Uranio arricchito

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La miscela di isotopi del metallo attinide uranio, nota come uranio arricchito, differisce dall' uranio nativo estratto dalle miniere, perché il contenuto di uranio-235 é stato incrementato attraverso il processo di separazione degli isotopi. L'uranio nativo consiste principalmente dell'isotopo²³⁸U, con una percentuale di circa 0.72 % in peso come ²³⁵U, l'unico isotopo esistente in natura in quantità apprezzabili che possa essere sottoposto a fissione nucleare innescata da neutroni termici.

Questi grafici mostrano le proporzioni relative di uranio-238 (blu) ed uranio-235 (rosso) a diversi livelli di arricchimento.

[modifica] Introduzione

L'uranio arricchito è un componente indispensabile sia per la generazione di energia nucleare che per le armi nucleari. La International Atomic Energy Agency é un agenzia internazionale col compito di monitorare e controllare le forniture di uranio arricchito ed i processi correlati nello sforzo di assicurare la sicurezza della produzione di energia nucleare a livello mondiale ed al contempo mitigare la diffusione di tecnologie, materiali ed attrezzature che possano consentire la costruzione di armi nucleari (proliferazione nucleare).

Durante il Progetto Manhattan all'uranio arricchito venne dato il nome in codice oralloy, una versione abbreviata di Oak Ridge alloy, con riferimento alla ubicazione degli impianti dove l'uranio veniva arricchito. Il termine oralloy viene occasionalmente utilizzato per riferirsi all' uranio arricchito.

L'isotopo ²³⁸U che rimane dopo l'arricchimento dell'uranio ed il processamento nei reattori nucleari é noto come uranio impoverito (in inglese "Depleted Uranium" o DU), ed é considerevolmente meno radioattivo anche rispetto all'uranio naturale, anche se è ancora estremamente denso e difficile da penetrare dai proiettili di cannone (anche dai moderni ASPDF a sabot). Correntemente viene impiegato nei carri armati (come il tank M1 Abrams), nel nucleo dei proiettili penetranti la corazza, ed altre applicazioni che richiedono metalli molto densi (con capacità di trasferire grandi quantità di energia cinetica ad una superficie molto piccola, incrementando così di molto l'attrito e trasformando la decelerazione in calore che fonde l'acciaio).

[modifica] Gradi

[modifica] Uranio altamente arricchito (HEU, Highly enriched uranium)

Un gettone di piombo contenente uranio altamente arricchito

L' uranio altamente arricchito ha una concentrazione dell'isotopo ²³⁵U o di ²³³U superiore al 20%.

L'uranio fissile presente nelle armi nucleari abitualmente contiene circa il 85% o più di ²³⁵U, ed è noto come uranio a gradazione per le armi (weapon-grade), anche se basta circa un 20% di arricchimento per un costruire un'arma arma nucleare cruda, molto inefficiente (noto come weapon-usable); alcuni argomentano che anche molto meno sia sufficiente, ma in tal caso la massa critica richiesta aumenta rapidamente. Comunque, l'utilizzo sapiente dell'implosione e dei riflettori di neutroni, può permettere la costruzione di un' arma con un quantitativo di uranio minore rispetto alla abituale massa critica per il suo livello di arricchimento, anche se questo potrebbe avvenire più probabilmente in un paese che già possiede estensiva esperienza nello sviluppo di armi nucleari. La presenza di un eccesso dell'isotopo ²³⁸U inibisce il decorso della reazione nucleare a catena che é determinante nel fornire potenza all'arma. La massa critica per un "core" di uranio altamente arricchito (al 85%) é di circa 50 chilogrammi.

L'uranio altamente arricchito (HEU) viene impiegato anche nel reattore a neutroni veloci così come pure nei reattori dei sommergibili nucleari, dove viene arricchito a livelli del di 50% ²³⁵U, anche se tipicamente eccede il 90%. Il primo reattore veloce commerciale (Fermi-1) utilizzava HEU arricchito, contenente il 26.5% di ²³⁵U.

[modifica] Uranio a basso arricchimento (LEU, Low-enriched uranium)

Un contenitore di Yellowcake (ossido d'uranio)

La miscela d'isotopi nota come uranio a basso arricchimento (in inglese Low-enriched uranium (LEU)) ha una concentrazione di ²³⁵U minore al 20%. Destinata all'utilizzo nel reattore nucleare ad acqua leggera commerciale (Liquid Water Reactor, LWR), il tipo più comune di reattori di potenza nel mondo, l'uranio viene arricchito ad una concentrazione tra il 3% ed il 5% di ²³⁵U. La miscela LEU "fresca" impiegata in molti tipi di reattore nucleare di ricerca, è abitualmente arricchita con concentrazioni di U-235 dal 12% al 19.75%, ed attualmente il secondo livello di concentrazione stà sostituendo i combustibili HEU quando gradualmente si passa ai LEU.

[modifica] Uranio lievemente arricchito (SEU, Slightly enriched uranium)

La miscela d'isotopi nota come uranio lievemente arricchito (in inglese Slightly enriched uranium (SEU)) ha una concentrazione di ²³⁵U tra lo 0.9% ed il 2%.

Questa bassa concetrazione viene utilizzata per rimpiazzare il combustibile ad uranio naturale (NU) in alcuni tipi di reattore nucleare ad acqua pesante come il CANDU. Il costo del combustibile nucleare viene ridotto perché si utilizza una maggiore percentuale dell' uranio estratto dalla miniera e ci vogliono meno passaggi e processi per alimentare il reattore. Questo in effetto riduce la quantità di combustibile impiegato e di conseguenza i costi di gestione di qualsiasi scoria nucleare.

La miscela d'isotopi nota come uranio di recupero (in inglese Recovered uranium (RU)) è una variante della SEU. E adoperata nel ciclo del combustibile nucleare che comporta il recupero di combustibile usato ricuperato dal reattore nucleare ad acqua leggera (LWR). Il combustibile esaurito proveniente dai LWR tipicamente contiene più isotopo U-235 rispetto all'uranio naturale, e dunque potrebbe essere utilizzato per alimentare reattori che di base utilizzano l'uranio naturale come combustibile.

[modifica] Metodi di separazione degli isotopi

La separazione degli isotopi è una faccenda alquanto difficile e ad alto consumo energetico. L'arricchimento dell' uranio è difficile perché i due isotopi sono molto simili nel loro peso atomico: lo ²³⁵U è soltanto un 1,26% più leggero rispetto allo ²³⁸U. Alcune tecniche di produzione applicate all'arricchimento sono state usate, e diverse altre vengono investigate. In genere questi metodi sfruttano le piccole differenze in peso atomico dei vari isotopi. Alcune ricerche allo studio sfruttano le recenti tecniche della risonanza magnetica nucleare, comunque non è sicuro se alcuno di questi nuovi processi allo studio potrà essere portato alla larga scala necessaria per produrre uranio arricchito con scopi commerciali o militari.

Una caratteristica comune a tutti gli schemi a larga scala di arricchimento è che essi impiegano un numero di stadi successivi identici che produrranno a mano a mano sempre maggiori concentrazioni di ²³⁵U. Ogni stadio concentra il prodotto dei precedenti stadi ulteriormente, prima di essere inviato al successivo. Similmente, le code meno arricchite di ogni stadio vengono rimescolate con lo stadio precedente per l'ulteriore processamento. Questa sistema di arricchimento sequenziale é noto come cascata.

[modifica] Diffusione termica

Per approfondire, vedi la voce diffusione termica.

L'arricchimento dell'uranio mediante diffusione termica (in inglese thermal diffusion) utilizza il trasferimento di calore attravverso un sottile velo di liquido o gas per ottenere la separazione isotopica. Il processo sfrutta il fatto che le molecole di gas ²³⁵U sono più leggere e diffonderanno verso la superficie calda, mentre le molecole più pesanti di gas ²³⁸U diffonderanno verso la superficie fredda. L'impianto S-50, localizzato ad Oak Ridge, Tennessee venne usato durante la seconda guerra mondiale per preparare materiali che alimentano il processo EMIS. Questa procedura venne abbandonata in favore della diffusione gassosa.

[modifica] Diffusione gassosa

Per approfondire, vedi la voce diffusione gassosa.

Gaseous diffusion is a technology used to produce enriched uranium by forcing gaseous uranium hexafluoride (Hex) through semi-permeable membranes. This produces a slight separation between the molecules containing ²³⁵U and ²³⁸U. Throughout the Cold War, gaseous diffusion played a major role as a uranium enrichment technique, though it has now been almost completely replaced by newer methods.

[modifica] Centrifuga a gas

A cascade of gas centrifuges at a U.S. enrichment plant.

Per approfondire, vedi la voce centrifuga a gas.

The gas centrifuge process uses a large number of rotating cylinders in series and parallel formations. This rotation creates a strong centrifugal force so that the heavier gas molecules containing ²³⁸U move toward the outside of the cylinder and the lighter gas molecules rich in ²³⁵U collect closer to the center. It requires far less energy to achieve the same separation than the older gaseous diffusion process, which it has largely replaced.