L’arricchimento dell’uranio

Sin da quando Enrico Fermi fissionò l’uranio, molti stati hanno voluto divenire una potenza nucleare, sia essa civile o militare. Alcuni di questi paesi, in seguito, hanno rinunciato ai progetti militari (pensiamo al Sudafrica), ma anche tout court alle proprie ambizioni nucleari (e non possiamo non citare l’Italia). Più recentemente, sono balzati agli onori delle cronache i casi di Corea del Nord ed Iran, che stanno procedendo a programmi nucleari sia civili che militari al di fuori del controllo della comunità internazionale: solo USA, Russia, Cina, Regno Unito e Francia possono “legalmente” avere un programma nucleare militare; in realtà, però, ci sono già numerosi precedenti di stati che hanno violato tale prerogativa, di cui certamente tre possiedono ancora oggi un arsenale nucleare militare (India, Pakistan ed Israele).

A questo punto gioverà una parentesi sul principale combustibile nucleare: l’uranio.

Esso si presenta in natura al 99,3% come U²³⁸, ed allo 0,7% come U²³⁵: in tali percentuali è fissile se moderato con acqua pesante (D₂O), ma questa tecnologia è utilizzata solo dai reattori della famiglia CANDU (CANadian Deuterium-Uranium) e non ha alcuna capacità militare diretta. Infatti, tali reattori sono particolarmente adattabili per produrre plutonio.

La grande maggioranza dei reattori, a sua volta divisa in una maggioranza di reattori ad acqua in pressione (PWR), una minoranza di reattori ad acqua bollente (BWR) ed uno sparuto gruppo di reattori a gas, utilizza combustibile debolmente arricchito: la percentuale di U²³⁵ nel materiale è cioè portata a circa il 3-4%. 1MWe-anno è prodotto in questi reattori, ipotizzando un fattore di carico pari a 0,8, con circa 170kg di uranio debolmente arricchito. Fin qui parliamo dei reattori termici, nei quali la reazione di fissione può avvenire solo in presenza di un moderatore (generalmente acqua; raramente grafite).

Infine, una percentuale superiore di arricchimento, generalmente intorno al 15-20%, è utilizzata nei reattori veloci, cioè senza bisogno di moderatori per la reazione di fissione; essi esistono quasi solo a livello di prototipo, se non sperimentale o di ricerca. Tali unità, infatti, presentano ancora grossi problemi di sicurezza e gestione, nonché elevati costi.

Si capisce dunque bene quale sia l’allarme della comunità internazionale verso il programma nucleare iraniano, nel quale l’arricchimento dell’uranio avviene ben oltre i limiti normalmente richiesti da un programma civile.

Il processo di arricchimento avviene, principalmente, in 4 modi:

• diffusione gassosa: in tale maniera l’uranio è sotto forma di UF₆ (esafluoruro di uranio), e ne viene separata la parte con l’isotopo U²³⁵; tale processo è piuttosto costoso, dato che consuma ben il 4% dell’energia prodotta dall’uranio così selezionato, ed inoltre il materiale scartato non poteva essere riprocessato; è utilizzato dagli USA, dalla Cina e dalla Francia, ma se ne progetta la futura dismissione a vantaggio delle centrifughe;

• ultra-centrifugazione: la separazione avviene sempre sulla forma gassosa, ma è nettamente più economico del metodo precedente, costando solo lo 0,4% dell’energia poi prodotta, e permettendo il riprocessamento della parte scartata; è usato da Cina, Germania, Giappone, Olanda, Pakistan, Russia e Regno Unito, e recentemente pure dall’Iran;

• separazione con ugello e separazione con laser: la prima è semplice ma molto costosa, ed è perciò stata industrialmente abbandonata; la seconda consentirebbe la separazione dell’intera parte di U²³⁵, ma anch’essa è stata pressoché abbandonata a causa degli elevati costi.

Il combustibile civile è quindi reso disponibile generalmente sotto forma di UO₂ in pastiglie sinterizzate (pellets).

Il costo del ciclo del combustibile era, al 1994, pari a circa 0,00685$ per kWh prodotto. Questo ipotizzando: un fattore di carico pari a 0,7 (oggi è 0,8, nelle centrali di generazione III+ dovrebbe essere 0,9); perdite di lavorazione, come conversione e riconversione 0,5%, come fabbricazione e trattamento 1%; stoccaggio definitivo del combustibile esaurito, senza ritrattamento.

L’arricchimento mediante Pu²³⁹ (fissile al pari dell’U²³⁵) è raramente usato, dato che la sua fonte principale sono le armi nucleari smantellate.

Oltre il 20% di arricchimento, si parla di uranio fortemente arricchito, o HEU (Highly Enriched Uranium): raramente anche questo è stato utilizzato come combustibile per reattori veloci, ad esempio quelli di alcuni sottomarini nucleari (quindi principalmente in ambito militare). Per divenire bomb grade, cioè adatto a costruire un ordigno nucleare, esso deve essere arricchito almeno all’85%, preferibilmente oltre il 90%.

E’ evidente che un simile processo di arricchimento richieda grandi investimenti, sia per gli impianti che per il processo stesso. Diventa dunque naturale la ricerca della via meno dispendiosa verso il medesimo risultato: a questo proposito, il processo di ultra-centrifugazione offre notevoli vantaggi, essendo semplice ed economico relativamente agli altri processi. In esso, si utilizzano diverse centrifughe (anche migliaia) di forma tubolare, le quali procedono “a cascata” (cioè in serie) ad arricchire l’uranio fino al grado di U²³⁵ voluto. In maniera molto semplice, al proprio interno l’U²³⁸, essendo più pesante, tende a raccogliersi verso l’esterno del cilindro; mentre l’U²³⁵, più leggero, tende a restare al centro della centrifuga. Una miglioria fu apportata con le centrifughe Zippe, nelle quali il fondo dei cilindri viene riscaldato, cosicché l’U²³⁵ tende a spostarsi anche verso la parte superiore della centrifuga, rendendo il processo più rapido. Tale tecnologia permise al Pakistan di sviluppare il proprio programma nucleare militare; in seguito, fu da esso ceduta alla Corea del Nord, e quindi all’Iran, permettendo a questi due stati di perseguire anch’essi la costruzione di ordigni atomici (benché non sia chiaro se i coreani usino anche del plutonio prodotto tramite piccoli reattori).

Un importante “sottoprodotto” dei processi di arricchimento è l’uranio impoverito, cioè quella parte di U²³⁸ scartata alla fine dell’arricchimento. Esso è un metallo dalle eccellenti qualità meccaniche ed a bassissima radioattività, ma anche altamente tossico se inalato.