Proceso COLEX - COLEX process
El proceso COLEX (o separación COLEX ) es un método químico de separación isotópica de litio-6 y litio-7 , basado en el uso de mercurio . COLEX significa intercambio de columnas.
Desde el comienzo de la era atómica , se han desarrollado una variedad de métodos de enriquecimiento de litio (como intercambio químico, electromagnético, láser, centrífugo) y el proceso COLEX ha sido el método más implementado hasta ahora.
Desarrollo temprano
En los EE. UU., Se han investigado varios métodos de intercambio químico para la separación de isótopos de litio en las décadas de 1930 y 1940 para desarrollar un proceso para la producción de litio-6, de modo que se pueda obtener tritio para la investigación de armas termonucleares.
El sistema finalmente seleccionado fue el proceso COLEX, con hidróxido de litio acuoso (LiOH) en contacto con amalgama de litio-mercurio. Este proceso se utilizó inicialmente en los EE. UU. Entre 1955 y 1963 en la planta Y12 en Oak Ridge, Tennessee. Las plantas de COLEX en Oak Ridge tuvieron un comienzo muy difícil en 1955 con problemas importantes en esta tecnología completamente nueva, complicada y potencialmente peligrosa. Las reservas de litio-6 y litio-7 de ese período han estado disponibles hasta hace poco para satisfacer la relativamente pequeña demanda nacional y mundial.
Desde entonces, debido a preocupaciones ambientales, Estados Unidos detuvo las operaciones de enriquecimiento de litio en 1963.
Sudáfrica también construyó una planta piloto utilizando el método COLEX para producir litio-6 para su programa de armas nucleares en la década de 1970.
Isótopos y usos del litio
El litio natural contiene aproximadamente un 7,5% de litio-6 ( 6
3Li ), siendo el resto litio-7 (7
3Li ).
Litio natural
El litio de origen natural tiene muchos usos industriales no nucleares, que van desde baterías de iones de litio , cerámica, lubricantes y vidrio.
A principios del siglo XXI, el aumento constante de la producción mundial de litio se ve estimulado principalmente por la demanda de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos .
Las aplicaciones nucleares del litio requieren cantidades anuales relativamente pequeñas de litio, en forma de litio-6 y litio-7 enriquecidos.
Litio-6
El litio-6 es valioso como material fuente para la producción de tritio y como absorbedor de neutrones en reacciones de fusión nuclear.
El litio-6 enriquecido se utiliza como refuerzo de neutrones en bombas termonucleares y será un componente clave en los módulos de reproducción de tritio (enriquecimiento necesario del 7,5% al 30% -90%) de los futuros reactores de fusión basados en el confinamiento de plasma.
La separación del litio-6 ya ha cesado en las grandes potencias termonucleares (en particular, EE. UU., Rusia, China), pero siguen existiendo existencias en estos países.
Litio-7
El litio-7 altamente enriquecido (más del 99%) se usa como refrigerante en reactores de sales fundidas (MSR) y como estabilizador de pH en reactores de agua a presión (PWR).
Principio de funcionamiento
El litio-6 tiene una mayor afinidad que el litio-7 por el elemento mercurio. Cuando se agrega una amalgama de litio y mercurio a hidróxido de litio acuoso, el litio-6 se vuelve más concentrado en la amalgama y el litio-7 más en la solución de hidróxido.
El método de separación COLEX hace uso de esto haciendo pasar un contraflujo de amalgama de litio-mercurio que fluye hacia abajo e hidróxido de litio acuoso que fluye hacia arriba a través de una cascada de etapas. La fracción de litio-6 es drenada preferentemente por el mercurio, pero el litio-7 fluye principalmente con el hidróxido. En la parte inferior de la columna, el litio (enriquecido con litio-6) se separa de la amalgama y el mercurio se recupera para ser reutilizado en el proceso. En la parte superior, la solución de hidróxido de litio se electroliza para liberar la fracción de litio-7.
El enriquecimiento obtenido con este método varía con la longitud de la columna, la velocidad de flujo y la temperatura de funcionamiento.
Ventajas y desventajas
Desde un punto de vista técnico y económico, la separación COLEX ha sido hasta ahora el único método que permite la producción a escala industrial de litio enriquecido a costos mínimos. La tecnología está madura y ha cambiado poco desde su desarrollo en las décadas de 1950 y 1960.
El método no está exento de una serie de inconvenientes, los principales de los cuales son:
- toxicidad y grandes cantidades de mercurio, participando en el proceso
- Tendencia de la amalgama a la descomposición en soluciones acuosas.
- formación de desechos peligrosos que contienen mercurio
- alto consumo de energía
La tecnología tiene implicaciones ambientales potencialmente desastrosas. Se requiere una cantidad significativa de mercurio (se utilizaron 24 millones de libras en los EE. UU. Entre 1955 y 1963) y existen muchas oportunidades de fugas al medio ambiente. La limpieza sigue siendo extremadamente difícil y costosa.
A pesar de las preocupaciones ambientales y de salud asociadas con los procesos basados en mercurio, todavía se están realizando algunas investigaciones sobre la separación del COLEX junto con métodos de enriquecimiento de litio más limpios.
Instalaciones de separación COLEX en el mundo
Hoy en día, parece que China es el único país del mundo que emplea oficialmente el proceso COLEX para enriquecer litio. Debido a preocupaciones ambientales y una demanda relativamente baja de litio enriquecido, el uso adicional del proceso COLEX está oficialmente prohibido en los EE. UU. Desde 1963, lo que fortalece el control casi unánime de China sobre el mercado de litio enriquecido, seguido de Rusia.
Las capacidades de enriquecimiento de Rusia se centran en la producción de litio-7 por electrólisis de una solución acuosa de cloruro de litio utilizando un cátodo de mercurio, que por lo tanto es diferente del proceso COLEX.
Aunque la industria nuclear estadounidense depende en gran medida del litio enriquecido en China y Rusia, las preocupaciones ecológicas del proceso pueden impedir el uso doméstico futuro a escala industrial.
Sin embargo, con el auge de la investigación en el área general de tecnología de reactores de fusión (ITER, DEMO) ha habido un renovado interés durante la última década en mejores procesos para la separación de 6 L- 7 Li, especialmente en Japón y Estados Unidos.
Se estima que Corea del Norte ha obtenido los medios para construir una planta de enriquecimiento de litio-6 basada en la separación COLEX.
En la actualidad, no existen instalaciones a escala industrial que puedan satisfacer los requisitos futuros de las centrales eléctricas de fusión comerciales.