Cosa significa arricchire l’uranio?

La sua abbondanza è stimata in circa 4 parti per milione. Cioè, su un milione di briciole di crosta terrestre, 4 sono di uranio. Ciò che rende l'uranio particolarmente interessante sono i suoi isotopi. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni (quindi lo stesso numero atomico), ma un numero diverso di neutroni nel nucleo. Questo porta a una massa atomica leggermente diversa, cioè l’atomo, ovvero l’isotopo che ha più neutroni nel nucleo pesa di più. In natura, l'uranio si presenta principalmente in due isotopi, quindi in tre forme atomiche di peso diverso. È sempre uranio ma fatto di atomi più leggeri o pesanti.

Vediamoli un po’. L’Uranio-238 (²³⁸U) costituisce circa il 99,27% dell'uranio naturale. L’uranio-235 (²³⁵U) è la star indiscussa del mondo nucleare, ma rappresenta solo circa lo 0,72% dell'uranio naturale. È più leggero dell’uranio 238 ed è l'unico isotopo fissile di uranio presente in natura. Quindi è il combustibile nucleare che alimenta le centrali nucleari e purtroppo pure le bombe. L'obiettivo dell'arricchimento dell'uranio è aumentare la percentuale di uranio-235 rispetto all'uranio-238. Questo perché, come abbiamo visto, solo l'U-235 è fissile e può sostenere la reazione a catena necessaria per la produzione di energia nelle centrali nucleari. Il principio fondamentale dell'arricchimento si basa sulla sottile differenza di massa tra gli isotopi di uranio. Gli atomi di ²³⁵U sono leggermente più leggeri di quelli di ²³⁸U. Sebbene la differenza sia minima, è sufficiente per essere sfruttata in processi industriali su larga scala.

Prima dell'arricchimento, l'uranio estratto viene fatto reagire col fluoro e convertito in un composto gassoso chiamato esafluoruro di uranio (UF₆). Questo gas è l'unica forma di uranio che può essere facilmente utilizzata nei principali metodi di arricchimento. La centrifugazione a gas è oggi il metodo più comune ed efficiente per l'arricchimento dell'uranio. Sfrutta la forza centrifuga per separare gli isotopi. Così l'UF₆ gassoso viene introdotto in cilindri lunghi e sottili, chiamati centrifughe, che ruotano ad altissime velocità (decine di migliaia di giri al secondo). La forza centrifuga spinge le molecole più pesanti che contengono U-238 verso la parete esterna del cilindro, mentre quelle più leggere con U-235 tendono a rimanere più vicine al centro. All'interno del cilindro rotante, il gas si stratifica. Una pompa estrae il gas leggermente arricchito dal centro della centrifuga e il gas leggermente impoverito dalla periferia. Una singola centrifuga produce solo un leggero arricchimento. Per raggiungere i livelli desiderati, migliaia di centrifughe sono collegate in cascate parallele e in serie. Il materiale leggermente arricchito di una centrifuga passa alla successiva, e così via, fino a ottenere la concentrazione voluta.