Arricchimento dell'uranio è uno dei passaggi chiave nella creazione di armi nucleari. Solo un certo tipo di uranio funziona nei reattori nucleari e nelle bombe.
Separare questo tipo di uranio da una varietà più diffusa richiede una grande abilità ingegneristica, nonostante il fatto che la tecnologia necessaria per questo sia in circolazione da decenni. Il compito non è capire come separare l'uranio, ma costruire ed eseguire le attrezzature necessarie per completare questo compito.
Gli atomi di uranio, come gli atomi degli elementi presenti in natura in una varietà, sono chiamati isotopi. (Ogni isotopo ha un diverso numero di neutroni nel suo nucleo.) L'uranio-235, un isotopo che costituisce meno dell'1 percento di tutto l'uranio naturale, fornisce carburante per i reattori nucleari e le bombe nucleari, mentre l'uranio-238, un isotopo che costituisce il 99 percento uranio naturale, non ha uso nucleare.
Gradi di arricchimento dell'uranio
Una reazione a catena nucleare implica che almeno un neutrone dal decadimento di un atomo di uranio verrà catturato da un altro atomo e, di conseguenza, causerà il suo decadimento. In una prima approssimazione, ciò significa che il neutrone deve "inciampare" sull'atomo 235 U prima di lasciare il reattore. Ciò significa che il design con l'uranio dovrebbe essere abbastanza compatto in modo che la probabilità di trovare il prossimo atomo di uranio per il neutrone sia abbastanza alta. Ma mentre il reattore 235 U funziona, si brucia gradualmente, il che riduce la probabilità che un neutrone incontri l'atomo 235 U, che li costringe a gettare un certo margine di questa probabilità nei reattori. Di conseguenza, la bassa percentuale di 235 U di combustibile nucleare richiede:
- un volume del reattore maggiore in modo che il neutrone sia più a lungo in esso
- una parte maggiore del volume del reattore dovrebbe essere occupata dal carburante per aumentare la probabilità di una collisione di un neutrone e un atomo di uranio,
- più spesso è necessario ricaricare il combustibile a nuovo per mantenere una data densità apparente di 235 U nel reattore,
- un'alta percentuale di preziosi 235 U di combustibile esaurito.
Nel processo di miglioramento della tecnologia nucleare, sono state trovate soluzioni economicamente e tecnologicamente ottimali che hanno richiesto un aumento del contenuto di 235 U nel carburante, ovvero l'arricchimento dell'uranio.
Nelle armi nucleari, il compito di arricchimento è quasi lo stesso: è necessario che in un tempo estremamente breve di un'esplosione nucleare, il numero massimo di 235 atomi di U trovi il loro neutrone, decadimento e rilascio di energia. Per questo, è richiesta la massima densità apparente possibile di atomi 235 U, che è ottenibile con il massimo arricchimento.
Gradi di arricchimento dell'uranio [modifica |La chiave per la separazione
La chiave della loro separazione è che gli atomi di uranio-235 pesano leggermente meno degli atomi di uranio-238.
Per separare la minuscola quantità di uranio-235 presente in ogni campione naturale di minerale di uranio, gli ingegneri prima convertono l'uranio in gas usando una reazione chimica.
Quindi il gas viene introdotto in una provetta da centrifuga in una forma cilindrica delle dimensioni di una persona o più. Ogni tubo ruota sul proprio asse a velocità incredibilmente elevate, spingendo le molecole di gas uranio-238 più pesanti al centro del tubo, lasciando molecole di gas uranio-235 più vicine ai bordi del tubo dove possono essere aspirate.
Ogni volta che il gas viene ruotato in una centrifuga, solo una piccola quantità di gas uranio-238 viene rimossa dalla miscela, quindi i tubi vengono utilizzati in serie. Ogni centrifuga estrae un po 'di uranio-238, quindi trasferisce la miscela di gas leggermente purificata nel tubo successivo, ecc.
Conversione di gas uranio
Dopo la separazione dell'uranio-235 gassoso in molte fasi delle centrifughe, gli ingegneri usano una diversa reazione chimica per riconvertire il gas di uranio in metallo solido. Questo metallo può successivamente essere formato per l'uso in reattori o bombe.
Poiché ogni passaggio pulisce la miscela di gas di uranio solo di una piccola quantità, i paesi possono permettersi di far funzionare solo centrifughe progettate al massimo livello di efficienza. Altrimenti, la produzione anche di una piccola quantità di uranio-235 puro diventa proibitiva.
E la progettazione e la produzione di queste provette da centrifuga richiedono un certo livello di investimento e know-how tecnico oltre la portata di molti paesi. I tubi richiedono tipi speciali di acciaio o miscele che resistono a una pressione significativa durante la rotazione, devono essere completamente cilindrici e realizzati da macchine specializzate difficili da costruire.
Ecco un esempio di bomba lanciata dagli Stati Uniti su Hiroshima. Ci vogliono 62 kg di uranio-235 per costruire una bomba, secondo "costruire una bomba atomica" (Simon e Schuster, 1995).
La separazione di questi 62 kg da quasi 4 tonnellate di minerale di uranio avvenne nell'edificio più grande del mondo e consumò il 10 percento dell'elettricità del paese. "Ci sono volute 20.000 persone per costruire la struttura, 12.000 persone hanno gestito la struttura e nel 1944 la sua dotazione è costata oltre 500 milioni di dollari." Sono circa 7,2 miliardi di dollari nel 2018.
Perché l'uranio arricchito è così terribile?
L'uranio o il plutonio per uso militare è pericoloso nella sua forma pura per una semplice ragione: da loro, con una certa base tecnica, può essere realizzato un dispositivo nucleare esplosivo.
La figura mostra una rappresentazione schematica di una semplice testata nucleare. Le billette 1 e 2 di combustibile nucleare si trovano all'interno del guscio. Ognuna di esse è una delle parti dell'intera palla e pesa leggermente meno della massa critica del metallo dell'arma utilizzato nella bomba.
Quando la carica detonante del TNT viene fatta esplodere, i lingotti di uranio 1 e 2 vengono combinati in uno, la loro massa totale supera sicuramente la massa critica per questo materiale, che porta a una reazione a catena nucleare e, di conseguenza, a un'esplosione atomica.
Sembrerebbe nulla di complicato, ma in realtà questo, ovviamente, non è così. Altrimenti, ci sarebbe un ordine di grandezza in più paesi con armi nucleari sul pianeta. Inoltre, aumenterebbe notevolmente il rischio che tali tecnologie pericolose cadano nelle mani di gruppi terroristici sufficientemente potenti e sviluppati.
Il trucco è che solo poteri molto ricchi con un'infrastruttura scientifica sviluppata sono in grado di arricchire l'uranio, anche con l'attuale sviluppo della tecnologia. Ancora più difficile, senza il quale il dispositivo atomico non funzionerebbe, separa gli isotopi di uranio 235 e 238.
Miniere di uranio: verità e finzione
In URSS, a livello filisteo, c'era un'ipotesi che i criminali condannati lavorassero nelle miniere di uranio, espiando così la loro colpa davanti al partito e al popolo sovietico. Questo, ovviamente, non è vero.
L'estrazione dell'uranio è un'industria mineraria ad alta tecnologia ed è improbabile che qualcuno abbia ammesso di lavorare con attrezzature sofisticate e molto costose e di assassini incalliti con i ladri. Inoltre, le voci secondo cui i minatori di uranio indossano necessariamente una maschera antigas e biancheria intima di piombo non sono altro che un mito.
L'uranio viene estratto nelle miniere a volte fino a un chilometro di profondità. Le maggiori riserve di questo elemento si trovano in Canada, Russia, Kazakistan e Australia. In Russia, una tonnellata di minerale produce una media di circa un chilo e mezzo di uranio. Questo non è affatto l'indicatore più grande. In alcune miniere europee, questa cifra raggiunge i 22 kg per tonnellata.
Lo sfondo delle radiazioni nella miniera è all'incirca lo stesso del confine della stratosfera, dove gli aerei passeggeri civili vengono riparati.
Minerale di uranio
Arricchire l'uranio inizia subito dopo l'estrazione, direttamente vicino alla miniera. Oltre al metallo, come qualsiasi altro minerale, l'uranio contiene rocce di scarto. La fase iniziale di arricchimento si riduce allo smistamento dei ciottoli sollevati dalla miniera: quelli ricchi di uranio e poveri. Letteralmente ogni pezzo viene pesato, misurato dalle macchine e, a seconda delle proprietà, inviato ad un flusso particolare.
Quindi entra in gioco un mulino, che macina il minerale ricco di uranio in polvere fine. Tuttavia, questo non è l'uranio, ma solo il suo ossido. Ottenere metallo puro è la catena più complicata di reazioni e trasformazioni chimiche.
Tuttavia, non è sufficiente isolare il metallo puro dai composti chimici di partenza. Dell'uranio totale contenuto in natura, il 99% è occupato dall'isotopo 238 e la sua 235a controparte è inferiore all'1%. Separarli è un compito molto difficile, che non tutti i paesi possono risolvere.
Metodo di arricchimento per diffusione di gas
Questo è il primo metodo con cui l'uranio è stato arricchito. È ancora usato negli Stati Uniti e in Francia. Basato sulla differenza di densità degli isotopi 235 e 238. Il gas di uranio rilasciato dall'ossido viene pompato ad alta pressione in una camera separata da una membrana. Gli atomi 235 dell'isotopo sono più leggeri, quindi dalla porzione di calore ricevuta si muovono più velocemente degli atomi di uranio 238 "lenti", rispettivamente, più spesso e più intensamente battono contro la membrana. Secondo le leggi della teoria della probabilità, è più probabile che entrino in uno dei micropori e si trovino dall'altra parte di questa membrana.
L'efficacia di questo metodo è piccola, perché la differenza tra gli isotopi è molto, molto piccola. Ma come rendere l'uranio arricchito adatto all'uso? La risposta sta applicando questo metodo molte, molte volte. Al fine di ottenere l'uranio adatto alla fabbricazione di combustibile da un reattore in una centrale elettrica, il sistema di trattamento della diffusione del gas viene ripetuto diverse centinaia di volte.
Recensioni di esperti su questo metodo sono contrastanti. Da un lato, il metodo di separazione per diffusione di gas è il primo a fornire agli Stati Uniti uranio di alta qualità, rendendoli temporaneamente leader nella sfera militare. D'altra parte, si pensa che la diffusione del gas produca meno rifiuti. L'unica cosa che fallisce in questo caso è l'alto prezzo del prodotto finale.
Metodo di centrifuga
Questo è lo sviluppo di ingegneri sovietici. Al momento, oltre alla Russia, esistono numerosi paesi in cui l'uranio è arricchito dal metodo scoperto in URSS. Questi sono Brasile, Gran Bretagna, Germania, Giappone e alcuni altri stati. Il metodo è simile alla tecnologia di diffusione del gas in quanto utilizza la differenza di massa degli isotopi 235 e 238.
L'uranio gira in una centrifuga a 1.500 giri / min. A causa delle diverse densità, gli isotopi sono influenzati da forze centrifughe di dimensioni diverse. L'uranio 238, più pesante, si accumula vicino alle pareti della centrifuga, mentre il 235 ° isotopo si raccoglie più vicino al centro. La miscela di gas viene pompata nella parte superiore del cilindro. Avendo passato la strada verso il fondo della centrifuga, gli isotopi hanno il tempo di separarsi parzialmente e vengono selezionati separatamente.
Nonostante il fatto che il metodo non fornisca una separazione al 100% degli isotopi e che per ottenere il necessario grado di arricchimento debba essere utilizzato ripetutamente, è molto più efficiente dal punto di vista economico della diffusione del gas. Pertanto, l'uranio arricchito in Russia che utilizza la tecnologia delle centrifughe è circa 3 volte più economico di quello ottenuto sulle membrane americane.
Applicazione di uranio arricchita
Perché tutta questa complicata e costosa burocrazia con purificazione, separazione dei metalli dagli ossidi, separazione degli isotopi? Una rondella di uranio arricchito 235, di quelli usati nell'energia nucleare (da tali "pillole" sono le barre assemblate - barre di combustibile), del peso di 7 grammi sostituisce circa tre barili di benzina da 200 litri o circa una tonnellata di carbone.
L'uranio arricchito e impoverito viene utilizzato in modo diverso a seconda della purezza e del rapporto degli isotopi 235 e 238.
Isotope 235 è un combustibile ad alta intensità energetica. L'uranio arricchito viene considerato quando il contenuto di 235 isotopi è superiore al 20%. Questa è la base delle armi nucleari.
Le materie prime arricchite con saturazione di energia sono anche utilizzate come combustibile per i reattori nucleari nei sottomarini e nei veicoli spaziali a causa della massa e delle dimensioni limitate.
L'uranio impoverito, contenente principalmente 238 isotopi, è un combustibile per i reattori nucleari fissi civili. I reattori di uranio naturale sono considerati meno esplosivi.
A proposito, secondo i calcoli degli economisti russi, pur mantenendo l'attuale tasso di produzione di 92 elementi della tavola periodica, le sue riserve nelle miniere esplorate in tutto il mondo saranno già esaurite entro il 2030. Questo è il motivo per cui gli scienziati non vedono l'ora di trovare la fusione come fonte di energia economica e conveniente in futuro.
