Cos’è l’uranio arricchito, a cosa serve e perché è così importante per centrali nucleari e bombe atomiche

L'arricchimento dell’uranio è un processo fondamentale tanto per la produzione di energia nucleare quanto per applicazioni militari, come le bombe atomiche. Ma cosa significa esattamente "arricchito"? E per quale motivo questo step produttivo è così fondamentale? L'uranio arricchito, ottenuto principalmente per centrifugazione gassosa, è una miscela di isotopi dell'uranio con una maggior percentuale dell'isotopo uranio-235, l'unico dei tre utile per sostenere le reazioni alla base dei reattori nucleari. Il tema dell'arricchimento dell'uranio è di attualità geopolitica, come dimostrato dai recenti avvenimenti riguardanti il programma nucleare dell'Iran, monitorato da anni dalla comunità internazionale in quanto la tecnologia per arricchire l'uranio a fini civili (produzione di energia) è la stessa che può essere usata per produrlo a fini militari.

Cos'è l'uranio arricchito e a cosa serve

L'uranio naturale è composto principalmente da tre isotopi: uranio-238 (circa il 99,27%), uranio-235 (circa lo 0,72%) e uranio-234 (meno dello 0,01%). Solo l’uranio-235 è fissile, ovvero è la tipologia di uranio utile per sostenere una reazione a catena. Questo tipo di reazione è quella alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione, ma anche delle bombe atomiche.

Durante il processo di arricchimento si cerca di isolare l’isotopo uranio-235 dagli altri isotopi, aumentandone la percentuale. In base alla percentuale di uranio-235 che si ottiene con l’arricchimento, si ottengono diverse tipologie di uranio:

• Uranio a basso arricchimento (LEU – Low Enriched Uranium), composto per meno del 20% di uranio-235. Questo tipo di uranio tipicamente contiene una percentuale compresa tra il 3% e il 5% di tale isotopo e normalmente è utilizzato per i reattori a fissione commerciali ad acqua leggera;
• Uranio a basso arricchimento con elevata concentrazione (HALEU – High-Assay Low-Enriched Uranium), contenente una percentuale di uranio-235 compresa tra il 5% e il 20%. In tale tipologia di uranio, il grado di arricchimento maggiore rispetto al LEU è necessario al funzionamento degli Small Modular Reactors (SMR), ovvero i reattori a fissione di potenza e dimensioni ridotte, attualmente i fase di sviluppo o costruzione per produrre energia in maniera più sicura e modulare.
• Uranio ad alto arricchimento (HEU – High Enriched Uranium), composto per oltre il 20% di uranio-235. Questo tipo di uranio è utilizzato principalmente per la fabbricazione di armi nucleari. L’HEU può essere usato anche per altre applicazioni di nicchia, in particolare per alimentare reattori a fissione utilizzati a bordo delle navi e in campo medico.

Teoricamente, per un’arma nucleare è necessario uranio contenente almeno il 20% di uranio-235, ma nella pratica la percentuale di uranio-235 utilizzata per la produzione di bombe nucleari è almeno dell’85%. Questo è legato al fatto che più l'uranio arricchito e minore è la massa richiesta per dar vita alle reazioni di fissione: trattandosi si armi da lanciare, infatti, a massa è estremamente importante e si predilige un arricchimento maggiore per massimizzare la leggerezza.

Come si ottiene l'uranio arricchito

Il processo di arricchimento dell’uranio è molto complesso a causa delle proprietà chimiche degli isotopi di uranio. L’isotopo uranio-235 ha una massa minore dell’uranio-238 di poco più dell’1%: per questo la suddivisione tra queste due “varianti” dello stesso elemento risulta così difficile da effettuare. Esistono due metodi fondamentali per arricchire l’uranio:

1. Centrifugazione gassosa, ovvero il metodo più efficiente e attualmente più utilizzato. Questo metodo sfrutta la forza centripeta creata da cilindri che ruotano velocemente su se stessi  per separare le molecole di uranio-235 da quelle di uranio-238. Grazie alla rotazione, le molecole più pesanti di uranio-238 rimangono all’esterno del cilindro, mentre quelle più leggere di uranio-235 si concentrano all’interno.
2. Diffusione gassosa, ovvero il primo metodo utilizzato, ma ormai obsoleto. Questo sistema sfrutta le proprietà di alcune membrane per separare gli isotopi. Queste membrane infatti permettevano il passaggio dell’uranio-235, bloccando una parte dell’uranio-238.

Sono attualmente in fase di sperimentazione alcune tecniche che utilizzano laser per permettere che avvengano delle reazioni chimiche di ionizzazione solamente nelle molecole di uranio-235. Questi metodi si stanno dimostrando ancora più efficienti delle centrifughe, ma sollevano preoccupazioni per la proliferazione nucleare.

Cosa si fa con lo scarto dell’arricchimento: l’uranio impoverito

Lo scarto del processo di arricchimento dell’uranio è l’uranio impoverito, contenente una percentuale di isotopo uranio-235 molto più bassa rispetto all’uranio naturale. L’uranio impoverito è molto denso, ovvero ha un peso molto alto a parità di volume rispetto ad altri elementi, quasi due volte di più rispetto al piombo. Inoltre, non emette radiazioni, anzi è capace di assorbirle. Per questo, è utilizzato in molti settori come strato di schermatura nel settore medico o come contrappeso nel settore aerospaziale, aeronautico o petrolifero.

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