Cómo enriquecer uranio

El uranio es utilizado como fuente de energía en reactores nucleares y fue utilizado para fabricar la primera bomba atómica arrojada sobre Hiroshima en 1945.^{[1]
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Fuente de investigación} El uranio es extraído en forma de un mineral denominado pechblenda,^{[2]
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Fuente de investigación} y consiste de numerosos isótopos con diferentes pesos atómicos y de diferentes niveles de radioactividad. Para ser usado en reacciones de fisión, la cantidad del isótopo de uranio U²³⁵ debe incrementarse hasta un nivel que permita la fisión en un reactor o bomba. Este proceso es denominado enriquecimiento de uranio y existen diversas maneras de llevarlo a cabo.

Método 1

Método 1 de 7:
El proceso básico para enriquecer uranio

1
Decide el uso que le darás al uranio. La mayoría del uranio extraído contiene solo un aproximado de 0.7 porciento de U²³⁵, encontrándose su parte restante (la mayor parte) compuesta por el isótopo más estable de U²³⁸.^{[3]
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Fuente de investigación} Según el tipo de reacción de fisión en el que el uranio vaya a ser utilizado dependerá el nivel al que el U²³⁵ debe incrementarse, para que así este sea utilizado eficientemente.
- El uranio utilizado en la mayor parte de las plantas de energía debe enriquecerse a un nivel entre 3 y 5 por ciento de U²³⁵.^{[4]
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  Fuente de investigación}^{[5]
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  Fuente de investigación}^{[6]
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  Fuente de investigación} Algunos pocos reactores nucleares, como los de CANDU en Canadá (por sus siglas en inglés) o el reactor Magnox en Reino Unido, han sido diseñados para enriquecer uranio.^{[7]
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  Fuente de investigación}
- En contraste, el uranio utilizado en bombas y ojivas atómicas requiere ser enriquecido al 90 por ciento de U²³⁵.^{[8]
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  Fuente de investigación}
2
Convierte el mineral de uranio en un gas. La mayoría de los métodos que existen hoy en día para el enriquecimiento de uranio requieren que el mineral sea transformado en un gas de baja temperatura. Con ese fin, lo usual será bombear gas de flúor hacia una planta de conversión de minerales; entonces, el gas de óxido de uranio reaccionará con el gas de flúor y con esto se producirá hexafluoruro de uranio (UF₆). Se deja que el gas actúe para separar y reunir los isótopos de U²³⁵.
3
Enriquece el uranio. Las secciones restantes de este artículo describen los diferentes procesos que existen para enriquecer uranio. De todos esos procesos, los procesos de difusión gaseosa y centrifugación de gases son los dos más comunes, sin embargo, se espera que el proceso de separación de isótopos por láser los reemplace.^{[9]
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Fuente de investigación}^{[10]
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Fuente de investigación}
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Convierte el gas UF₆ en dióxido de uranio (UO₂). Una vez enriquecido el uranio, es necesario convertirlo en una forma sólida y estable para su uso requerido.
- El dióxido de uranio utilizado como combustible en los reactores nucleares se produce en forma de bolillas (pellets) de cerámica sinterizada, alojadas en tubos de metal que llegan a formar barras de 4 metros (13.12 pies) de largo^{[11]
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  Fuente de investigación}
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Método 2

Método 2 de 7:
Proceso de difusión gaseosa

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Bombea UF₆ a través de los ductos.
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Haz que el gas pase a través de un filtro poroso o una membrana. En tanto el isótopo U²³⁵ es más ligero que el isótopo U²³⁸, el UF₆ que contenga el isótopo más ligero se esparcirá a través de la membrana de forma más rápida que el que contenga isótopos más pesados.
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Repite el proceso de difusión hasta que se haya colectado suficiente U²³⁵. La difusión repetitiva es denominada en “cascada”. Puede tomar hasta 1.400 difusiones a través de membranas porosas para obtener suficiente U²³⁵ y así enriquecer suficientemente el uranio.^{[12]
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Fuente de investigación}
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Condensa el gas UF₆ para que adquiera forma líquida. Una vez que el gas esté lo suficientemente enriquecido, debe condensarse en forma líquida y luego ser almacenada en depósitos, en donde se enfriará y solidificará para ser transportados y convertidos en pelotillas de combustible.
- Debido al número de difusiones requeridas, este proceso conlleva el consumo de mucha energía y, por tanto, va quedando fuera de uso. En los Estados Unidos solo queda una planta de enriquecimiento mediante difusión gaseosa, la cual está localizada en Paducah, Kentucky.^{[13]
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  Fuente de investigación}
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Método 3

Método 3 de 7:
Proceso de centrifugación gaseosa

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Ensambla un número de cilindros giratorios de alta velocidad. Estos cilindros serán las centrifugadoras. Las centrifugadoras son ensambladas en series de dos y montadas paralelamente.
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Bombea el gas UF₆ dentro de las centrifugadoras. La centrifugadora usará aceleración centrípeta para enviar el U²³⁸ más pesado que tuviese hacia las paredes del cilindro y el U²³⁵ más ligero hacia el centro de la misma.
3
Extrae los gases que se han separado en el proceso.
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Reprocesa los gases separados en diferentes centrifugadoras. Los gases ricos en U²³⁵ son enviados a una centrifugadora en donde aún más U²³⁵ será extraído; mientras que el gas de U²³⁵ agotado va hacia una centrifugadora distinta, con el fin de que se extraiga el restante U²³⁵. Esto le permite al proceso de centrifugado extraer mucho más U²³⁵ que el proceso de difusión gaseosa.^{[14]
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Fuente de investigación}
- El proceso de centrifugación gaseosa fue desarrollado por primera vez en la década de los 40, pero no adquirió relevancia hasta su uso en la década de los 60, cuando su bajo requerimiento de energía para producir uranio enriquecido se volvió importante.^{[15]
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  Fuente de investigación} Actualmente, una planta de procesamiento de gas por medio de centrifugación existe en los Estados Unidos, en Eunice, Nuevo México.^{[16]
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  Fuente de investigación} En comparación, Rusia posee 4 plantas de ese tipo, Japón y China poseen dos plantas cada uno, mientras que Reino Unido, Países Bajos y Alemania poseen una cada una.^{[17]
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  Fuente de investigación}
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Método 4

Método 4 de 7:
Proceso de separación aerodinámica

1
Construye una serie de tanques estacionarios angostos.
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Inyecta gas UF₆ dentro de los cilindros a alta velocidad. El gas es inyectado dentro de los cilindros, de forma tal, que es inducido a girar de forma ciclónica, produciendo la misma separación del U²³⁵ y del U²³⁸ que el obtenido mediante rotación centrífuga.
- Un método que viene desarrollándose en Sudáfrica inyecta el gas en los cilindros desde una tangente. Actualmente está siendo probado con isótopos ligeros, como los encontrados en el silicio.^{[18]
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  Fuente de investigación}
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Método 5

Método 5 de 7:
Proceso de difusión térmica líquida

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Licua el gas UF₆ bajo presión.
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Construye un par de tubos concéntricos. Los tubos deben ser lo suficientemente altos, pues a más altura, mayor será la separación de los isótopos de U²³⁵ y U²³⁸.
3
Rodea los tubos con una cubierta de agua. Esto enfriará el exterior del tubo.
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Inyecta el UF₆ líquido entre los tubos.
5
Calienta el interior del tubo con vapor. El calor creará una corriente de convección en el UF₆, el mismo que extraerá los isótopos de U²³⁵ al ser estos más ligeros, y lo dirigirá hacia el centro más caliente del tubo y empujará los isótopos U²³⁸ más pesados hacia la parte más fría y externa del tubo.
- Este proceso fue investigado en 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero fue abandonado aún en su fase inicial al desarrollarse el proceso más eficiente de difusión gaseosa.^{[19]
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  Fuente de investigación}^{[20]
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  Fuente de investigación}
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Método 6

Método 6 de 7:
Proceso de separación electromagnética de isótopos

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Ioniza el gas UF₆.
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Pasa el gas a través de un campo magnético fuerte.
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Separa los isotopos del uranio ionizados, identificándolos por los trazos que dejan al pasar por el campo magnético. Los iones de U²³⁵ dejan trazos que forman una curvatura diferente a las dejadas por el U²³⁸. Aquellos iones pueden ser aislados con el fin de enriquecer el uranio.
- Este método fue usado para procesar el uranio de las bombas atómicas que fueron arrojadas sobre Hiroshima en 1945 e, igualmente, es el método de enriquecimiento utilizado por Irak en su programa de armamento nuclear de 1992. Este método requiere 10 veces más energía que el de difusión gaseosa, volviéndolo poco práctico para programas de enriquecimiento a gran escala.^{[21]
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  Fuente de investigación}
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Método 7

Método 7 de 7:
Proceso de separación de isótopos mediante láser

1
Ajusta el láser a un color específico. La luz del láser debe estar completamente en una longitud de onda (monocromática). Esta longitud de onda solo se concentrará en los átomos U²³⁵, dejando los átomos U²³⁸ intactos.
2
Ilumina el uranio con la luz del láser. A diferencia de los otros procesos de enriquecimiento de uranio, en este caso no es necesario utilizar gas de hexafluoruro de uranio, a pesar de que la mayoría de otros procesos con láser lo requieran. También puedes utilizar una aleación de uranio y hierro como fuente de uranio, el mismo que puede conseguirse mediante el proceso de separación de isótopos de vapor atómico por láser (AVLIS, según siglas en inglés).
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Extrae los átomos de uranio mediante electrones en estado excitado. Estos serán átomos de ²³⁵U.

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Consejos

Algunos países reprocesan los combustibles nucleares con el fin de recuperar el uranio y plutonio empobrecido creados durante el proceso de fisión. El uranio reprocesado debe ser despojado de los isótopos U²³² y U²³⁶ formados durante la fisión, y si son enriquecidos, deberá hacerse a un nivel superior al del uranio nuevo (uranio no utilizado), ya que el U²³⁶ absorbe neutrones y, por ende, inhibe el proceso de fisión. Es por ello que el uranio reprocesado debe mantenerse separado del uranio que, por primera vez, ha sido enriquecido.^{[22]
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Fuente de investigación}

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Advertencias

El uranio en sí es levemente radioactivo; sin embargo, cuando es convertido en gas UF₆ se convierte en un químico tóxico que reacciona con el agua y forma una forma corrosiva de ácido fluorhídrico (este gas es comúnmente denominado “ácido para realizar grabados” por su uso para grabar en vidrio).^{[23]
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Fuente de investigación} Por tanto, las plantas de enriquecimiento de uranio requieren de las mismas medidas de protección que las plantas químicas que trabajan con flúor, lo cual incluye mantener el gas UF₆ la mayor parte del tiempo bajo poca presión y usar un número extra de niveles de contención en las áreas que requieran presiones altas.^{[24]
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Fuente de investigación}
El uranio reprocesado debe mantenerse bajo un fuerte blindaje, pues el U²³² que contiene se descompone en elementos que emiten considerables cantidades de radiación gamma. ^{[25]
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Fuente de investigación}
El uranio enriquecido normalmente puede ser reprocesado por solo una vez. ^{[26]
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Fuente de investigación}