¿Cómo se convierte el uranio en energía nuclear?
Estoy trabajando en un proyecto sobre combustible alternativo y estoy haciendo energía nuclear. Entiendo un poco la fisión nuclear y el ISL, pero estoy teniendo dificultades para comprender la transformación de yellowcake a 235.
Algunas notas introductorias
Espero que me perdone si escribo algunas notas sobre la fisión nuclear. Omita esto si lo desea, pero tal vez desee hojearlo.
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Grandes núcleos complejos como el del uranio se tambalean al borde de la estabilidad. De vez en cuando, un núcleo de uranio emitirá una partícula alfa (efectivamente, un núcleo de helio-4) y se transmutará a un núcleo de torio. Con mucha menos frecuencia, un núcleo de uranio se dividirá en dos (o raramente, más) fragmentos en un proceso llamado fisión espontánea .
Para la energía nuclear, estamos interesados en la fisión inducida: bombardear núcleos con neutrones y desencadenar eventos de fisión. No importa cómo obtengamos la fisión, se libera una gran cantidad de energía en el proceso: aproximadamente 2 millones de veces lo que obtendríamos de una reacción química, átomo por átomo.
Hay varios isótopos de uranio, pero los que más nos interesan son U-238 y U-235. Ambos sufrirán fisión inducida si capturan neutrones rápidos, pero solo el U-235 sufrirá fisión inducida cuando se vean afectados con neutrones lentos. Esto es de vital importancia, ya que la posibilidad de que un núcleo capture un neutrón rápido es muy, muy pequeña.
Lo que esto significa es que en un reactor nuclear, podemos inducir fisión por solo U-235. Dado que el uranio que encontramos en la naturaleza contiene alrededor del 0.7% de U-235, necesitamos encontrar alguna forma de compensar el gran exceso de U-238. Hay dos formas generales de hacer esto. Uno de estos es el enriquecimiento de uranio, con lo que queremos decir aumentar la cantidad de U-235 en el uranio que utilizamos. Esta es la técnica utilizada para la mayoría de los reactores nucleares. [1]
El problema con la extracción de U-235 del uranio natural es que no podemos usar procesos químicos, porque los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. Tenemos que explotar una pequeña diferencia física entre los isótopos. Hay pocas formas de hacer esto, y ninguna de ellas es fácil.
Tarta amarilla a uranio enriquecido
¡Por fin estamos aquí! Yellowcake es el término utilizado para describir el uranio después de haber sido extraído y extraído del mineral. Este material es una mezcla de óxidos de uranio y una pequeña cantidad de otros compuestos de uranio. En cualquier lugar, del 70% al 90% de una muestra de torta amarilla es octóxido de triuranio (U3O8), que resulta ser amarillento.
Necesitamos convertir el pastel amarillo en algo con lo que sea más fácil trabajar. El uranio es muy reactivo, por lo que la conversión a uranio metálico es un proceso complejo. Afortunadamente, no necesitamos hacer eso en la mayoría de los casos. El material que se usa en la mayoría de los procesos de enriquecimiento de uranio es un compuesto llamado hexafluoruro de uranio (UF6), a menudo simplemente llamado “hexadecimal”. El hexadecimal es un químico desagradable para trabajar. Es muy corrosivo, muy tóxico y explota al contacto con el agua. Lo único bueno es que sublimes, va directamente de sólido a gas, a una temperatura relativamente baja de aproximadamente 56 grados centígrados. Si prefiere líquido, puede ponerlo bajo una presión moderada y calentarlo a aproximadamente 64 grados centígrados.
Convertir yellowcake en hexadecimal tampoco es un picnic. Lo disuelve en ácido nítrico, mezcla el material amarillo verdoso de esa reacción con amoníaco, luego reacciona con hidrógeno para producir dióxido de uranio (UO2). Luego mezclamos esto con ácido fluorhídrico y reaccionamos ese producto con más flúor para producir hexadecimal. Puede ver que nada de esto es trivial, pero afortunadamente, los ingenieros químicos están acostumbrados a trabajar con productos químicos industriales peligrosos.
Ahora que tenemos nuestro hexágono, podemos comenzar a extraer U-235. Hay dos procesos principales para eso: difusión gaseosa y centrifugación de gas. Ambos explotan la pequeña diferencia entre las masas de U-235 y U-238.
La difusión gaseosa se utiliza para el proceso primario de enriquecimiento, pero es una técnica horriblemente costosa. La primera planta de difusión gaseosa construida para el Proyecto Manhattan, con nombre en código K-25, fue durante mucho tiempo el edificio más grande del mundo.
En los últimos años, las centrifugadoras de gas se han convertido en los sistemas más utilizados para el enriquecimiento de uranio. Es difícil encontrar información detallada sobre estos dispositivos. Gran parte de la información detallada está muy restringida debido a las preocupaciones sobre la proliferación de armas nucleares. Estos dispositivos giran a velocidades increíblemente altas y separan las moléculas hexagonales que tienen átomos de U-235 de las que tienen átomos de U-238.
Utiliza cientos de centrifugadoras de gas, y cada una separa solo una pequeña cantidad de U-235 de U-238. Enriqueces tu maleficio poco a poco. Esta técnica no es inusual para refinar; Los ingenieros químicos lo llaman cascada . Sin embargo, para el uranio, las cascadas son increíblemente largas.
Para la mayoría de los reactores nucleares, necesita enriquecer uranio a entre 3.5% U-235 y 5% U-235. Esto se llama uranio poco enriquecido o uranio de grado de reactor . Los reactores navales, como los utilizados en los submarinos nucleares, utilizan uranio altamente enriquecido para mantener los reactores pequeños. El nivel de enriquecimiento preciso utilizado está clasificado, pero probablemente sea aproximadamente 90% U-235. El uranio de grado bomba generalmente se describe como aproximadamente 90% de U-235.
Ahora tenemos un hex enriquecido, que no es útil en reactores nucleares. Para los reactores de potencia típicos, generalmente convertimos el hexágono en óxidos de uranio, generalmente U3O8 o UO2. Para hacer esto, reaccionamos el hex con vapor (¡con cuidado!), Luego reaccionamos el químico resultante con hidrógeno.
A partir de ahí, tomamos el óxido de uranio y lo sinterizamos en gránulos, luego los empaquetamos en barras de combustible. Los cargamos en los reactores, activamos una reacción en cadena de fisión y usamos la enorme cantidad de energía liberada para hervir agua. El vapor hace girar las turbinas que funcionan con generadores eléctricos. El vapor generalmente se condensa en agua fría, y a veces se usa para proporcionar calefacción a los edificios de la central eléctrica, o en algunos casos he leído sobre invernaderos.
Normalmente no volcamos el vapor que usamos para hacer funcionar las turbinas. El agua utilizada en los generadores de vapor tiene que ser extremadamente pura. De lo contrario, podría dañar las tuberías y las turbinas. La purificación del agua es costosa, por lo que el agua casi siempre se recicla.
[1] El otro método de uso de uranio natural implica el uso de moderadores de neutrones eficientes, como el grafito ultra puro o el agua pesada. Nos saltaremos eso aquí. Si está interesado, es posible que desee buscar información sobre los reactores CANDU. Soy canadiense, así que soy bastante parcial con ellos.