Calificación CFD del efecto separador isotópico [6Li/7Li] de un serpentín helicoidal en régimen híbrido molecular-viscoso

Abstract

El Litio aparece en la naturaleza en dos formas isotópicas mayoritariamente abundantes: 7.5% de fracción atómica como 6Li con y el 7Li en un 92.5%. La reacción de captura n(63Li, 42He)31H es la reacción más eficiente en la naturaleza para producir tritio [31H]. El tritio representa un combustible no-primigenio a producirse y gestionarse en ciclo cerrado para la primera generación de reactores de fusión nuclear como ITER. Así, el isótopo 6Li tiene interés en desarrollos clave de la Tecnología Nuclear de Fusión en su camino de demostración como opción energética. Las demandas de producción6Li a escala en el llamado Mercado de Industria de la Ciencia como material base de diseño de dispositivos justifican el interés industrial de este TFM. El 6Li como producto resultante del proceso de separación tiene un mercado particular, identificado y no cubierto a escala de demanda, de aproximadamente 1 Tn en ITER0, y cerca de 50 Tn para cada reactor DEMO0 futuro. Las técnicas de producción de 6Li son bastante conocidas y han sido establecidas a escala de laboratorio30-41-42-43-46-49-50-51-52-53, existiendo técnicas de eficiencia demostrada al 100% aunque de imposible escalabilidad industrial a costes justificables. Un ejemplo son las técnicas láser (AVLIS: “Atomic Vapor Laser Isotope Separation”) o en haz deflectado: “Accelerator in beam”. Existen algunas técnicas químicas57 basadas en el uso de resinas iónicas de intercambio y amalgamas (OREX/COLEX) que han sido ya demostradas en el pasado, que son dudosamente escalables y del todo inaceptables desde un punto de vista medio ambiental lo que indujo con anterioridad a su descarte. Las técnicas electroforéticas basadas en la utilización de membranas iónicas súperconductoras en electrolitos litiados para separar mediante electromigración no están aún demostradas como viables para trabajar con litio, presentando diversas limitaciones técnicas y serias dudas de su escalabilidad industrial por lo que a consumos nominales de planta se refiere. La centrifugación en fase vapor, la destilación de alta temperatura o una posible combinación de ambas; aparecen prospectivamente como técnicas robustas y bien fundamentadas en principios físicos demostrados y escalables industrialmente vía sencillos modelos de unidades repetidas en planta. Este TFM del Máster de Ingeniería Energética (MIE) de la Universidad de Oviedo pretende: 1) Generar y proponer un diseño optimizado y un nuevo proceso para una Celda / Unidad Prototípica de producción de 6Li, por separación 6Li/7Li en fase vapor del Litio natural sobre la base de diseño de un serpentín helicoidal en régimen optimizado molecular-viscoso. 2) Aproximar mediante una simulación numérica (CFD) la eficiencia nominal para la separación 6Li, 7Li en fase vapor para su posterior escalamiento industrial. Se anticipan los desarrollos necesarios de continuidad del Proyecto hacia la construcción de la Unidad Experimental de Demostración prototípica como parte del Trabajo a desarrollar en una posible Tesis Doctoral futura. Por otro lado, el conjunto de especificaciones de un serpentín centrifugador - destilador pueden dar lugar a una patente de gran valor industrial