Proceso de separación por vórtices de Helikon

El proceso de separación por vórtice Helikon es un proceso aerodinámico de enriquecimiento de uranio diseñado en torno a un dispositivo llamado tubo de vórtice . Paul Dirac pensó en la idea de la separación de isótopos y trató de crear un dispositivo de este tipo en 1934 en el laboratorio de Peter Kapitza en Cambridge. ^{[ 1 ]} Otros métodos de separación eran más prácticos en ese momento, pero este método fue diseñado y utilizado en Sudáfrica para producir combustible de reactor con un contenido de uranio-235 de alrededor del 3-5%, y uranio enriquecido al 80-93% para su uso en armas nucleares . La Uranium Enrichment Corporation of South Africa, Ltd. (UCOR) desarrolló el proceso, operando una instalación en Pelindaba (conocida como la planta 'Y') para producir cientos de kilogramos de HEU . Los procesos de enriquecimiento aerodinámico requieren grandes cantidades de electricidad y generalmente no se consideran económicamente competitivos debido al alto consumo de energía y los requisitos sustanciales para la eliminación del calor residual . Hay otras formas en las que es ventajoso, por ejemplo En simplicidad, no se requiere precisión, incluso si es más caro. La planta de enriquecimiento sudafricana fue clausurada el 1 de febrero de 1990. ^{[ 2 ] : 103}

En el proceso de separación por vórtice, se inyecta tangencialmente una mezcla de hexafluoruro de uranio e hidrógeno en un tubo por uno de sus extremos a través de boquillas u orificios, a velocidades cercanas a la del sonido . El tubo se estrecha hasta una pequeña abertura de salida en uno o ambos extremos. Esta inyección tangencial de gas genera un movimiento espiral o de vórtice dentro del tubo, y dos corrientes de gas se extraen por los extremos opuestos del tubo; la fuerza centrífuga proporciona la separación isotópica . El flujo espiral se atenúa aguas abajo de la entrada de alimentación debido a la fricción en la pared del tubo. Por consiguiente, el diámetro interior del tubo suele ser cónico para reducir la atenuación de la velocidad del flujo espiral. Este proceso se caracteriza por un elemento separador con una relación de corte de etapa muy pequeña (la relación entre el flujo de producto y el flujo de alimentación) de aproximadamente 1/20, y altas presiones de operación.

Debido a la extrema complejidad de las tuberías necesarias para conectar las etapas, el diseño se desarrolló en una técnica de diseño en cascada (denominada Helikon), en la que 20 etapas de separación se combinan en un módulo, y todas las 20 etapas comparten un par común de compresores de flujo axial . Un requisito fundamental para el éxito de este método es que los compresores de flujo axial transmitan con éxito corrientes paralelas de diferentes composiciones isotópicas sin una mezcla significativa. Un módulo Helikon típico consta de un gran recipiente cilíndrico de acero que alberga los 20 conjuntos de separadores, junto con dos compresores (uno montado en cada extremo) y dos intercambiadores de calor refrigerados por agua .

Las ventajas de este proceso radican en la ausencia de problemas de criticidad debido a la alta dilución de la materia prima y su idoneidad para el procesamiento por lotes. Esto significa que las plantas tipo Helikon pueden ser relativamente pequeñas, lo que convierte a esta tecnología en una preocupación en materia de proliferación nuclear .

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• Proceso aerodinámico para el enriquecimiento de uranio
• Tecnologías de enriquecimiento de uranio: implicaciones para la proliferación
• El programa de armas nucleares de Sudáfrica en los archivos web de la Biblioteca del Congreso (archivado el 27 de septiembre de 2001).
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