Centrifugadoras utilizadas en el enriquecimiento de uranio

Para separar los isótopos de uranio en la preparación del combustible para las centrales nucleares y el material para las bombas atómicas se pueden utilizar diversas técnicas, entre las que se encuentran la difusión térmica, la difusión gaseosa, la centrifugación de gas, la centrifugadora Zippe, el enriquecimiento aerodinámico, la separación electromagnética, el método laser, los métodos químicos y la separación de plasma.

La centrifugadora Zippe fue desarrollado en la Unión Soviética por un equipo de científicos alemanes tras la Segunda Guerra Mundial. Debe su nombre al del científico jefe del proyecto, Gernot Zippe.

Centrifugadora iraní.

El uranio natural consta de dos isótopos, el mayoritario es el U-238, con una abundancia relativa del 99,3%, mientras el U-235, el isótopo fisible, está presente en un 0,3%. Si el uranio natural se enriquece hasta un 5% de U-235, puede usarse como combustible para reactores nucleares de fisión de agua ligera. Con una concentración de U-235 por encima del 80% se utiliza para la fabricación de armas nucleares.

Esquema de una centrifugadora Zippe.

El enriquecimiento de uranio es muy dificultoso, ya que ambos isótopos tienen masas muy parecidas, de forma que el U-235 es sólo un 1,26% más ligero que el U-238. Se necesita una centrifugadora que gire a 1.500 revoluciones por segundo (90.000 rpm). Estas centrifugadoras tienen un rotor hueco lleno de uranio gaseoso, en forma de hexafluoruro de uranio, UF6 (Punto de ebullición de 56,5 ºC). Un campo magnético pulsante hace girar rápidamente el motor eléctrico que lleva unido el tambor, de forma que el U-238 es lanzado hacia la parte exterior, mientras que el U-235, más ligero, se acumula en la parte central. La parte inferior se calienta, creando corrientes de convección que lanzan el U-235 hacia arriba, donde se recoge, y el U-238 se acumula en la parte de abajo.

Empresas suministradoras para la fabricación de las centrifugadoras libias.

Para reducir la fricción, el rotor gira en el vacío. Un cojinete magnético mantiene la parte superior del rotor en su sitio, y el único contacto físico es un cojinete del tipo de aguja, sobre el que se apoya el rotor. Proceso de enriquecimiento en una cascada de centrifugadoras de gas.

A partir de 1956 Gernot Zippe trabajó en la Universidad de Virginia y más tarde, en los años 1960, en Europa, en donde mejoró el diseño al cambiar el material del rotor, de aluminio a acero maraging (Acero con un alto contenido de Níquel), lo cual permitió mayores velocidades de giro. Este diseño mejorado fue utilizado por la compañía Urenco para producir uranio enriquecido para uso civil.

Conexiones de las centrifugadoras de gas dentro de una cascada.

Los detalles exactos de diseño de las centrifugadoras Zippe son secretos celosamente guardados. El rendimiento de estas centrifugadoras puede mejorarse haciéndolas funcionar más tiempo y a mayores velocidades. Para conseguir esto, se usan materiales más resistentes como la fibra de carbono y materiales compuestos reforzados, además de técnicas que disminuyen las vibraciones potencialmente peligrosas, como el uso de rotores tipo fuelle para permitir una flexión controlada del rotor, además de un control estricto de la velocidad de rotación para asegurarse que la centrifugadora no funciona durante mucho tiempo a velocidades donde la resonancia puede ser un problema.

Las centrifugadoras Zippe son bastante difíciles de construir, y se necesitan componentes cuidadosamente mecanizados.

Los sistemas de centrifugadoras en cascada, al contrario que las plantas de difusión gaseosa, contienen poca cantidad de uranio en su interior en cada momento. Estas centrifugadoras consumen mucha menos energía que el sistema de difusión gaseosa, utilizado anteriormente para enriquecer uranio. Por esta razón, muchos países que aspiran, o han aspirado, a tener capacidad nuclear, como Libia, Irak, Irán, etc, han construido centrifugadoras de gas.