Enriquecimiento de uranio

Níveles de uranio en muestras naturales, enriquecidas levemente y enriquecidas para uso en armas nucleares.

El enriquecimiento de uranio es el proceso al cual es sometido el uranio natural para obtener el isótopo 235 U conocido como uranio enriquecido. El uranio natural se compone principalmente del isótopo 238 U, con una proporción en peso de alrededor del 0,7 % de 235U, el único isótopo en cantidad apreciable existente en la naturaleza que es fisionable mediante neutrones térmicos. Durante el enriquecimiento, el contenido porcentual de 235 U en el uranio natural se incrementa gracias al proceso de separación de isótopos.

Puesto que los diferentes isótopos del uranio son químicamente indistinguibles, ya que la corteza electrónica de todos ellos tiene la misma estructura, es necesario aprovechar las diferencias en propiedades físicas como la masa (mediante difusión gaseosa o centrifugación) o las pequeñas diferencias en las energías de transición entre niveles de los electrones (mediante excitación diferencial con láser) para aumentar la proporción de 235U con respecto al valor que se encuentra en la naturaleza.

El proceso de enriquecimiento se aplica tras haber separado el uranio de las impurezas por medios químicos. En el método históricamente utilizado a escala industrial, la difusión gaseosa, el uranio se encuentra en forma de hexafluoruro de uranio. Tras el enriquecimiento, el hexafluoruro de uranio es transformado en plantas químicas especiales en dióxido de uranio, material cerámico que se utiliza finalmente como combustible en los reactores nucleares.

En el proceso de diferencia de masas se basan el método de difusión a través de membranas y los calutrones. En las diferencias en los niveles energéticos, se basa la separación por rayos láser.

Las técnicas necesarias para el enriquecimiento son suficientemente complejas como para necesitar un laboratorio avanzado y de importantes inversiones de capital, pero lo suficientemente sencillas como para estar al alcance de prácticamente cualquier país del mundo. En las condiciones de operación de los reactores comerciales de agua ligera, el isótopo 235 U presenta una sección eficaz de fisión mayor que los otros nucleidos del uranio. Para conseguir una tasa de fisiones suficientemente alta como para mantener la reacción en cadena es necesario aumentar la proporción del nucleido 235Uranio en el combustible nuclear de tales centrales.

En el Proyecto Manhattan al uranio enriquecido se le denominó en código oralloy, abreviatura de Oak Ridge alloy (aleación), por la planta en la que el uranio era enriquecido. El término oralloy todavía se usa en ocasiones para referirse al uranio enriquecido.

El 238 U que permanece tras el enriquecimiento es conocido como uranio empobrecido (depleted uranium, en inglés), y es considerablemente menos radiactivo incluso que el uranio natural, a pesar de que es extremadamente denso y útil para vehículos blindados y armas para atravesar blindajes y otras aplicaciones en las que se requiera una alta densidad.

Grados

Uranio altamente enriquecido (Highly enriched uranium (HEU))

El uranio altamente enriquecido tiene una concentración superior al 20% de. 235 U.

El uranio fisible en las armas nucleares normalmente contiene 85% o más de 235 U conocido como "nivel para armas" (weapons-grade), esto es debido a que la presencia de demasiada concentración del isotopo 238 U inhibe la descontrolada reacción nuclear en cadena que es la responsable de la potencia del arma.

El uranio altamente enriquecido también se utiliza en la propulsión nuclear marina, donde su concentración es como mínimo del 50%, pero normalmente excede del 90%.

Uranio de bajo enriquecimiento (Low-enriched uranium (LEU))

El uranio de bajo enriquecimiento tiene una concentración inferior al 20% de 235 U.

Para uso en los reactores de agua ligera comerciales (LWR=Light water reactor), los más extendidos mundialmente, el uranio está enriquecido del 3 al 5% con 235 U. No hay un riesgo directo de explosión. El LEU utilizado en reactores para investigación está enriquecido del 12% al 19,75% con 235 U, siendo la concentración más alta para sustituir a los combustibles de alto enriquecimiento por los de bajo enriquecimiento.

Uranio ligeramente enriquecido (Slightly enriched uranium (SEU))

El uranio ligeramente enriquecido tiene una concentración de 235 U entre 0,9 % y 2%.

Este nuevo nivel está siendo utilizado para sustituir el combustible de uranio natural en algunos reactores de agua pesada tales como el CANDU. Los costes se rebajan porque requieren menos uranio y con menos haces se alimenta el reactor, lo que a su vez reduce la cantidad de combustible gastado y los consiguientes costes de gestión de residuos.

El Uranio recuperado (Recovered uranium (RU)) es una variación del SEU. Está basado en el ciclo de combustible implicado en los reactores de agua ligera.

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