mediante el simple bombardeo de protones de objetivos de actínidos gruesos. Los metales refractarios como el tungsteno y el renio no emergen del objetivo ni siquiera a altas temperaturas debido a su baja presión de vapor. Para producir este tipo de haces, se requiere un objetivo delgado. La técnica Ion Guide Isotope Separator On Line (IGISOL) se desarrolló en 1981 en el laboratorio ciclotrón de la Universidad de Jyväskylä en Finlandia. En esta técnica, un objetivo delgado de uranio se bombardea con protones y los productos de la reacción nuclear retroceden del objetivo en un estado cargado. Los retrocesos se detienen en una celda de gas y luego salen a través de un pequeño orificio en el costado de la celda donde se aceleran electrostáticamente y se inyectan en un separador de masa. 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) se pueden estudiar usando un IGISOL. También se ha combinado un IGISOL con una fuente de iones láser en el separador de isótopos en línea de Leuven (LISOL) en Bélgica. Las fuentes de objetivo delgado generalmente proporcionan cantidades significativamente menores de iones radiactivos que las fuentes de objetivo grueso y este es su principal inconveniente.

A medida que avanza la física nuclear experimental, se vuelve cada vez más importante estudiar los núcleos radiactivos más exóticos. Para hacerlo, se requieren técnicas más ingeniosas para crear núcleos con relaciones protón/neutrón extremas. Una alternativa a las técnicas ISOL descritas aquí es la de los haces de fragmentación, en los que los iones radiactivos se producen mediante reacciones de fragmentación en un haz rápido de iones estables que inciden sobre un objetivo delgado (generalmente átomos de berilio). Esta técnica se utiliza, por ejemplo, en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) de la Universidad Estatal de Michigan y en la Fábrica de Haces de Isótopos Radiactivos (RIBF) en RIKEN, en Japón.