Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
Este artículo demuestra un método electroquímico eficiente y sin reactivos para la preparación de sal fundida de UCl₃-LiCl-KCl en una celda con fritas mediante el uso de un cátodo de bismuto, el cual logra con éxito altas eficiencias de corriente y un control preciso de la concentración sin introducir impurezas metálicas ni gases corrosivos.
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En la búsqueda de cómo alimentar el futuro, los científicos están mirando hacia atrás a un tipo específico de reactor nuclear que funciona con metal líquido en lugar de agua. Estas máquinas, conocidas como reactores rápidos refrigerados por sodio, ofrecen una forma de reutilizar el combustible nuclear gastado, convirtiendo lo que usualmente se considera residuo en un recurso. Sin embargo, para que este reciclaje funcione, los ingenieros deben separar las partes útiles del combustible de las partes inútiles. Este proceso, llamado piroprocesamiento, tiene lugar en un baño de sal fundida, que actúa como una esponja química líquida. Para que esta esponja funcione eficazmente, debe estar precargada con un compuesto químico específico llamado tricloruro de uranio. Tradicionalmente, fabricar este compuesto ha sido un negocio sucio y peligroso, que a menudo requiere gases tóxicos o metales pesados que pueden contaminar el producto final. El desafío ha sido encontrar una manera de crear este ingrediente esencial de forma limpia, segura y sin introducir nuevas impurezas en el delicado sistema.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Ingeniería de Harbin y el Instituto de Energía Atómica de China ha desarrollado un nuevo método para resolver este problema. En lugar de utilizar gases peligrosos o añadir químicos adicionales, construyeron una celda especial que utiliza electricidad para transformar directamente el metal de uranio sólido en el compuesto de sal requerido. La configuración está dividida en dos cámaras separadas por una barrera de vidrio poroso, similar a un tamiz muy fino. En una cámara, colocaron una pieza de metal de uranio sólido. En la otra, colocaron un estanque de bismuto líquido, un metal plateado que se funde a temperaturas relativamente bajas. Todo el sistema se llenó con una mezcla fundida de cloruro de litio y cloruro de potasio, calentada a una temperatura de 7 de 73 Kelvin, lo suficientemente caliente como para mantener la sal líquida pero no tanto como para que se evapore.
El proceso funciona mediante el paso de una corriente eléctrica a través del sistema. Cuando la corriente fluye, el uranio sólido en la primera cámara comienza a disolverse, liberando partículas de uranio cargadas en la sal fundida. Al mismo tiempo, la electricidad hace que el litio se forme en la segunda cámara. Si este litio se dejara solo, reaccionaría violentamente o simplemente flotaría lejos, arruinando el equilibrio. Para evitar esto, el bismuto líquido actúa como una esponja, absorbiendo el litio recién formado y bloqueándolo en una aleación estable. La barrera de vidrio poroso entre las dos cámaras desempeña un papel crítico; permite que los iones necesarios pasen para completar el circuito eléctrico, pero bloquea el uranio disuelto para que no se desplace hacia el otro lado, donde se desperdiciaría. Esta separación asegura que el uranio se mantenga exactamente donde se necesita, acumulándose en concentración dentro del baño de sal.
Los investigadores probaron este método realizando el experimento diez veces seguidas, utilizando dos niveles diferentes de corriente eléctrica. Encontraron que la concentración del compuesto de uranio en la sal aumentaba de manera constante y predecible con cada ejecución. Al final de la serie, la sal contenía casi un 12,5 por ciento del compuesto deseado, un nivel que es suficiente para uso industrial. El proceso fue notablemente eficiente, convirtiendo más del 95 por ciento de la energía eléctrica en el producto químico deseado. Crucialmente, el equipo confirmó que el bismuto estaba capturando con éxito el litio. Al examinar el bismuto después del experimento, encontraron que había adquirido un color púrpura distintivo, una señal de que un nuevo compuesto químico se había formado dentro de él. Un análisis posterior reveló que el bismuto y el litio se habían unido, de hecho, en un enlace, demostrando que el metal líquido estaba haciendo exactamente lo que debía hacer: sujetar el litio para que no escape.
Este nuevo enfoque ofrece una mejora significativa respecto a los métodos anteriores. Las técnicas previas a menudo dependían del cadmio, un metal pesado tóxico, o de gases corrosivos que podían dañar el equipo y dejar atrás impurezas no deseadas. Al utilizar electricidad y una esponja de metal líquido, este método no requiere químicos externos para impulsar la reacción. La cantidad de compuesto de uranio producido se controla simplemente mediante la cantidad de electricidad que se hace pasar por el sistema, lo que permite una gestión precisa del producto final. Aunque la barrera porosa añadió una pequeña resistencia, requiriendo un poco más de potencia para hacer funcionar el sistema, la compensación valió la pena por la pureza y la seguridad del resultado. El estudio demuestra que es posible crear los ingredientes esenciales para el reciclaje de combustible nuclear utilizando un proceso electroquímico limpio y autocontenido, allanando el camino para sistemas de energía nuclear más eficientes y seguros.
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