¿Cómo se enriquece el uranio para fabricar bombas?

El uranio enriquecido es uranio con un alto porcentaje del isótopo U-235, que solo representa alrededor del 0,72% del uranio natural. El uranio normal se conoce como U-238, donde el número significa la cantidad de nucleones (protones y neutrones) en su núcleo atómico. El U-235 tiene una cantidad desigual de protones y neutrones, lo que lo hace ligeramente inestable y susceptible a la fisión (división) de los neutrones térmicos. Hacer que el proceso de fisión proceda como una reacción en cadena es la base de la energía nuclear y las armas nucleares.

Debido a que U-235 tiene propiedades químicas idénticas al uranio normal y es solo 1.26% más liviano, separar los dos puede ser un gran desafío. Los procesos suelen ser bastante intensivos en energía y costosos, por lo que hasta ahora solo unos pocos países han podido lograr una escala industrial. Para hacer uranio de grado reactor, se requieren porcentajes de U-235 de 3-4%, mientras que el uranio de grado de armas debe consistir en 90% de U-235 o más. Existen al menos nueve técnicas para la separación de uranio, aunque algunas definitivamente funcionan mejor que otras.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos, cuando los investigadores buscaban por primera vez la separación de isótopos, se utilizaron una serie de técnicas. La primera etapa consistió en difusión térmica. Al introducir un gradiente de temperatura delgado, los científicos podrían atraer partículas más ligeras de U-235 hacia una región de calor, y moléculas más pesadas de U-238 hacia una región más fría. Esto fue solo la preparación del material de alimentación para la siguiente etapa, la separación de isótopos electromagnéticos.

La separación de isótopos electromagnéticos implica vaporizar uranio y luego ionizarlo para producir iones con carga positiva. El uranio ionizado se aceleró luego doblado por un fuerte campo magnético. Los átomos U-235 más ligeros se desviaron un poco más, mientras que los átomos U-238 un poco menos. Al repetir este proceso muchas veces, el uranio podría enriquecerse. Esta técnica se utilizó para fabricar parte del uranio enriquecido para la bomba Little Boy, que destruyó Hiroshima.

Durante la Guerra Fría, se abandonó la separación de isótopos electromagnéticos en favor de la técnica de enriquecimiento por difusión gaseosa. Este enfoque empujó el gas hexafluoruro de uranio a través de una membrana semipermeable, que separó ligeramente los dos isótopos el uno del otro. Al igual que la técnica anterior, este proceso habría tenido que realizarse muchas veces para aislar una cantidad sustancial de U-235.

Las técnicas modernas de enriquecimiento utilizan centrifugadoras. Los átomos más ligeros de U-235 empujaron ligeramente hacia las paredes exteriores de las centrífugas, concentrándolas donde puedan extraerse. Como todas las otras técnicas, debe realizarse muchas veces para que funcione. Los sistemas completos que purifican el uranio de esta manera utilizan muchas centrífugas y se denominan cascadas centrífugas. La centrífuga Zippe es una variante más avanzada de la centrífuga tradicional que utiliza calor y fuerza centrífuga para separar el isótopo.

Otras técnicas de separación de uranio incluyen procesos aerodinámicos, varios métodos de separación por láser, separación por plasma y una técnica química, que aprovecha una diferencia muy leve en la propensión de los dos isótopos a cambiar la valencia en las reacciones de oxidación / reducción.