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Piscina de combustible nuclear gastado

Uranio enriquecido

Uranio enriquecido

El uranio enriquecido es el uranio que ha pasado por un proceso tecnológico para aumentar la proporción del isótopo uranio-235. Como resultado, el uranio natural se divide en uranio enriquecido y uranio empobrecido.

El uranio natural contiene tres isótopos de uranio: uranio-238 (99.2745%), uranio-235 (0.72%) y uranio-234 (0.0055%). El isótopo uranio-238 es un isótopo relativamente estable, incapaz de una reacción en cadena nuclear independiente, a diferencia de los raros uranio-235. Actualmente, uranio-235 es el material fisionable principal en las reacciones en cadena de los reactores nucleares y las tecnologías de armas nucleares. Sin embargo, para muchas aplicaciones, la fracción del isótopo uranio-235 en uranio natural es pequeña y la preparación de combustible nuclear generalmente incluye la etapa de enriquecimiento de uranio.

Razones para el enriquecimiento de uranio

La reacción en cadena nuclear implica que al menos un neutrón del átomo de uranio formado por la descomposición será capturado por otro átomo y, en consecuencia, causará su descomposición. En una primera aproximación, esto significa que el neutrón debe chocar en el átomo de uranio-235 antes de que salga del reactor. Esto significa que la composición del combustible nuclear con uranio debe ser lo suficientemente compacta como para que la probabilidad de encontrar el próximo átomo de uranio para un neutrón sea lo suficientemente alta. Pero a medida que se producen reacciones dentro del reactor, el uranio-235 se quema gradualmente, lo que reduce la probabilidad de una colisión de un neutrón y un átomo de uranio-235. En consecuencia, la baja proporción de uranio-235 en combustible nuclear requiere:

  • Un volumen de reactor más grande para que el recorrido del neutrón sea más largo;
  • Una proporción mayor del volumen del reactor debe estar ocupada por combustible nucleear para aumentar la probabilidad de que un neutrón colisione con un átomo de uranio;
  • A menudo es necesario recargar el combustible para mantener una densidad aparente dada de uranio-235 en el reactor nuclear;
  • Una alta proporción de uranio-235 alta en combustible gastado.

En el proceso de mejorar la tecnología nuclear, se encontraron soluciones económicas y tecnológicas óptimas que requerían un aumento en el contenido de uranio-235 en el combustible, es decir, el enriquecimiento de uranio.

En armas nucleares, la tarea de enriquecimiento es casi la misma: se requiere que en el tiempo extremadamente corto de una explosión nuclear, el número máximo de uranio-235 de átomos encuentre su neutrón, su descomposición y su energía de liberación. Para esto, necesitamos la máxima densidad en masa posible de átomos de uranio-235, que se puede lograr con un enriquecimiento limitado.

El grado de enriquecimiento de uranio El uranio natural con un contenido de uranio-235 de 0,72% se utiliza en algunos reactores de potencia (por ejemplo, en CANDU canadiense ), en reactores que producen plutonio (por ejemplo, A-1 ).

El uranio con un contenido de uranio-235 hasta 20% se denomina poco enriquecido. El uranio con un enriquecimiento del 2-5% ahora se usa ampliamente en reactores de potencia en todo el mundo. El uranio enriquecido hasta un 20% se usa en reactores de investigación y experimentales.

El uranio con un contenido de uranio-235 por encima del 20% se denomina altamente enriquecido o arma. En los albores de la era nuclear, se construyeron varios tipos de armas nucleares basadas en armas basadas en uranio con un enriquecimiento de alrededor del 90%. El uranio altamente enriquecido se puede usar en un arma termonuclear. Además, el uranio altamente enriquecido se usa en reactores de energía nuclear con una campaña de combustible a largo plazo (es decir, con recargas raras o sin recargar en absoluto), por ejemplo, en reactores de naves espaciales o reactores de a bordo.

El uranio empobrecido con un contenido de uranio-235 0.1-0.3% permanece en los vertederos de la industria del enriquecimiento. Se usa ampliamente como núcleos de proyectiles perforantes de armadura de proyectiles de artillería debido a la alta densidad del uranio y la baratura del uranio empobrecido. En el futuro, se propone utilizar uranio empobrecido en reactores de neutrones rápidos, donde el uranio-238, que no es compatible con la reacción en cadena, se puede transmutar en plutonio-239, que es compatible con la reacción en cadena. El combustible MOX resultante se puede utilizar en reactores de potencia de neutrones térmicos tradicionales.

Tecnología para obtener uranio enriquecido

Se conocen muchos métodos de separación de isótopos. La mayoría de los métodos se basan en diferentes masas de átomos de diferentes isótopos: el 235 es ligeramente más ligero que el 238 debido a la diferencia en el número de neutrones en el núcleo. Esto se manifiesta en diferentes inercia de los átomos. Por ejemplo, si haces que los átomos se muevan en un arco, los pesados ​​tenderán a moverse a lo largo de un radio más grande que los ligeros.

Los métodos electromagnéticos y aerodinámicos se basan en este principio. En el método electromagnético, los iones de uranio se aceleran en el acelerador de partículas elementales y se retuercen en un campo magnético. En el método aerodinámico, el compuesto gaseoso de uranio se sopla a través de un caracol especial de boquilla. Un principio similar en la centrifugación de gas: Un compuesto de uranio gaseoso se coloca en una centrífuga, donde la inercia hace que las moléculas pesadas se concentren cerca de la pared de la centrífuga.Los métodos de difusión térmica y de difusión de gas utilizan la diferencia en la movilidad de las moléculas: las moléculas de gas con un isótopo de uranio ligero son más móviles que las pesadas. Por lo tanto, penetran más fácilmente en los pequeños poros de las membranas especiales con tecnología de difusión de gases. En el método de difusión térmica, las moléculas menos móviles se concentran en la parte inferior más fría de la columna de separación, desplazando a las más móviles hacia la parte superior caliente. La mayoría de los métodos de separación funcionan con compuestos de uranio gaseoso, con mayor frecuencia con UF 6.

Muchos de los métodos intentaron ser utilizados para el enriquecimiento industrial de uranio, pero en la actualidad casi todas las instalaciones de enriquecimiento de uranio se basan en la centrifugación con gas. Junto con la centrifugación, el método de difusión de gas fue ampliamente utilizado en el pasado.

En los albores de la era nuclear, se utilizaron métodos electromagnéticos, de difusión térmica y aerodinámicos. Hoy en día, la centrifugación demuestra los mejores parámetros económicos para enriquecer uranio. Sin embargo, se están realizando investigaciones sobre métodos de separación prometedores, por ejemplo, la separación por isótopos con láser.

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Última revisión: 18 de junio de 2019