Come funziona l'arricchimento dell'uranio

Il termine “isotopo” individua quegli elementi appartenenti a una stessa specie chimica che mantengono inalterato il numero di protoni nel nucleo ma non quello dei neutroni. L’uranio è costituito quasi integralmente dall’isotopo 238 (simbolo ²³⁸U, oppure, nella forma tipograficamente accettata, U–238). Il numero 238 rappresenta la somma dei protoni e dei neutroni all’interno del nucleo. Ciò che rimane costante, negli isotopi dell’uranio, è quindi il numero dei protoni, che è pari a 92.

Nella grande maggioranza dei reattori nucleari che sono attualmente in esercizio – quelli definiti ad acqua leggera – si usa Uranio–235 come combustibile. Ma per ottenere la configurazione adeguata al fine di produrre reazioni di fissione (v. prima puntata della serie di articoli su Chernobyl, luglio 2019), occorre che il titolo di U–235 non sia quello naturale, corrispondente allo 0.7%, ma che sia portato almeno al 3%. Per ottenere questo, è necessario quindi “arricchire” il titolo di U–235 rispetto alla sua componente naturale.

I metodi utilizzati sono essenzialmente due, quello della diffusione gassosa e quello della centrifugazione gassosa. Ne esiste in realtà anche un terzo, che usa la luce laser, una tecnologia molto sofisticata (per via spettroscopica), che si basa sul cosiddetto shift isotopico, una differenza tra i livelli energetici dell’isotopo U–235 rispetto a quello di U–238. Una luce laser accordabile alla specifica energia dell’U–235 potrebbe selezionare quest’ultimo per la separazione (ionizzazione selettiva). È ancora in fase di studio ed è considerata una tecnologia strategica per via del fatto che essa sarebbe relativamente a basso costo e ad altissima efficienza.

Nella diffusione gassosa, il primo step è quello di far reagire l’uranio (nella sua forma metallica) con il fluoro per ottenere l’esafluoruro di uranio (UF₆). Successivamente, sfruttando la piccola differenza di massa tra U–238 e U–235 (meno dell’1.5%), si farà passare questo gas per barriere successive, che sono composti da setti porosi. Dato che l’U–235 è più leggero, nei vari passaggi avrà più facilità a diffondere nei setti porosi rispetto all’U–238. Se il numero delle barriere è elevato, si potrà ottenere un buon arricchimento. Alla fine del processo, l’esafluoruro verrà decomposto e l’uranio riportato alla sua forma metallica.

La bolletta energetica degli impianti di arricchimento è estremamente onerosa. La centrifugazione gassosa ha un costo energetico molto più basso rispetto alla diffusione (circa il 4% del costo di quest’ultima) e una efficienza di arricchimento del 30–40% maggiore e appare quindi molto più vantaggiosa.

Nella centrifugazione gassosa, la separazione si otterrà in un opportuno contenitore (centrifuga) utilizzando il gas di alimentazione che sarà sempre costituito da una miscela di UF₆ contenente i due isotopi U–238 e U–235: la lieve differenza di peso molecolare delle due specie verrà sfruttata per la loro separazione, che si raggiungerà mettendo in rotazione il gas ad altissime velocità angolari. Sfruttando l’effetto dato dalla forza centrifuga, il composto contenente U–238, che è più pesante, sarà spinto contro la parete della centrifuga stessa. Per questo motivo, la regione centrale del gas verrà così ad arricchirsi del composto contenente l’U–235 che è l’isotopo più leggero. Passando per una batteria costituita da varie centrifughe collegate in serie, si potrà ottenere un alto titolo di arricchimento in U–235.

Per raggiungere arricchimenti in U–235 significativi per l’industria bellica, occorrerà arrivare a concentrazioni che siano superiori all’80%. Nelle armi nucleari è previsto anche l’utilizzo di plutonio (Plutonio–239, estraibile per esempio dal combustibile ritrattato degli impianti nucleari. Una delle possibilità è fornita dall’utilizzo di reattori che non abbiano necessità di arricchire il combustibile in U–235, utilizzando però come moderatore (per rallentare i neutroni al fine di produrre reazioni di fissione) non l’acqua normale, che è costituita da un atomo di ossigeno e da due di idrogeno, bensì un tipo di acqua apparentemente simile a quella naturale ma che è formata da un atomo di ossigeno e da due isotopi dell’idrogeno che hanno un neutrone nel nucleo assieme al protone, isotopo chiamato deuterio. La scelta non è tanto legata alla moderazione tout court quanto a un minore effetto di assorbimento dei neutroni rispetto all’acqua leggera. Un tipo di acqua che, per questo motivo, viene definita acqua pesante.

Si ha infatti un’efficienza di generazione del plutonio migliore in reattori che partono da un basso titolo di U–235 rispetto a quelli che ne presentano uno più alto, come nella maggioranza dei reattori per la produzione di energia a uso civile. E i primi sono moderati ad acqua pesante.