Come Arricchire l'Uranio

L'Uranio è utilizzato come fonte di energia per i reattori nucleari e venne usato per costruire la prima bomba atomica, sganciata su Hiroshima nel 1945[1]. L'Uranio viene estratto con un minerale chiamato uraninite,[2] costituito da vari isotopi con differente peso atomico e livello di radioattività. Per essere utilizzato nei reattori a fissione, la quantità dell'isotopo 235U deve essere aumentata a un livello tale da permettere la fissione in un reattore o in un ordigno esplosivo. Questo processo viene chiamato arricchimento dell'uranio, e ci sono diversi modi per realizzarlo.

Metodo 1 di 7:
Il Processo Base di Arricchimento

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    Stabilisci per quale scopo verrà utilizzato l'uranio. La gran parte dell'uranio estratto contiene solo lo 0,7% di isotopo 235U, e il resto contiene soprattutto lo stabile isotopo 238U[3]. Il tipo di fissione per cui il minerale verrà utilizzato determina a quale livello l'isotopo 235U deve essere portato per poter utilizzare al meglio il minerale.
    • L'uranio utilizzato nelle centrali nucleari ha bisogno di essere arricchito in percentuale fra il 3 e il 5% di 235U[4][5][6]. Alcuni reattori nucleari, come il reattore Candu in Canada e il Magnox nel Regno Unito, sono progettati per utilizzare uranio non arricchito.[7])
    • L'uranio utilizzato per le bombe atomiche e per le testate nucleari, invece, deve essere arricchito fino al 90 percento 235U.[8]
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    Trasforma il minerale di uranio in un gas. La maggior parte dei metodi attualmente esistenti per arricchire l'uranio richiedono che il minerale sia trasformato in un gas a bassa temperatura. Il gas di fluoro viene solitamente pompato nell'impianto di conversione del minerale; il gas di ossido di uranio reagisce a contatto col fluoro, producendo l'esafloruro di uranio (UF6). Il gas viene poi lavorato per separare e raccogliere l'isotopo 235U.
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    Arricchire l'uranio. Le parti successive di questo articolo descrivono le varie procedure possibili per arricchire l'uranio. Fra queste, la diffusione gassosa e la centrifuga a gas sono le più comuni, ma il processo di separazione dell'isotopo con il laser è destinato a sostituirle.[9][10]
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    Convertire il gas UF6 in biossido di uranio (UO2). Una volta arricchito, l'uranio deve essere convertito in un materiale solido e stabile per essere utilizzato.
    • Il biossido di uranio utilizzato come combustibile nei reattori nucleari viene trasformato utilizzando delle palline di ceramica sintetica racchiuse in tubi di metallo della lunghezza di 4 metri.[11]
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Metodo 2 di 7:
Processo di Diffusione Gassosa

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    Pompa il gas UF6 nelle tubature.
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    Fai passare il gas attraverso un filtro poroso o una membrana. Poiché l'isotopo 235U è più leggero dell'isotopo 238U, il gas UF6 contenente l'isotopo più leggero passerà attraverso la membrana più velocemente dell'isotopo più pesante.
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    Ripeti il processo di diffusione fino a raccogliere una quantità sufficiente di isotopo 235U. La ripetizione del processo di diffusione è detta "a cascata". Ci potrebbero volere fino a 1,400 passaggi attraverso la membrana porosa per ottenere abbastanza 235U e arricchire l'uranio in maniera sufficiente.[12]
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    Condensa il gas UF6 in forma liquida. Una volta che il gas viene sufficientemente arricchito, viene condensato in forma liquida e immagazzinato in contenitori, dove si raffredda e si solidifica per essere trasportato e trasformato nel combustibile nucleare sotto forma di palline (pellet).
    • A causa del numero di passaggi richiesti, questo processo richiede una grande quantità di energia ed è in via di eliminazione. Negli Stati Uniti, rimane solo un impianto di arricchimento a diffusione gassosa a Paducah, Kentucky.[13]
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Metodo 3 di 7:
Processo di Centrifuga a Gas

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    Assembla alcuni cilindri rotanti ad alta velocità. Questi cilindri sono le centrifughe. Le centrifughe vengono assemblate sia in serie sia in parallelo.
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    Pompa tramite tubature il gas UF6 nelle centrifughe. Le centrifughe utilizzano l'accelerazione centripeta per mandare il gas con l'isotopo 238U più pesante verso le pareti del cilindro, e il gas con l'isotopo 235U più leggero verso il centro.
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    Estrai i gas separati.
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    Riprocessa i gas in centrifughe separate. I gas ricchi di 235U vengono mandati in centrifughe dove un'ulteriore quantità di 235U viene estratta, mentre il gas impoverito di 235U va in un'altra centrifuga per estrarre il rimanente 235U. Questo processo rende possibile alla centrifuga l'estrazione di una maggior quantità di 235U rispetto al processo di diffusione gassosa.[14]
    • Il processo di centrifuga a gas fu sviluppato per la prima volta negli anni quaranta, ma iniziò a essere utilizzato in maniera significativa a partire dagli anni sessanta, quando il suo basso consumo energetico per la produzione di uranio arricchito divenne significativo[15]. Al momento attuale, esiste un impianto di centrifuga a gas negli Stati Uniti a Eunice, nel New Mexico[16]. Invece, in Russia ci sono al momento quattro di questi impianti, due in Giappone e due in Cina, uno nel Regno Unito, in Olanda e in Germania.[17]
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Metodo 4 di 7:
Processo di Separazione Aerodinamica

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    Costruisci una serie di cilindri stretti e statici.
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    Inietta il gas UF6 nei cilindri ad alta velocità. Il gas viene pompato nei cilindri in modo tale da imprimergli una rotazione ciclonica, producendo lo stesso tipo di separazione fra 235U e 238U che si ottiene con una centrifuga rotante.
    • Un metodo in fase di sviluppo in Sud Africa consiste nell'iniettare il gas all'interno del cilindro sulla linea della tangente. Al momento viene testato utilizzando isotopi molto leggeri, come quelli del silicio.[18]
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Metodo 5 di 7:
Processo di Diffusione Termica allo stato Liquido

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    Porta allo stato liquido il gas UF6 utilizzando la pressione.
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    Costruisci una coppia di tubi concentrici. I tubi devono essere abbastanza lunghi; più sono lunghi più è possibile separare gli isotopi 235U e 238U.
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    Immergili nell'acqua. Questo raffredderà la superficie esterna dei tubi.
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    Pompa il gas liquido UF6 fra i tubi.
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    Riscalda il tubo interno con il vapore. Il calore creerà una corrente convettiva nel gas UF6 che farà andare l'isotopo 235U più leggero verso il tubo interno e spingerà l'isotopo 238U più pesante verso quello esterno.
    • Questo processo fu sperimentato nel 1940 nell'ambito del Manhattan Project, ma fu abbandonato fin dalle prime fasi di sperimentazione, quando il processo di diffusione gassosa, ritenuto più efficace, fu sviluppato.[19][20]
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Metodo 6 di 7:
Processo di Separazione Elettromagnetica degli Isotopi

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    Ionizza il gas UF6.
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    Fai passare il gas attraverso un potente campo magnetico.
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    Separa gli isotopi di uranio ionizzato utilizzando le scie che lasciano quando passano attraverso il campo magnetico. Gli ioni dell'isotopo 235U lasciano delle scie con curvatura differente rispetto a quelli dell'isotopo 238U. Questi ioni possono essere isolati ed utilizzati per arricchire l'uranio.
    • Questo metodo fu utilizzato per arricchire l'uranio della bomba sganciata su Hiroshima nel 1945 ed è anche il metodo utilizzato dall'Iraq nel suo programma di sviluppo armi nucleari nel 1992. Richiede una quantità di energia 10 volte maggiore rispetto al processo di diffusione gassosa, rendendolo impraticabile per programmi di arricchimento su larga scala.[21]
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Metodo 7 di 7:
Processo di Separazione degli Isotopi con il Laser

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    Regola il laser su uno specifico colore. La luce del laser deve essere regolata interamente su una specifica lunghezza d'onda (monocromatica). Questa lunghezza d'onda andrà a colpire solo gli atomi dell'isotopo 235U, lasciando quelli dell'isotopo 238U inalterati.
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    Applica la luce del laser all'uranio. A differenza degli altri processi di arricchimento dell'uranio, non hai bisogno di utilizzare il gas di esafloruro di uranio, anche se nella maggior parte dei processi con il laser viene utilizzato. Puoi anche utilizzare una lega di uranio e ferro come fonte di uranio, come avviene nel processo di Separazione per Vaporizzazione Laser degli Isotopi (AVLIS).
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    Estrai gli atomi di uranio con gli elettroni eccitati. Questi sono gli atomi di isotopo 235U.
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Consigli

  • In alcuni paesi il combustibile nucleare viene riprocessato dopo l'utilizzo per recuperare plutonio e uranio esausti che si creano a seguito del processo di fissione. All'uranio riprocessato devono essere tolti gli isotopi 232U e 236U che si formano durante la fissione e, se sottoposto al processo di arricchimento, deve essere arricchito a un livello maggiore rispetto al normale uranio poiché l'isotopo 236U assorbe i neutroni e inibisce il processo di fissione. Per questo motivo, l'uranio riprocessato deve essere tenuto separato da quello che viene arricchito per la prima volta.[22]
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Avvertenze

  • L'uranio è solo leggermente radioattivo; in ogni caso, quando viene trasformato in gas UF6, diventa una sostanza chimica tossica che a contatto con l'acqua si trasforma in acido di idrofloruro corrosivo. Questo tipo di acido viene comunemente definito “acido per incisioni” poiché utilizzato per incidere il vetro[23]. Gli impianti di arricchimento dell'uranio necessitano delle medesime misure di sicurezza degli impianti chimici che lavorano il fluoruro, come ad esempio tenere il gas UF6 a un livello di bassa pressione per la maggior parte del tempo e l'utilizzo di container speciali nelle aree in cui deve essere sottoposto a una pressione maggiore.[24]
  • L'uranio riprocessato deve essere custodito in contenitori altamente schermati, poiché l'isotopo 232U può decadere in elementi che emettono una grande quantità di raggi gamma. [25]
  • L'uranio arricchito può essere riprocessato solamente una volta. [26]
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Categorie: Chimica
  1. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  2. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  3. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  4. http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html
  5. http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html
  6. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  7. http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/ur-enrichment.html
  8. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  9. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  10. http://www.atomicarchive.com/History/mp/p2s6.shtml
  11. http://www.globalsecurity.org/wmd/intro/u-thermal.htm
  12. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  13. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  14. http://emedicine.medscape.com/article/773304-overview
  15. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  16. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/
  17. http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/

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