Ma quanto è ricco questo uranio?

Mi è venuto in mente di scrivervi di questo argomento dopo che nelle ultime settimane l'arricchimento dell'Uranio è diventato argomento di discussione comune, come le previsioni del tempo e le ultime affermazioni di Mourinho. Come al solito è mia intenzione darvi una descrizione del problema fondata su una basa squisitamente scientifica senza però utilizzare troppo linguaggio tecnico e incomprensibile. Prima di parlare di uranio arricchito e del perché è così importante e allo stesso tempo temuto, facciamo un po' di chiarezza.

Cos'è l'Uranio?

L'uranio è l'elemento chimico con 92 protoni nel nucleo e altrettanti elettroni che gli girano attorno. In condizioni normali, si prensenta in forma solida e di colore grigio metallico come potete ammirare nella foto qui a fianco.

Da notare l'elevata densità dell'elemento, circa il doppio di quella del piombo e 19 volte più denso dell'acqua. Questo significa che se una bottiglia da un litro d'acqua pesa un chilogrammo, lo stesso peso in uranio lo si ottiene riempiendo un bicchierino da grappa.

Nella crosta terrestre circa 3 parti ogni milione sono costitutite da uranio. Potrebbe sembrarvi un numero piccolo, ma se lo confrontate con l'argento che è 40 volte meno abbondante, vi rendete subito conto di quanto l'uranio sia particolarmente diffuso.

In natura esistono tre differenti isotopi dell'uranio: 234, 235 e 238. Questi numeri identificano il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo. Il numero dei primi infatti definisce il tipo di elemento (92 per l'Uranio) mentre il secondo contribuisce alla stabilità del nucleo stesso. In genere quando un nucleo ha troppi neutroni, tenderà a perderli, mentre quando ne ha troppo pochi cercherà di prenderli o comunque di cambiare la configurazione protoni / neutroni per cercare la massima stabilità. Se prendo un campione di uranio da una miniera, questo sarà formato al 99.3% da uranio 238, ovvero quello formato da 92 protoni e 146 neutroni. Solo lo 0.7% circa del campione sarà uranio 235 e piccolissime tracce saranno di U-234.

Ma l'uranio è radioattivo?

Sì tutti e tre gli isotopi naturali dell'uranio sono radioattivi, ovvero emettono delle radiazioni e cambiano il loro stato e hanno una vita media lunghissima. Per esempio l'U-238 ha un tempo di dimezzamento di 4.5 miliardi di anni: il che significa che se prendo un kilogrammo di uranio (il nostro grappino all'uranio per intenderci) e aspetto 4.5 giga anni, nel bicchiere ci sarà solo 1/2 chilo di uranio e il resto sarà diventato qualcosa d'altro. Che cosa di preciso è difficile dirlo, infatti, l'U-238 decade principalmente in Th-234 che però a sua volta decade dopo pochi giorni in proattinio-234 e così via sulla scala dei decadimenti riportata nella bella figura qui a destra. La catena dei decadimenti si arresta definitivamente, dopo 15 scalini, quando si raggiunge l'isotopo 206 del piombo che è stabile, ovvero non radioattivo.

È radioattivo, quindi pericoloso. È per questo che tutti ne hanno paura?

Mi si permetta di spezzare una lancia a favore del povero uranio. Si è radioattivo, ma questo non significa che sia pericolo, anzi è decisamente molto meno pericoloso di parecchi altri elementi radioattivi. Innanzitutto perché decade emettendo una particella alfa che ha uno scarsissimo potere penetrante. Questo significa che se non lo si inala o ingerisce e si evita di toccarlo a mani nude, allora è completamente innocuo. Però nella sua catena di decadimenti ci sono anche modi un po' più pericolosi di cui è meglio stare alla larga, ma in definitiva non è poi così cattivo come lo si dipinge. La paura dell'uranio è più che altro psicologica e ne entreremo nel dettaglio nei prossimi paragrafi.

Ma quanto è ricco questo uranio?

Torniamo alla domanda iniziale che ha scatenato anche tutte le altre. L'uranio-238, quello più comune per intenderci, non è particolarmente prezioso perché non può essere utilizzato negli impianti nucleari. Quello buono è l'uranio-235 che purtroppo, anzi per fortuna, è presente solo nello 0.7% della disponibilità. Quindi possiamo dire che l'uranio naturale è ricco allo 0.7% e necessita di un processo di arricchimento in modo da far aumentare la percentuale di 235 rispetto al 238.

Aspetta, però. Com'è questa storia dell'uranio buono e quello cattivo?

In una domanda precedente, vi avevo detto che l'uranio decade diventando torio emettendo una particella alfa, ma questa non è la fine della storia. Infatti essendo un nucleo molto grosso (ben 238 condomini nella stessa abitazione!) tende a spaccarsi letteralmente in due in un processo noto come fissione spontanea. Fissione significa appunto divisione del nucleo in due parti dette nuclei figli e un certo qual numero di neutroni. Attenti però perché prima della parola fine, ci sono anche i titoli di coda: ovvero la fissione indotta, che si differenza da quella spontanea per il fatto che la spaccatura avviene se il nucleo subisce un urto con una particella esterna, per esempio un neutrone. Se prendo un atomo di uranio-238 e lo bombardo con neutroni molto energetici (si dicono veloci), allora questo si spaccherà in due parti ed emetterà altri neutroni che però saranno troppo lenti per spaccare altri atomi e contiuare la reazione. Per dirla in parole molto povere è come se per tener acceso il motore della macchina, dovessi sempre tenere girata la chiave, oppure sempre tener acceso l'accendino per mantenere vivo il fuoco nel caminetto. Si capisce subito che questo carburante fatto solo da U-238 ha qualcosa che non va.

La situazione è ben diversa con l'U-235, infatti, questo si spacca molto facilmente e anche, anzi meglio, con neutroni lenti. In questo modo, una volta che la reazione è partita continuerà ad autosostenersi fin tanto che tutto l'uranio sarà esaurito.

Ma quindi il combustibile nucleare è fatto solo da uranio-235?

In realtà no, ne basta una percentuale relativamente piccola per innescare e mantenere la reazione a catena. La percentuale minima si aggira intorno al 6%, ovvero 10 volte superiore a quella presente in natura, ma questo numero può variare di parecchio a seconda della disposizione geometrica e dalla presenza di altri elementi. In definitiva possiamo dire che un arricchimento al 20% dovrebbe essere sufficiente per qualunque tipo di reattore nucleare per la produzione di energia.

Ma allora perché tutti hanno paura dell'arricchimento in Iran?

I timori degli occidentali verso il nucleare Iraniano è che non sia per scopi civili, di ricerca o per produzione di energia. Ovviamente si teme che gli scopi degli impianti di arricchimento siano militari in particolare per la produzione di ordigni atomici. In questo caso però, un arricchimento al 20% sarebbe troppo basso! La regola è che per una bomba, più alto è l'arricchimento, maggiore sarà la sua potenza deflagrante. Se dal punto di visto militare più alto è l'arricchimento meglio è, dal punto di vista civile la situazione è ben diversa. Al fine di poter controllare la combustione nucleare, questa deve procedere piuttosto lentamente perché sia sempre possibile interromperla e spremere al massimo tutto il combustibile.


L'arricchimento dell'uranio avviene attraverso tecniche di ultracentrifugazione. Ma questo non è l'unico modo per produrre combustibile nucleare.


E il plutonio?

Ovvero quelle barrette verdi luminiscenti che maneggia Homer Simpson nella centrale di Springfield. L'isotopo 239 del plutonio è un ottimo combustibile nucleare, nel senso che come l'U-235 può sostenere una reazione a catena. Il Pu-239 viene generato a partire dall'uranio 238 (quello comune e disponibile in grandi quantità). Il processo è molto semplice: si prende U-238 e lo si espone a neutroni piuttosto lenti in modo da favorirne la cattura anziché la fissione indotta. Il risultato è che l'U-238 diventa U-239 che però è instabile e decade abbastanza velocemente diventando Neptunio 239 e questo a sua volta decade finalmente nel desiderato plutonio.


La produzione di plutonio è decisamente molto efficace se si ha a disposizione un reattore nucleare già in funzione, perché tutti i neutroni in eccesso generati nella reazione primaria possono essere inviati su barre di uranio naturale (non arricchito) per produrre nuovo combustibile. In realtà i reattori per produzione di energia sono poco adatti a questo genere di processo, ma particolari reattori da ricerca, detti breeder, sono in grado di produrre altissime quantità di plutonio a partire dal comunissimo uranio.


E' ovvio che se un Paese volesse cominciare a sviluppare una sua tecnologia nucleare, dovrebbe innanzitutto partire da piccoli reattori di ricerca, quindi arricchire uranio e poi, volendo, anche prodursi ottimo combustibile a basso costo partendo da uranio non arricchito.



Ma con il plutonio si possono fare anche le bombe?



Purtroppo sì! Delle uniche due bombe atomiche mai usate in guerra (Hiroshima e Nagasaki), la seconda fu realizzata con plutonio.




E con l'uranio impoverito?



Se ne esiste uno arricchito, ne deve esistere anche uno impoverito... Adesso dovrebbe esservi immediatamente chiaro di cosa si parla: uranio in cui la percentuale di 235 è stata notevolmente ridotta. Questo materiale potrebbe essere utilizzato nella manifattura del plutonio, oppure, ancora una volta, nella produzione di armi. L'enorme densità dell'uranio lo rende ideale per costruire proiettili che riescono a penetrare parecchio in profondità anche gli strati di roccia più dura. L'uso di uranio impoverito per applicazioni belliche è controverso perché, anche se il livello di radiazione emessa è inferiore a quello dell'uranio naturale, non sono ancora chiari gli effetti a lungo termine.


Dopo questa lunga discussione, che spero non abbiate trovato troppo noiosa, credo vi sarete fatti un'idea del ruolo che gioca l'uranio e in generale i combustibili nucleari nell'economia mondiale e nei rapporti tra Paesi.