A Separação de Isótopos por Excitação a Laser (SILEX, na sigla em inglês) é um processo experimental utilizado para produção de urânio enriquecido. O processo utiliza a repressão de condensação por laser para excitar um modo vibracional do isótopo de 235U, presente no hexafluoreto de urânio (UF6) gasoso. Isso permite que a molécula com este isótopo, mais leve que a molécula contendo seu isótopo 238U, se mova mais rapidamente para a borda externa de um jato gasoso, evitando que seja condensado. Esse processo difere significativamente dos métodos anteriores de enriquecimento a laser explorados por suas perspectivas comerciais: a separação de isótopos por laser em vapor atômico (AVLIS), que utiliza urânio atômico, e a separação molecular de isótopos por laser (MLIS), método molecular que utiliza lasers para dissociar um átomo de flúor do UF6, permitindo que o produto enriquecido precipite como um sólido.
Embora a empresa australiana Silex Systems Limited seja a principal desenvolvedora dessa tecnologia (por meio do consórcio Global Laser Enrichment), o acrônimo SILEX refere-se a um conceito de separação física baseado na repressão de condensação, sendo este um processo amplamente conhecido que está sendo desenvolvido ou aplicado em diversos projetos ao redor do mundo. Embora processos do tipo SILEX possam apresentar pequenas variações em seus parâmetros operacionais, na configuração dos equipamentos ou no tipo de laser utilizado (podendo receber outras denominações), o conceito fundamental de separação física permanece o mesmo desde que utilize a repressão de condensação, diferenciando-se claramente dos métodos empregados no AVLIS ou MLIS.
História Na década de 1970 foi iniciado o desenvolvimento de variações de processos de separação de isótopos via laser de precisão molecular (MLIS). Dentre os processos físicos mais bem sucedidos está o laser infravermelho, o qual excita por vibrações apenas um dos isótopos de um gás de hexafluoreto de urânio. Isso requer um comprimento de onda próximo de 16 micrômetros (μm). Inicia-se com a forma tradicional de separação de isótopos por laser molecular (MLIS), então segue a excitação das moléculas até a fotólise, quando então ocorre a cristalização como pentafluoreto de urânio-235.
Na época, grandes expectativas foram criadas por este processo de separação de isótopos por laser. Porém, perto da década de 1990, as pesquisas foram relativizadas principalmente por terem chegado em um ponto do qual o avanço necessitava de trabalho extenso e com resultados de pesquisa e desenvolvimento incertos, em comparação com os resultados apresentados pelas centrífugas de gás - outro tipo de processo, que havia atingido a maturidade tecnológica. Todavia, a Austrália continuou pesquisando na chamada técnica SILEX.
Em novembro de 1996, a Silex Systems Limited licenciou sua tecnologia exclusivamente para a Corporação de Enriquecimento dos Estados Unidos (USEC), para o enriquecimento de urânio. Em 1999, Estados Unidos da América e Austrália assinaram um tratado internacional de cooperação de pesquisa e desenvolvimento da técnica SILEX.“Agreement for Cooperation between the Government of Australia and the Government of the United States of America concerning Technology for the Separation of Isotopes of Uranium by Laser Excitation (SILEX Agreement), Agreed Minute and Exchange of Notes (Washington, 28 October 1999). ATS 19 of 2000” . Australasian Legal Information Institute, Australian Treaties Library. Retrieved on 15 April 2017. Contudo, em 2003, a USEC retirou-se do projeto.
Em 2005 a Silex Sistemas concluiu o segundo estágio de testes e começou o programa de testes de repetição automáticos. Em 2007, a Silex Sistemas assinou um acordo de comercialização e licença exclusiva com a Corporação de Elétrica Geral (GE - General Electric Corporation), transferindo seu programa de testes de repetição para a fábrica da GE em Wilmington, na Carolina do Norte. Ainda naquele ano, a Energia Nuclear Geral Hitachi (GE Hitachi Nuclear Energy) assinou cartas de intenção para serviços de enriquecimento de urânio com a Exelon e Entergy - duas das maiores empresas concessionárias de energia nuclear nos Estados Unidos da América.
Em 2008, a GEH desmembrou-se da GLE (Global Laser Enrichment) para comercializar a SILEX Tecnologias, e anunciou o potencialmente primeiro urânio enriquecido em fábricas usando o procedimento Silex. A NRC (Comissão Nuclear Regulatória dos Estados Unidos) aprovou a emenda da licença, permitindo que a GLE operasse os testes em repetição automática. E ainda em 2008, a Corporação Cameco (Cameco Corporation), do Canadá - maior produtora de urânio do mundo, juntou-se à GE e a Hitachi, como parte proprietária da GLE.
Porém, em 2010, foram levantadas preocupações de que os processos SILEX são uma ameaça à segurança global.
Entre 2011 e 2012, a GLE requereu e recebeu permissão para construir uma planta comercial de enriquecimento em Wilmington.Nuclear Regulatory Commission announcement |date=2012-09-19| http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML1226/ML12263A046.pdf A planta iria enriquecer urânio até 8% do 235U - o limite superior de urânio de baixo enriquecimento.
Já em 2014, ambas GLE e Silex Sistemas se reestruturaram, com a Silex cortando metade da sua força de trabalho. E, em 2016, a GEH retirou-se da GLE, cortando o seu investimento àquelas companhias.
Ainda em 2016, o departamento de energia dos Estados Unidos concordou em vender aproximadamente 300.000 (trezentas mil) toneladas de hexafluoreto de urânio esgotado para a GLE para re-enriquecimento (de 0,35% a 0,7% do isótopo 235) usando processo SILEX ao longo de 40 anos, como proposto pela Fábrica de Enriquecimento por Laser de Kentucky, de Paducah.
Contudo, em 2018 a Silex Sistemas abandonou seus planos para a GLE, com a intenção de repatriar a tecnologia SILEX de volta para a Austrália.
Em 2021, a Silex Sistemas pegou o controle majoritário, 51% do capital da GLE, restando os demais 49% para a Cameco. Sob um acordo entre GLE e o departamento de energia dos Estados Unidos, a GLE vai re-enriquecer a níveis naturais algumas centenas de quilotoneladas de urânio empobrecido na sequência da planta de enriquecimento de Paducah, usando difusão gasosa. Essa planta operou em Paducah até 2013, e a GLE planeja construir sua nova planta no mesmo local.Silex gets go ahead to enrich stockpiles to enrich uranium, AuManufacturing, 19 Jan 2021.
Processo miniaturadaimagem|Espectro de absorção no infravermelho dos dois isótopos de UF6 a 300 e 80K. miniaturadaimagem|Esquema de um estágio de uma planta de separação isotópica para enriquecimento a laser de urânio. Um laser infravermelho com comprimento de onda de aproximadamente 16 μm irradia, a uma alta taxa de repetição, uma mistura de UF6 e gás de arraste, a qual flui em velocidade supersônica para fora de um bocal de Laval. O composto excitado afasta-se do eixo do feixe molecular mais rapidamente do que o fluxo de moléculas não excitadas, o qual é separado por um bocal separador. O comprimento de onda fundamental de vibração do UF6 gasoso é de aproximadamente 16 μm. Em temperatura ambiente, sua largura (de aproximadamente 20 cm-1) é muito maior que o deslocamento isotópico (de 0,6 cm-1). O alargamento da banda ocorre devido a estados excitados rotacionais e vibracionais termicamente populados. Para possibilitar a excitação seletiva, o UF6 gasoso é diluído cerca de 100 vezes em um gás de arraste (argônio ou nitrogênio) e resfriado a aproximadamente 80K por meio de expansão adiabática, através de um bocal em direção ao vácuo. Inicialmente, ainda ocorrem colisões (que são necessárias para o resfriamento). Porém, após percorrerem uma distância de cerca de 10 diâmetros do bocal, devido à expansão, as colisões entre moléculas tornam-se raras e a condensação ocorre mais, o que é necessário para suprimir qualquer transferência de energia por colisão entre os isótopos. Esse método de feixe molecular é utilizado em todos os casos nos quais o estreitamento espectral é necessário para a excitação seletiva.
Com o processo SILEX, a pressão utilizada e o diâmetro do bocal são escolhidos de forma a serem grandes o suficiente para fornecer um número suficiente de colisões imediatamente após o bocal, permitindo a formação de aglomerados de UF6 com o gás de arraste G (aglomerados de duas moléculas de UF6 praticamente não se formam, devido à concentração muito menor de UF6 em comparação com o gás de arraste). Se a molécula 235UF6 for excitada seletivamente a 628,3 cm-1, essa molécula não forma aglomerado com G, enquanto o 238UF6, por ser mais pesado e não excitado, se agrega. Devido à sua maior velocidade térmica (por serem mais leves) as moléculas livres (235UF6) deixam o eixo do feixe molecular mais rapidamente do que os aglomerados. As moléculas livres são, portanto, enriquecidas na fração transmitida por um bocal separador (skimmer) a jusante, enquanto a fração não transmitida é enriquecida em (235UF6). O fator de enriquecimento é tanto melhor quanto maior for a fração transmitida (ou seja, quanto menor for o empobrecimento e menor for a fração de corte). Isto significa que o SILEX utiliza um bocal de separação modificado por um laser, beneficiando-se da repressão seletiva da formação de aglomerados ("condensação").
Para isso, o laser de CO2 precisa de pelo menos 20 MW. Com um desvio no Raman de 354,3 cm-1, e um número de onda do laser de CO2 de 982,1 cm-1 (linha 10R30), obtém-se 627,8 cm-1. Este valor está apenas próximo do ramo Q do 235UF6 (centrado em 628,3 cm-1, com largura de 0,01 cm-1 ) e está ainda mais próximo do ramo Q do 238UF6. A Global Laser Enrichment (GLE) não informa como realiza o ajuste fino necessário. Lasers de CO2 de alta pressão causariam problemas adicionais com a taxa de repetição de pulso. Com lasers de CO2 comuns (à pressão atmosférica) e com o Raman shifter estimulado, o estado da arte da tecnologia é de 2 a 4 kHz. Para não deixar grandes partes do feixe molecular sem irradiação, são necessários pelo menos 20 kHz (de acordo com a Urenco, várias dezenas de kHz ), a menos que sejam utilizados bocais pulsados. Os próprios bocais devem ter a forma de fenda para fornecer comprimento de absorção suficiente.
A GLE informa que atinge fatores de separação entre 2 e 20, estando os valores mais altos provavelmente acoplados a um empobrecimento pior. Estes valores são suficientes para o enriquecimento a partir do urânio natural (0,72% de 235UF6) até o grau de reator (3 a 5% de 235UF6). Os trabalhos pioneiros do grupo de van den Bergh obtiveram apenas enriquecimentos muito menores utilizando SF6.
Utilizando outros lasers com comprimentos de onda adequados, o método SILEX também pode ser usado para o enriquecimento isotópico de outros elementos, como cloro, molibdênio, carbono e silício.
Preocupações com a Proliferação Comparado com as tecnologias de enriquecimento atual, SILEX obtém um enriquecimento superior. Com ela, menos estágios são necessários para atingir urânio como armamento bélico (>90% isótopo 235U). De acordo com a GLE, cada estágio requer menos de, ou exatamente, 25% do espaço físico necessário para operar, em comparação com os métodos convencionais. Essa questão de requerer apenas um quarto da área convencional permitiria que governos de Estados considerados párias à uma Ordem de Paz Mundial, ou simplesmente contrários a acordos de não proliferação de armas nucleares, pudessem esconder com mais facilidade usinas dedicadas à produção de urânio como armamento bélico. Ainda segundo a GLE, a atratividade destas tecnologias SILEX para este desvio é tal, que plantas industriais são mais fáceis e baratas de construir, enquanto consomem consideravelmente menos energia. Cientistas têm, todavia, asseverado reiteradamente preocupações expressas que as SILEX possam facilitar a criação de armas nucleares.
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