Arricchimento dell'uranio

L'arricchimento dell'uranio descrive i vari processi utilizzati per aumentare la proporzione dell'isotopo ²³⁵ U nell'uranio . L' uranio naturale è costituito da circa il 99,27% di ²³⁸ U e lo 0,72% di ²³⁵ U. L'uranio arricchito in diversi livelli di ²³⁵ U viene utilizzato come combustibile nucleare per reattori nucleari e armi nucleari . L'arricchimento è un ramo dell'economia dell'uranio .

Procedura

In un impianto di arricchimento dell'uranio, l' uranio naturale (" mangime ") viene separato in due frazioni, una delle quali (" prodotto ") ha una proporzione maggiore di ²³⁵ U rispetto al materiale di partenza, l'altra (" code ") una proporzione inferiore . Il lavoro svolto da un dispositivo di separazione è espresso in chilogrammi di lavoro di separazione dell'uranio (kg UTA) o tonnellate di lavoro di separazione dell'uranio (t UTA). Nella letteratura specialistica inglese, questa unità è denominata SWU ( Separative Work Unit ).

I processi industriali comuni utilizzano l'esafluoruro di uranio (UF ₆ ) come mezzo di processo , l'unico composto chimico dell'uranio che ha una volatilità sufficiente per il processo di separazione a temperatura ambiente ( pressione di vapore di circa 100 mbar a temperatura ambiente). In primo luogo, la torta gialla viene estratta dal minerale di uranio mediante lisciviazione , una miscela di diversi composti di uranio, principalmente ossidi. L'esafluoruro di uranio viene prodotto dalla torta gialla ( conversione dell'uranio ) e lavorato utilizzando il processo di diffusione del gas o centrifughe a gas.

L'esafluoruro di uranio è anche così adatto per il processo di arricchimento perché il fluoro si trova in natura solo come elemento puro ( isotopo fluoro -19). La massa delle molecole di UF ₆ varia quindi solo a causa delle diverse masse degli isotopi di uranio. A causa della piccola massa dell'atomo di fluoro, la differenza di massa relativa tra le molecole di UF ₆ è ancora di circa lo 0,85% rispetto a circa l'1,3% di differenza di massa relativa tra gli stessi isotopi di uranio:

${\ displaystyle 1 - {\ frac {6 \ cdot 19 \ \ mathrm {u} +235 \ \ mathrm {u}} {6 \ cdot 19 \ \ mathrm {u} +238 \ \ mathrm {u}}} \ circa 0 {,} 0085 = 0 {,} 85 \ \% \,.}$

Uso dell'uranio arricchito

²³⁵ U è - come alcuni altri nuclidi con un numero dispari di neutroni - relativamente facilmente fissili dai neutroni termici ed è l'unico nuclide presente in natura che è in grado di una reazione a catena di fissione nucleare . Mentre l' uranio naturale può essere utilizzato anche per reattori ad acqua pesante e moderati di grafite , i reattori ad acqua leggera più comuni devono essere caricati con uranio, il cui contenuto di ²³⁵ U è stato aumentato almeno al 3% circa, in pratica fino al 5% . L'uranio con il 20% o più di ²³⁵ U è indicato come uranio altamente arricchito (" HEU " dall'inglese uranio altamente arricchito ) . Per le armi nucleari sono richiesti livelli di arricchimento molto elevati (in genere almeno l'85%).

Uso dell'uranio impoverito

L' uranio impoverito viene prodotto come sottoprodotto del processo di arricchimento . Per ogni tonnellata di combustibile nucleare arricchito per scopi civili vengono prodotte circa 5,5 tonnellate di uranio impoverito con un contenuto di ²³⁵ U di circa lo 0,3%. A causa della sua alta densità, viene utilizzato nei contrappesi per ali di aerei e yacht da regata, nonché nelle munizioni all'uranio per scopi militari . Finora, solo il 5% circa dell'uranio impoverito accumulato è stato utilizzato per tali scopi, il resto è immagazzinato. L'interesse principale per questo materiale, soprattutto da parte della Russia , è il suo utilizzo come materiale misto ("blender material") per la riconversione dell'uranio (militare) altamente arricchito in uranio (civile) debolmente arricchito per l'uso in reattori ad acqua leggera . In particolare, va menzionata qui la campagna di disarmo nell'ambito dell'accordo START II : “Megatons to megawatt”. Secondo la legge sull'energia atomica della Repubblica federale di Germania , l'uranio impoverito è un materiale prezioso .

Centrifuga a gas riscaldata:
²³⁵ UF ₆ azzurro,
²³⁸ UF ₆ blu scuro

Cascata di centrifughe a gas per l'arricchimento dell'uranio

Metodi

In termini di efficienza, l'arricchimento mediante centrifughe a gas è superiore al metodo di diffusione di un fattore di circa 10 e l'arricchimento laser di un fattore di circa 2-20.

Arricchimento mediante centrifughe a gas

Il processo di centrifuga a gas è ora il processo più comune per l'arricchimento dell'uranio in campo internazionale e nel frattempo ha superato la diffusione del gas in termini di importanza. Le ragioni più importanti di ciò sono il consumo energetico notevolmente inferiore (circa 50 kWh per kg UTA; per confronto: separazione per diffusione fino a 2500 kWh per kg UTA) e una maggiore flessibilità nella pianificazione della capacità.

Nel processo di centrifuga a gas, l'esafluoruro di uranio gassoso (UF ₆ ) viene immesso all'interno di un cilindro verticale che ruota molto rapidamente (> 60.000 / min) . Sotto l'influenza dell'alta velocità e della forza centrifuga dipendente dalla massa , le molecole più pesanti di ²³⁸ UF ₆ si accumulano sulla parete interna del rotore cilindrico e le molecole più leggere di ²³⁵ UF ₆ vicino all'asse del rotore, in modo che gli isotopi possano essere rimossi separatamente.

L'effetto di separazione è migliorato nelle moderne centrifughe generando un flusso di calore circolante assiale riscaldando la parte inferiore e raffreddando la parte superiore della centrifuga. Tali centrifughe sono anche note come centrifughe in controcorrente . La più grande differenza di massa tra flusso di massa arricchito e impoverito con ²³⁵ U non è più tra l'asse e la parete del rotore, ma tra le estremità della centrifuga. La frazione arricchita e leggera (" Prodotto ") viene rimossa dall'estremità superiore (fredda), la frazione esaurita e più pesante (" Code ") dall'estremità inferiore (calda) della centrifuga.

I tubi di estrazione per la frazione arricchita e esaurita sporgono nell'area del gas rotante sulla parete interna della centrifuga e quindi utilizzano la pressione dinamica per trasportare il gas all'interno del sistema. Il processo di separazione avviene sotto pressione negativa, quindi “ Prodotto ” e “ Code ” devono essere portati a pressione normale con l'ausilio di compressori e sublimatori / desublimatori prima di poter essere inseriti nei contenitori di trasporto o stoccaggio.

Le centrifughe a gas sono generalmente collegate in cascata con diverse centinaia di singole centrifughe, poiché ciascuna centrifuga può raggiungere solo una portata limitata e un arricchimento limitato. Il collegamento in parallelo delle centrifughe porta ad un aumento della produttività, mentre l'arricchimento viene aumentato collegando in serie. L'efficienza delle centrifughe può essere aumentata aumentando la lunghezza del tubo e, in particolare, la velocità di rotazione; hanno quindi una forma allungata a rullo. Con le leghe di alluminio si raggiungono 400 m / s, con acciai altoresistenziali 500 m / se con materiali fibrorinforzati oltre 700 m / s. Le prestazioni di separazione sono praticamente limitate dalle proprietà del materiale del rotore in rapida rotazione nonché dalle limitazioni tecniche della lunghezza del rotore (presenza di vibrazioni naturali indesiderate).

Metodi di diffusione

Nel metodo di diffusione del gas , l'esafluoruro di uranio gassoso (UF ₆ ) può diffondersi attraverso una membrana porosa . La forza trainante qui è la differenza di pressione su entrambi i lati della membrana. Le molecole contenenti l' isotopo ²³⁵ U più leggero hanno una velocità di diffusione più rapida di quelle più pesanti, quindi gli isotopi leggeri si raccolgono nella camera a bassa pressione. Nel caso di una miscela di isotopi di uranio, il flusso di gas che si diffonde attraverso i pori della parete (" prodotto ") contiene quindi una proporzione leggermente superiore dell'isotopo ²³⁵ U rispetto al flusso originale ("alimentazione"). Un singolo stadio di separazione ha un basso fattore di separazione ( rapporto di concentrazione di ²³⁵ U nel prodotto e nelle code) di un massimo di 1.0035, ma un'elevata produttività del materiale. Per un grado di arricchimento sufficiente per il funzionamento dei reattori ad acqua leggera , sono necessari circa 1200 stadi collegati in serie, che insieme formano una cosiddetta "cascata". Il consumo energetico è elevato e ammonta a circa 2300-2500 kWh per kg di  lavoro di separazione dell'uranio  (UTA). L'esafluoruro di uranio viene utilizzato perché sublima a 56 ° C e perché il fluoro è costituito da un unico isotopo. La differenza di massa molecolare dipende quindi solo dall'isotopo di uranio.

Rappresentazione schematica della separazione isotopica mediante calutrone : ²³⁵ ioni U (blu scuro) vengono deviati un po 'più fortemente nel campo magnetico rispetto a ²³⁸ ioni U (azzurro), viene creato un gradiente di concentrazione attraverso il raggio deviato (qui esagerato)

Invece della differenza di pressione, è possibile utilizzare anche un gradiente di temperatura per separare gli isotopi mediante diffusione (vedere diffusione termica ). Tuttavia, questi processi non svolgono un ruolo pratico nell'arricchimento dell'uranio.

Arricchimento elettromagnetico

Come in uno spettrometro di massa , nella separazione isotopica elettromagnetica, gli atomi di uranio vengono prima ionizzati , poi accelerati in un campo elettrico e poi separati in un campo magnetico secondo i diversi numeri di massa. Questa configurazione di separazione isotopica è stata utilizzata durante la seconda guerra mondiale per produrre uranio arricchito per le prime bombe atomiche; i sistemi utilizzati a quel tempo erano chiamati calutroni .

A causa dell'enorme sforzo richiesto, questo processo non ha più alcuna importanza per la produzione di uranio arricchito. Tuttavia, viene utilizzato nella ricerca di altre separazioni isotopiche, poiché nel caso ideale è possibile rilevare un singolo atomo di un isotopo ottenuto.

Processo laser

Il processo laser si basa sullo spostamento isotopico degli spettri di assorbimento di atomi e molecole. Le condizioni spettroscopiche sono adatte, i. H. se le righe di assorbimento degli isotopi o composti isotopi sovrappongono sufficientemente piccolo, e se un laser di lunghezza d'onda adatta e banda stretta è anche disponibile, un'eccitazione isotopo selettivo è possibile. La separazione sfrutta il fatto che le specie eccitate differiscono significativamente dalle specie non eccitate in termini di proprietà fisiche e chimiche. I processi laser sono caratterizzati da un alto livello di selettività.

Fondamentalmente si possono distinguere due concetti: la fotoionizzazione del vapore di uranio (processo atomico; AVLIS ) e la fotodissociazione dell'UF ₆ (processo molecolare; MLIS ). Teoricamente, il processo laser consente la separazione degli isotopi in un unico passaggio. In pratica, il numero di fasi richieste dipende dalla misura in cui possono essere raggiunte le condizioni ideali.

Nel processo atomico, gli atomi di una miscela di isotopi vengono ionizzati selettivamente. Dopo la ionizzazione di un isotopo ( ²³⁵ U), può essere facilmente separato dagli atomi non ionizzati dell'altro isotopo ( ²³⁸ U) mediante accelerazione in un campo elettrico.

Nel processo SILEX , sviluppato negli anni '70, le molecole dell'esafluoruro di uranio gassoso contenente ²³⁵ U devono essere eccitate selettivamente da un primo laser ( ad esempio un laser ad anidride carbonica stabilizzata in frequenza ) prima che un atomo di fluoro venga separato da un secondo laser. Il solido ²³⁵ UF ₅ risultante può essere facilmente filtrato dal gas.

Dopo l'iniziale euforia sui vantaggi di questi processi rispetto ai processi di arricchimento convenzionali e consolidati, le persone sono diventate scettiche sulla loro fattibilità industriale. La maggior parte dei paesi si è ritirata da questa tecnologia perché i problemi tecnici (ad esempio la corrosione delle apparecchiature) sembravano insormontabili.

Nel frattempo, tuttavia, ci sono stati sviluppi per l'applicazione su larga scala di questo processo: ad esempio, un impianto è attualmente in costruzione vicino a Wilmington, nella Carolina del Nord, che arricchirà l'uranio utilizzando la separazione isotopica laser dal 2013. I critici mettono in guardia contro di esso, tuttavia, perché rende la produzione di armi nucleari più facile e meno controllabile.

Processo di separazione degli ugelli

Il processo di separazione degli ugelli è stato sviluppato anche in Germania alla fine degli anni '80 . Qui la segregazione degli isotopi dell'uranio avviene a causa di diverse forze centrifughe in un flusso rapido e curvo. Nel 1975, il Brasile ha adottato questo processo come parte dell'accordo tedesco-brasiliano sull'energia nucleare per trattare i suoi grandi depositi di uranio; tuttavia, i sistemi pianificati non sono stati implementati. Uno dei vantaggi del metodo dell'ugello di separazione era: per garantire che non fosse soggetto a restrizioni di riservatezza. La Repubblica del Sud Africa ha praticamente utilizzato il metodo degli ugelli separatori prima del 1990, poiché l' embargo nei confronti del paese significava che potevano essere utilizzate solo tecnologie che potevano essere utilizzate senza grandi difficoltà (senza restrizioni di riservatezza da parte della Repubblica federale di Germania ). L'elevato consumo di energia è stato accettato.

Capacità di arricchimento

Gli impianti di diffusione detengono ancora la quota maggiore della capacità di accumulo totale installata a livello mondiale . Tuttavia, la quota di produzione dei sistemi centrifughi è in aumento a causa del predominio tecnico delle centrifughe a gas avanzate. In Francia , il sistema di diffusione del gas esistente (Georges Besse I) sarà presto sostituito da un moderno sistema a centrifuga (Georges Besse II). Negli USA sono previsti due nuovi impianti di centrifuga.

Veduta aerea dell'impianto di arricchimento dell'uranio di Paducah

La quantità totale di uranio altamente arricchito nel mondo nel 2010 era di circa 1580 tonnellate. I grandi impianti hanno una capacità annua dell'ordine di poche 1000 t UTA.

La tabella seguente fornisce una panoramica dei più importanti impianti esistenti (con capacità superiori a 100 t UTA / a):

Importanza dell'arricchimento dell'uranio per la costruzione di armi nucleari

L'arricchimento dell'uranio è una delle due strade per la costruzione di armi nucleari. L'altro modo è incubare il plutonio in un reattore nucleare e poi separarlo dal combustibile nucleare usato riprocessandolo .

Se l'arma deve raggiungere una potenza esplosiva elevata, cioè se è di interesse militare strategico, l'isotopo rilevante, ²³⁵ U o ²³⁹ Pu, deve essere presente in forma quasi pura in entrambi i casi . Per armi nucleari di minore efficacia, ma che z. B. sarebbe abbastanza interessante per i gruppi terroristici, sono sufficienti ²³⁵ U o ²³⁹ Pu meno puri .

La tecnologia convenzionale di sabbiatura chimica richiesta per accendere un'arma nucleare è meno impegnativa per l'uranio che per il plutonio (vedi tecnologia delle armi nucleari ). A causa della minore radiazione, una bomba all'uranio è più facile da immagazzinare e più facile da maneggiare rispetto a una bomba al plutonio.

Un impianto di arricchimento richiede almeno un livello tecnologico comparabile per la costruzione e il funzionamento come un impianto di ritrattamento. In parole povere, deve fornire chilogrammi con alto arricchimento per scopi di armi militari, mentre per i reattori per l'approvvigionamento energetico deve fornire tonnellate con basso arricchimento. Nel caso della tecnologia a centrifuga a gas, il fatto che un sistema sia utilizzato solo per quest'ultimo scopo può essere garantito solo da ispezioni costanti o sufficientemente frequenti, perché in linea di principio un tale sistema può essere convertito dall'uno all'altro scopo cambiando la condotta collegamenti tra le centrifughe.

Nell'agosto 2005, l'opinione pubblica mondiale ha guardato all'Iran e al controverso riavvio del suo "complesso nucleare" a Natans , nella provincia di Isfahan . Lì l'arricchimento dell'uranio viene effettuato su scala relativamente piccola; il grado di arricchimento raggiunto è lungi dall'essere a prova di bomba. L'Iran rivendica il suo diritto all'arricchimento per scopi di approvvigionamento energetico civile. Tuttavia, come descritto, la padronanza della tecnologia delle centrifughe a gas per l'arricchimento rappresenta un passo essenziale sulla via del nucleare.Nel febbraio 2010, l'allora presidente Mahmud Ahmadine aveva dichiarato che l'uranio si sarebbe arricchito fino al 20%.

link internet

• Forschungszentrum Jülich - ricerca sulla sicurezza e tecnologia dei reattori presso l'Istituto per la ricerca energetica con una biblioteca informativa sull'energia nucleare
• Centro di ricerca Karlsruhe - tecnologia di sicurezza nucleare e fusione nucleare presso l'area di ricerca energetica dell'Associazione Helmholtz con dati storici sull'arricchimento dell'uranio e un lessico sull'energia nucleare
• Visita virtuale del processo di arricchimento - sito web aziendale Urenco

Prove individuali

1. ↑ Interrompi l'arricchimento dell'uranio con il laser (Nature 464, 32-33, 4 marzo 2010)
2. ↑ Presentazione alla Camera dei Rappresentanti Comitato permanente per l'industria e risorse ( Memento del l' originale datata 16 febbraio 2011 nella Internet Archive ) Info: Il dell'archivio collegamento è stato inserito automaticamente e non è stata ancora verificata. Controllare l'originale e il collegamento all'archivio secondo le istruzioni, quindi rimuovere questo avviso. (pdf, Global SILEX Systems Limited, 9 febbraio 2006) @ 1@ 2Modello: Webachiv / IABot / www.silex.com.au
3. ↑ Arricchimento di uranio
4. ↑ JW Eerkens: Spectral Considerations in the Laser Isotope Separation of Uranium Hexafluoride , in: Applied Physics , 10/1976, pp. 15-31; doi : 10.1007 / BF00929525 .
5. ^ Combustibile economico per centrali nucleari , Die Zeit , 13 giugno 1975, n. 25.
6. ↑ Arricchimento dell'uranio con i laser - Un nuovo sistema è quello di fornire a 42 milioni di famiglie negli Stati Uniti elettricità più compatta, più veloce ed economica. In: Welt am Sonntag . datato 28 agosto 2011.
7. ↑ PhysikKonkret No. 11, Marzo 2012: SILEX Rischio di arricchimento dell'uranio ( Memento del l' originale dal 24 luglio, 2013, l'Internet Archive ) Info: Il dell'archivio collegamento è stato inserito automaticamente e non è stata ancora verificata. Controllare l'originale e il collegamento all'archivio secondo le istruzioni, quindi rimuovere questo avviso. @ 1@ 2Modello: Webachiv / IABot / www.dpg-physik.de
8. ↑ False lezioni dalla guerra fredda . In: Technology Review del 4 gennaio 2012.
9. ↑ Report on Australian television from August 1, 2013, access on August 2, 2013 (English)
10. ^ Atomic Summit in Washington, articolo di Der Spiegel, 12 aprile 2010
11. ↑ Urenco Germania | Urenco. Estratto il 14 dicembre 2019 . 
12. ↑ Informazioni al pubblico secondo l'ordinanza sulla radioprotezione e l'ordinanza sugli incidenti pericolosi. 6. Ripetere le informazioni. urenco, aprile 2019, accesso 14 dicembre 2019 . 
13. ↑ Urenco-UK-Capenhurst ( Memento del l' originale dal 19 gennaio 2012 nella Internet Archive ) Info: Il dell'archivio collegamento è stato inserito automaticamente e non è stata ancora verificata. Controllare l'originale e il collegamento all'archivio secondo le istruzioni, quindi rimuovere questo avviso. @ 1@ 2Modello: Webachiv / IABot / www.urenco.com
14. ↑ Urenco NL Almelo ( Memento del l' originale del 10 dicembre 2008 nella Internet Archive ) Info: Il dell'archivio collegamento è stato inserito automaticamente e non è stata ancora verificata. Controllare l'originale e il collegamento all'archivio secondo le istruzioni, quindi rimuovere questo avviso. @ 1@ 2Modello: Webachiv / IABot / www.urenco.com