El enriquecimiento de uranio es el proceso al cual es sometido el uranio-238 para aumentar la proporción del isótopo 235U. El uranio natural se compone principalmente del isótopo 238U, 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 235U 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 235U presenta una sección eficaz de fisión nuclear 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 238uranio que permanece tras el enriquecimiento es conocido como uranio empobrecido, 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.
Hay alrededor de 2,000 toneladas de uranio altamente enriquecido en el mundo, producido principalmente para energía nuclear, armas nucleares, propulsión naval y cantidades menores para reactores de investigación.
Grados El uranio tal como se extrae directamente de la Tierra no es adecuado como combustible para la mayoría de los reactores nucleares y requiere procesos adicionales para hacerlo utilizable (el diseño CANDU es una excepción notable). El uranio se extrae ya sea de manera subterránea o en una mina a cielo abierto, dependiendo de la profundidad a la que se encuentre. Después de extraer el mineral de uranio, debe pasar por un proceso de molienda para extraer el uranio del mineral. Esto se logra mediante una combinación de procesos químicos, cuyo producto final es óxido de uranio concentrado, conocido como óxido de uranio, que contiene aproximadamente un 80 % de uranio, mientras que el mineral original típicamente contiene tan solo un 0.1 % de uranio. miniaturadeimagen|Un bidón de óxido de uranio (mezcla de precipitados de uranio). Este óxido de uranio se procesa más para obtener la forma deseada de uranio adecuada para la producción de combustible nuclear. Una vez completado el proceso de molienda, el uranio debe someterse a un proceso de conversión, "ya sea a dióxido de uranio, que puede usarse como combustible para aquellos tipos de reactores que no requieren uranio enriquecido, o a hexafluoruro de uranio, que puede enriquecerse para producir combustible para la mayoría de los tipos de reactores". El uranio que se encuentra de manera natural está compuesto por una mezcla de 235U y 238U. El 235U es fisible, lo que significa que se divide fácilmente con neutrones, mientras que el resto es 238U, pero en la naturaleza, más del 99 % del mineral extraído es 238U. La mayoría de los reactores nucleares requieren uranio enriquecido, que es uranio con concentraciones más altas de 235U, que varían entre 3.5 % y 4.5 % (aunque algunos diseños de reactores que utilizan un moderador de grafito o agua pesada, como el RBMK y el CANDU, son capaces de operar con uranio natural como combustible). Existen dos procesos comerciales de enriquecimiento: difusión gaseosa y centrifugación de gas. Ambos procesos de enriquecimiento involucran el uso de hexafluoruro de uranio y producen óxido de uranio enriquecido.
Uranio altamente enriquecido miniaturadeimagen|Un lingote de uranio altamente enriquecido El uranio altamente enriquecido (Highly enriched uranium HEU) tiene una concentración superior al 20% de. 235U. Este alto nivel de enriquecimiento es esencial para las armas nucleares y ciertos diseños especializados de reactores. El uranio fisible en los núcleos de las armas nucleares generalmente contiene un 85 % o más de 235U, conocido como grado armamentístico, aunque teóricamente, para un diseño de implosión, un mínimo del 20 % podría ser suficiente (llamado nivel para armas), aunque requeriría cientos de kilogramos de material y "no sería práctico de diseñar"; incluso un enriquecimiento más bajo es hipotéticamente posible, pero a medida que disminuye el porcentaje de enriquecimiento, la masa crítica para neutrones rápidos no moderados aumenta rápidamente, requiriéndose, por ejemplo, una masa infinita de uranio al 5.4 % de 235U. Para experimentos de criticidad, se ha logrado enriquecer uranio a más del 97 %.
La primera bomba de uranio, Little Boy, lanzada por los Estados Unidos sobre Hiroshima en 1945, utilizó 64 kilogramos (141 libras) de uranio enriquecido al 80 %. Envolver el núcleo fisible del arma en un reflector de neutrones (lo cual es estándar en todos los explosivos nucleares) puede reducir drásticamente la masa crítica. Debido a que el núcleo estaba rodeado por un buen reflector de neutrones, en la explosión comprendió casi 2.5 masas críticas. Los reflectores de neutrones, la compresión del núcleo fisible mediante implosión, el impulso de fusión y el "tamping", que ralentiza la expansión del núcleo fisible con inercia, permiten diseños de armas nucleares que utilizan menos de lo que sería una masa crítica de esfera desnuda a densidad normal. La presencia de demasiado isótopo 238U inhibe la reacción en cadena nuclear descontrolada responsable del poder del arma. La masa crítica para uranio altamente enriquecido al 85 % es de aproximadamente 50 kilogramos (110 libras), que a densidad normal sería una esfera de unos 17 centímetros (6.7 pulgadas) de diámetro.
Las armas nucleares estadounidenses posteriores generalmente usan plutonio-239 en la etapa primaria, pero la etapa secundaria del revestimiento o tampón, que es comprimida por la explosión nuclear primaria, a menudo usa HEU con un enriquecimiento entre el 40 % y el 80 % junto con el combustible de fusión de deuteruro de litio. Este diseño de múltiples etapas mejora la eficiencia y efectividad de las armas nucleares, permitiendo un mayor control sobre la liberación de energía durante la detonación. Para la etapa secundaria de una gran arma nuclear, la mayor masa crítica de uranio menos enriquecido puede ser una ventaja, ya que permite que el núcleo contenga una mayor cantidad de combustible en el momento de la explosión. Esta estrategia de diseño optimiza el rendimiento explosivo y la eficiencia de los sistemas avanzados de armas nucleares. El 238U no se considera fisible, pero aún es fisionable por neutrones rápidos (>2 MeV), como los producidos durante la fusión D-T.
El HEU también se utiliza en reactores de neutrones rápidos, cuyos núcleos requieren alrededor del 20 % o más de material fisible, así como en reactores navales, donde a menudo contiene al menos un 50 % de 235U, pero típicamente no excede el 90 %. Estos sistemas de reactores especializados dependen del uranio altamente enriquecido para sus requisitos operativos únicos, incluyendo un alto flujo de neutrones y un control preciso sobre la dinámica del reactor. El prototipo del reactor rápido comercial Fermi-1 utilizó HEU con un 26.5 % de 235U. Cantidades significativas de HEU se utilizan en la producción de isótopos médicos, como el molibdeno-99 para generadores de tecnecio-99m. La industria médica se beneficia de las propiedades únicas del uranio altamente enriquecido, que permiten la producción eficiente de isótopos críticos esenciales para la imagenología diagnóstica y aplicaciones terapéuticas.
Uranio de bajo enriquecimiento de alto ensayo (High-assay LEU (HALEU)) El uranio de bajo enriquecimiento de alto ensayo (HALEU) se enriquece entre un 5 % y un 20 % y se utiliza en muchos diseños de pequeños reactores modulares (SMR por sus siglas en inglés). El uranio de bajo enriquecimiento fresco utilizado en reactores de investigación suele enriquecerse entre un 12 % y un 19.75 % de 235U; esta última concentración se usa para reemplazar los combustibles de uranio altamente enriqueci al convertirlos en uranio de bajo enriquecimiento.
Uranio de bajo enriquecimiento El uranio de bajo enriquecimiento (Low-enriched uranium LEU) tiene una concentración inferior al de 235U.
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 235U. No hay un riesgo directo de explosión. El LEU utilizado en reactores para investigación está enriquecido del 12% al 19,75% con 235U, siendo la concentración más alta para sustituir a los combustibles de alto enriquecimiento por los de bajo enriquecimiento.
Uranio ligeramente enriquecido El uranio ligeramente enriquecido (Slightly enriched uranium SEU) tiene una concentración de 235U entre 0.9 y .
Este nuevo nivel está siendo utilizado para sustituir el combustible de uranio natural en algunos reactores de agua pesada presurizada 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.
Métodos de enriquecimiento La separación de isótopos es una actividad difícil y que requiere intensa energía. Enriquecer uranio es difícil porque los dos isótopos son muy similares en peso: el 238U es solo un más pesado que el 235U. Se han utilizado varias técnicas para el enriquecimiento, y otras más están en fase de investigación. En general, estos métodos explotan las ligeras diferencias en el peso atómico de los varios isótopos. Se han realizado trabajos que usarían la resonancia magnética nuclear, aunque no se conoce si estos procesos han sido puestos en producción comercial.
Actualmente, existen dos métodos comerciales genéricos empleados internacionalmente para el enriquecimiento: la difusión gaseosa (conocida como de primera generación) y la centrifugación de gas (de segunda generación), que consume solo entre un 2 % y un 2.5 % de la energía que consume la difusión gaseosa.
Técnicas de difusión Difusión térmica