Wonder News: Qué es el enriquecimiento de uranio

En la naturaleza, los minerales que contienen el elemento uranio; como el caso de la pitchblenda por ejemplo, exhiben una relación porcentual de 0,712% correspondiente al isótopo Uranio-235 y 99,288% correspondiente al isótopo Uranio-238; descartándose, por insignificante, la presencia del isótopo Uranio-234. Esto significa que si se pudiera tomar al azar un conjunto de muestras, compuestas por 1000 núcleos atómicos de uranio, cada una; aproximadamente se tendrían valores medios de 7 núcleos atómicos correspondientes al isótopo Uranio-235 y los 993 restantes corresponderían al Uranio-238.

Ahora, es bien conocido en teoría de interacciones nucleares el hecho de que el núcleo atómico del isótopo Uranio-235 es rápida y fácilmente escindible por ciertas partículas subatómicas denominadas neutrones, eléctricamente neutras, y por tanto exentas de ser influenciadas por campo electromagnético alguno; y que esa ruptura puede ser inducida inclusive por neutrones estacionarios; es decir, caracterizados por cero energía cinética.

Con el propósito de incrementar la presencia del fácilmente fragmentable isótopo Uranio-235 en una determinada masa de material fisible; es decir, de material susceptible de experimentar la desintegración de sus núcleos atómicos en condiciones apropiadas, es menester recurrir a una serie de procesos físicos conocidos como los métodos de difusión gaseosa en cascadas, y de ultracentrifugación gaseosa, para aumentar la concentración de moléculas ricas en el isótopo Uranio-235 en un gas altamente corrosivo y amarillento conocido con el nombre de hexafluoruro de uranio; cuya molécula está compuesta por 1 átomo de uranio y 6 átomos de flúor.

El hexafluoruro de uranio es obtenido por una serie de procesos químicos a partir de una sustancia pastosa, la cual es químicamente un óxido de uranio, Uٕ3‍O8, conocida en la jerga nuclear como “pastel amarillo”, por su coloración característica y distintiva.

Una de las instalaciones industriales diseñadas para estos menesteres está ubicada en la localidad brasileña de Resende, a 150 Km. de Río de Janeiro, regentada por el ejército brasileño, y destinada a producir el combustible nuclear para los reactores nucleares Angra-1 y Angra-2, cuya relación porcentual oscila entre 2% y 3% para el Uranio-235 y entre 97% y 98% para el Uranio-238; y trabaja sobre la base del método de difusión gaseosa en cascadas. Este un método altamente ineficaz, por cuanto consume una considerable cantidad de energía eléctrica externa para el funcionamiento de toda la instalación, anulando así cualquier ventaja económica comparativa que pudiera tener.

El principio detrás del método se desglosa a continuación: se hace pasar el hexafluoruro de uranio, -con la misma relación porcentual de los isótopos del elemento uranio; tal y como se encuentran en la naturaleza-, a través de un enrejado de membranas metálicas, con orificios diminutos. El proceso de difusión, o desplazamiento, de las moléculas de hexafluoruro de uranio a través de las membranas metálicas se puede caracterizar estadísticamente por un valor medio de la energía cinética de las moléculas gaseosas; independientemente de que el isótopo de uranio presente en la molécula, sea Uranio-235 o Uranio-238. Eso significa que; siendo la energía cinética de la molécula de hexafluoruro de Uranio-235 igual a la energía cinética de la molécula de hexafluoruro de Uranio-238, entonces por la llamada Ley de Difusión de Graham:

½M28X(V28)² = ½M25X(V25)²

Despejando en el miembro izquierdo la velocidad de la molécula de hexafluoruro de Uranio-235 se obtiene

V25 = √(M28/M25)XV28.

Como la masa de la molécula de hexafluoruro de Uranio-238 es ligeramente mayor que la del Uranio-235, en consecuencia el cociente M28/M25 es mayor que la unidad; y la raíz cuadrada, √(M28/M25), de ese cociente también será mayor que la unidad. Por lo tanto, la velocidad de la molécula de hexafluoruro de Uranio-235; V25, será mayor que la velocidad de la molécula de hexafluoruro de Uranio-238, V28.

De esa manera, las moléculas de hexafluoruro de Uranio-235 atravesarán más rápidamente los orificios de las membranas; razón por la cual el gas se irá haciendo cada vez más rico en moléculas portadoras del isótopo Uranio-235 a medida que avanza cada fase de la operación.

En teoría, es posible programar el número de fases de difusión gaseosa hasta obtener la concentración isotópica del Uranio-235 en el hexafluoruro de uranio, conocida con la denominación de uranio grado bélico. En esta composición del material fisible, la relación porcentual es de, por lo menos, el 95% correspondiente al isótopo Uranio-235; es decir, por cada 100 núcleos atómicos, 95 corresponden al Uranio-235 y 5 corresponden al Uranio-238.

Un material con estas características, es el utilizado como subsistema explosivo de un dispositivo militar de fisión nuclear.

Otra instalación industrial análoga, existe en la ciudad de Nathanz, en la República islámica de Irán. La misma funciona sobre la base del método de ultracentrifugación gaseosa, y consume aproximadamente un 10% de la energía eléctrica consumida por su contraparte brasileña. Su modo de operación se sintetiza a grandes rasgos de la siguiente manera: se introduce el hexafluoruro de uranio natural en el interior de un cilindro rotatorio que gira a elevadas velocidades circunferenciales; razón por la cual los materiales que componen la estructura del cilindro rotatorio deben ser de una extraordinaria calidad metalúrgica, capaz de soportar los intensos esfuerzos mecánicos generados por las enormes velocidades de giro; guardando alguna semejanza con el funcionamiento del tambor rotatorio de una secadora de ropa común y corriente.

El principio físico que preside esta operación se verifica por la actuación de la fuerza centrífuga sobre las moléculas gaseosas que giran a la misma velocidad angular del cilindro de la máquina centrífuga; y se resume en la función

Fc28 = M28xω²xr²

Esta sería la fuerza centrífuga que actuaría sobre una molécula de hexafluoruro de Uranio-238, de masa M28, girando con una velocidad angular ω, a una distancia radial r del eje axial del tambor.

Fc25 = M25xω²xr²

La cual sería la fuerza centrífuga que actuaría sobre una molécula de hexafluoruro de Uranio-235, de masa M25, girando con la misma velocidad angular ω, a la misma distancia radial r del eje axial del tambor.

Como la fuerza centrífuga que actúa sobre la masa de la molécula del hexafluoruro de Uranio-238, a la misma distancia r, es mayor que la correspondiente para la masa de la molécula de hexafluoruro de Uranio-235, por ser M28 mayor que M25, se infiere que la región cercana a la pared interna del cilindro será más rica en las moléculas más pesadas del gas, mientras que la región más cercana al eje axial del cilindro será más rica en las moléculas más livianas, portadoras del isótopo Uranio-235. Por la acción de una contracorriente de convección esa masa gaseosa, rica en Uranio-235, es extraída y pasada a la siguiente fase de ultracentrifugación.

Como se verá, ajustando el número de fases de ultracentrifugación es posible elevar el nivel de concentración de Uranio-235 en una determinada masa de hexafluoruro de uranio hasta alcanzar cualquier porcentaje deseado.

En cuanto concierne a los sistemas de reactores nucleares operativos en Irán, Brasil y Argentina; hay que decir que casi todos ellos han sido construidos de acuerdo con el modelo LWR (Light Water Reactor = Reactor de Agua Liviana), el cual tiene dos variantes. La variante BWR (Boiling Water Reactor = Reactor de Agua Hirviente) donde al agua utilizada como refrigerante y como moderador de neutrones en el corazón del reactor nuclear, se le permite evaporarse parcialmente en la vasija o recipiente del reactor; y el vapor así obtenido se circula hacia la unidad turbogeneradora para producir energía eléctrica, cuando el reactor opera en una planta de generación de energía núcleo-eléctrica.

La otra variante se conoce como sistema PWR (Pressurized Water Reactor = Reactor de Agua Presurizada), en este caso el agua se mantiene circulando en un circuito cerrado y sometida a una elevada presión operacional del orden de las 150 atmósferas, para permitir que el agua pueda efectuar su trabajo de extracción de energía térmica desde el corazón del reactor, sin experimentar pérdidas de inventario por la ebullición del fluido.

En ambas variantes, es necesario enriquecer el combustible nuclear utilizado en estos reactores desde 0,712% en Uranio-235, -como se encuentra en el uranio natural-, hasta entre 2% y 3% en Uranio-235 imprescindible en los reactores ya descritos, para compensar la pérdida de neutrones absorbidos en eventos de captura parasítica, por el oxígeno de las moléculas de agua utilizada como refrigerante y moderador.

Si se tomara la equivocada decisión de adoptar los modelos de reactores nucleares iraníes, brasileños o argentinos, como caballos de batalla de un futuro programa nuclear venezolano, inevitablemente se tendrían que construir, en Venezuela, las costosísimas instalaciones industriales diseñadas para fabricar el combustible nuclear enriquecido requerido por esos reactores.

Caso contrario, habría que incurrir en una dependencia peligrosa, inaceptable por lo demás, para el suministro del combustible nuclear por parte de los gobiernos y empresas de esos países. Como país soberano, Venezuela nunca debe estar sujeta a una dependencia de esa naturaleza. Con el añadido, de que, siendo esos reactores de patente norteamericana, con toda seguridad cabría esperar objeciones, trabas y sabotaje por parte del gobierno estadounidense ante una negociación que involucre su instalación en nuestro territorio.

Hay, sin embargo, alternativas más ventajosas, geopolítica y económicamente hablando. Tema de un capítulo aparte.

Palo Negro