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4 ottobre 2012

Arricchire l'uranio con il laser

A darci lo spunto per questo articolo è stata l'approvazione del primo impianto americano abilitato all'arricchimento dell'uranio utilizzando una sorgente laser. La tecnica proprietaria e altamente confidenziale sviluppata da GE - Hitachi si basa sul bombardamento di un flusso di uranio gassoso con una luce laser di frequenza precisa. Per anni era stata considerata l'uovo di Colombo del processo di arricchimento, ma dubbi e paure sulla possibile proliferazione di materiale nucleare a fini bellici ha frenato le autorità ad approvarle. Fino ad oggi, per lo meno.

Iniziamo con la bella info-grafica preparata da Nature dove vengono confrontate le tre maggiori tecnologie.



Lo scopo del processo di arricchimento è di aumentare la frazione del prezioso isotopo 235 dell'uranio comparato al meno utile, ma più abbondante uranio-238. La ragione di questo arricchimento è già stata spiegata più volte tra le pagine di questo blog, per esempio qui.

Il gas e l'arricchimento

Tutti  questi metodi di arricchimento richiedono che l'uranio in ingresso si presenti in forma gassosa. La scelta più conveniente è quella dell'esafloruro di uranio, in formula UF6 e soprannominato hex nell'industria nucleare. Sono almeno tre le ragioni per cui questo gas è la scelta migliore:

  1. La molecola contiene un solo atomo di uranio. Se ne contenesse più di una allora l'efficienza dell'arricchimento sarebbe ancora più bassa perché praticamente impossibile trovare più atomi di uranio-235 nella stessa molecola.
  2. Il fluoro in natura ha un solo isotopo stabile, così il peso della molecola di hex è fissato esclusivamente da quello dell'atomo di uranio.
  3. Il terzo vantaggio è la termodinamica, infatti il diagramma delle fasi è favorevole per la lavorazione industriale che non richiede temperature e pressioni troppo elevate.


La diffusione. E' il metodo descritto nella prima casella e quello più costoso per unità e richiede anche una grande quantità di energia. Si basa sull'utilizzo di una membrana semi-permeabile su cui viene soffiato l'esafloruro di uranio. Il gas più leggere ha maggiori probabilità di attraversare la membrana rispetto a quello più pesante, e così all'uscita il gas prelevato da sopra la membrana conterrà una frazione più elevata di uranio-235 rispetto a quello prelevato sotto.

La centrifuga. E' forse il metodo più comune perché meno costoso della diffusione gassosa per unità di arricchimento e anche come investimento in energia. Immaginate di mettere il solito hex all'interno di una centrifuga in funzione: le molecole pesanti andranno ad accumularsi sull'esterno della camera in rotazione, mentre quelle all'interno saranno più ricche in uranio-235.

Il SILEX. Di metodi di arricchimento basati sui laser ce ne sono diversi. Quello approvato recentemente prende il nome di SILEX, che è l'acronimo inglese di separazione di isotopi con eccitazione laser. La molecola di esafloruro di uranio ha livelli energetici leggermente differenti a seconda della massa dell'uranio. La differenza è minima, ma grazie all'accuratezza e la precisione della luce laser è possibile selezionare l'energia esatta per stimolare questa transizione energetica. A questo punto un campo magnetico può essere utilizzato per separare le due famiglie di molecole. Il costo dell'apparato di separazione è minimo e altrettanto è il consumo di energia.

Ma allora dov'è il problema?

C'è sempre un ma nella vita. E questa volta arriva dai rischi legati al possibile uso per scopi non civili di questa tecnica di arricchimento. Le varie agenzie internazionali, in primo luogo IAEA, ha messo sotto controllo il commercio degli impianti per l'arricchimento, in particolare le centrifughe. Così se tu compri una centrifuga per l'arricchimento dell'hex, dovrai essere in grado di giustificare davanti alle autorità che cosa ne vuoi fare. Fin qui, diciamo che è tutto ok, anche se so che a qualcuno questa forma di controllo già sembra ingiusta.

Il problema è con il laser e il cosiddetto dual use. Per costruire un sistema di arricchimento basato sul laser non serve nulla di speciale se non il laser appunto e questo è un prodotto abbastanza comune perché trova applicazioni in svariati ambiti. E qui c'è il rischio che qualcuno compri un laser dichiarando di volerlo utilizzare per scopi medicali, ad esempio, e poi utilizzarlo per arricchire in segreto l'uranio.

Insomma, se da un lato, questa tecnica è più efficiente e più economica, dall'altro richiederà maggiore controllo per evitare di avere un ritorno alla corsa agli armamenti.

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42 commenti:

  1. Tutto questo solleva una questione interessante, al di là del LASER. Il problema del LASER è come quello di tanti oggetti pensati per uno scopo, ma che è possibile utilizzare per un altro. Il controllo è praticamente impossibile.
    Ma la domanda che mi pongo è la seguente: La separazione per diffusione gassosa sembra quello che richiede meno tecnologia di tutti e quindi anche se poco efficiente quello più adatto alla proliferazione clandestina. Ovvero: meglio un metodo poco efficiente ma che richiede poca tecnologia e puoi nascondere (diffusione gassosa) che un metodo più efficiente, ma più difficile da nascondere (centrifughe). Anche se consideri che i paesi sulla "lista nera" non sono generalmente quelli all'avanguardia tecnologica.
    Perché il rischio proliferazione per la diffusione gassosa è ritenuto cosi' basso?

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  2. parlo a sproposito, perché delle politiche dei terroristi o simili non capisco nulla.

    forse, e dico forse, è sufficientemente facile tenere sotto controllo la catena di prodotti necessari per procedere con il processo.


    a parte questo, ritengo che l'efficienza sia importante. se vuoi fare un ordigno ti serve una buona quantità e un buon arricchimento, altrimenti ti conviene pensare ad altre tipologie di ordigni.

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  3. Certo non sappiamo di tecniche terroristiche, ma ci basiamo sulla logica :-)

    è sufficientemente facile tenere sotto controllo la catena di prodotti necessari per procedere con il processo
    Infatti pensavo a questo. Mi sembra - mi sembra! - che la diffusione gassosa richieda prodotti e tecnologie che sono più difficili da tracciare. O meglio, alla fine non è importante tanto la tracciabilità del prodotto in sé, ma dell'uso che ne fai.
    Se un prodotto serve a una sola cosa le due coincidono, altrimenti devi avere informazioni per altra via per poter associare prodotto-uso.

    Fra l'altro la diffusione era il metodo principale durante la guerra fredda, poi abbandonato per le centrifughe. Dovrebbe quindi essere ragionevolmente efficiente.

    Credo poi che in un'ottica terroristica sia più importante la dissimulazione che l'efficienza del processo. E' il problema base del LASER, con in più il fatto che è efficiente.

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  4. Domande semipertinenti.
    Si e` diminuito il materiale fissile nelle bombe nucleari grazie agli specchi neutronici, quali diavolo di materiali hanno la capacita` di far "rimbalzare" i neutroni?
    Perche` non usarli in reattori civili [magari spostabili all`esterno del RPV, per accelerare lo spegnimento] per permettere arricchimenti inferiori?

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  5. Chiediamolo agli iraniani che hanno comprato migliaia e migliaia di centrifughe dai nord koreani :)

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  6. Beh, nei reattori civili l'arricchimento è già molto basso, massimo il 5%. Per le armi nucleari l'arricchimento è parecchio più alto (a memoria mi pare intorno al 90%, in ogni caso non inferiore al 70-80%). Quindi là ha un senso cercare di ridurre la parte di materiale fissile.
    I materiali che fanno rimbalzare i neutroni sono quelli che permettono di fare scattering senza assorbimento, acqua e soprattutto la grafite. In pratica i riflettori, che ci sono eccome per evitare le dispersioni di neutroni sui bordi del nocciolo.
    Nelle bombe oltre ai riflettori (in carburo di tungsteno, per esempio) si usano anche parecchi altri criteri per aumentare l'efficienza con poco materiale, in particolare criteri geometrici.

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  7. E infatti sono sotto controllo... e niente ci dice che non abbiano apparati per la diffusione gassosa.
    Ma personalmente non credo troppo alla versione ufficiale sull'Iran.

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  8. Sapresti suggerirmi qualcosa di descrittivo su scattering ed altro durante le fasi di operazione di un reattore?

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  9. Ad esempio nel nostro reattore (LEU <20%) per mantenere una densità di flusso elevata nel nocciolo lo stesso è circondato da un riflettore di grafite. Il gas di neutroni che entra nel riflettore viene riflesso (si usa il termine albedo) in parte nel nocciolo e questo da un contributo positivo alla popolazione neutronica per sostenere la reazione a catena.
    SM

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  10. Vuoi che ti anestetizzo con paginate di equazioni differenziali sull'equazione del trasporto? Non ti voglio così male :)
    SM

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  11. Secondo me la quantità di energia necessaria per questo processo lo rende non utilizzabile da un paese che non sia nella top list dell'industria nucleare. Mi sembra di ricordare che in Francia ci sono 4 reattori che lavorano solo per questo, è una roba enorme. Voglio vederti a nascondere un impianto come Eurodif.
    BTW il metodo più efficiente è utilizzare U-238 con reattori veloci, non devi fare l'arricchimento :)
    SM

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  12. ha detto descrittivo!
    Cavolo, per mettere in mezzo le equazioni di trasporto e di diffusione invece devi volergli davvero male :-)
    Se non trovi niente, cerco qualcosa io...

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  13. Ecco, ok questo risponde alla domanda.

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  14. Un matematico direbbe che la teoria del trasporto è descrittiva :)

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  15. Domanda facile facile allora:
    Secondo te per un ingegnere elettronico che parte dalle equazioni di Maxwell, catene di Markov, e tante belle altre robette... e` piu` complicato quello che mi tiri fuori tu o il Giapponese?
    Tra le varie che magari non sai ci sono i kanji che hanno diverse letture a seconda di come li combini.
    L`ultima che ho scoperto qualche giorno fa e` che per "motivi stilistici" avevano invertito il nominativo col genitivo nel titolo di un nuovo film al cinema.

    Comunque mi accontentavo di qualcosa di "descrittivo", ma se vuoi andare sulle equazioni allora non avrai problemi a dirmi tutta la catena delle reazioni di tutti i sottoprodotti, energie, decadimenti in, veleni ed effetti, roba da 30 secondi :P

    Non avevo proprio idea che i neutroni potessero "rimbalzare" sulla grafite, solo attraversare/deviare/essere catturati, come mi piace scoprirne di nuove.

    Posso osare pensare che fosse questo il motivo percui le barre di controllo di Chernobyl avessero un feedback inizialmente positivo?
    Perche` questa scelta di materiale per barre di controllo oltre al masochismo?

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  16. Il "perfido" ha fatto finta di non leggerlo, cosi` puo` sganciarmi contro equazioni che distruggono le connessioni neurali :)
    Ma io RESISTERO`, RESISTERO`, RESISTERO`!
    E continuero` con le mie domande facili facili ;)

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  17. Non dirmi che hai conquistato Vittoria spiegandole queste equazioni...
    [ e invece si` perche` studiava con te]

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  18. "Rimbalzare" è un sottoinsieme di "deviare" se vuoi. Lo hai quando i neutroni sono deviati di nuovo all'interno del core. Questo avviene in parte, ovviamente, ma maggiore è l'efficacia nello scattering è maggiore è l'albedo (che è il termine esatto, come diceva SM).
    Per quanto riguarda Chernobyl, le basse non erano di grafite, ma solo la prima parte. E' uno degli errori progettuali (preso in considerazione a posteriori, ma rivelato già a Ignalina) dei vecchi RBMK che è stato poi corretto.
    Se ti chiedi perché fossero cosi', lo scopo era quello di aumentare la differenza di attenuazione del flusso neutronico fra barre inserite e estratte. In quel caso, inserendo la barra si spostava l'equivalente di acqua che assorbe i neutroni meglio della grafite, quindi si ha un aumento locale del flusso. Tiene presente che la parte di grafite non era "attaccata" al resto della barra, ma c'era un gap di acqua e che a barra estratta la parte di grafite si trova nella zona centrale.

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  19. Per farmi perdonare ti faccio un regalino, mi spiace solo che siano con "faccia di gomma WHO":
    http://www.blogy.com.ar/doctor-who-2005-s07e05-the-angels-take-manhattan-hdtv-x264-tla/

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  20. Ho qualcosa di facile e introduttivo e volumi da farti venire gli incubi la notte (potevi dubitarne? :-) )
    Se vuoi ti passo qualcosa di basico introduttivo. Cosi' vedi come il meccanismo.

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  21. OT: Domanda facile: mai Kanji giapponesi si compongono come quelli cinesi? Cioé, segni di concetti semplici si fondono in un segno unico per formare un concetto più complesso?

    RispondiElimina
  22. Ovvio che non dubito, ogni tanto nel mio cervello sbuca una voce tenebrosa che dice "rotore del rotore della divergenza del campo magneticoooo".
    Gradirei molto le Sue segnalazioni oh Somma Magnificenza.

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  23. rotore della divergenza.... mumble mumble
    MATH ERROR
    :-)

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  24. Intanto i kanji giapponesi SONO i kanji cinesi, scopiazzati alla grande!
    Piccola parentesi OT dell`OT: ho beccato una di quei giappo che ritengono di essere alieni provenienti dalle Pleiadi e prima ancora che io accendessi il cervello mi e` uscito di bocca: "Ma se siete venuti dalle Pleiadi cosa diavolo avevate scritto sui comandi di volo che avete avuto bisogno scopiazzare i kanji dai cinesi?".
    E questo e` il motivo delle 2 o piu` letture dei kanji, una e`, o dovrebbe essere, quella cinese.
    Almeno fino ad una dozzina di anni fa solo 2 combinazioni di kanji sono di nascita giapponese, ma la mia conoscenza si limita a questa citazione della Professoressa Ueda (上田) di Ca` Foscari.
    Tornando alla domanda, sia un singolo kanji puo` avere dei radicali che provengono da altri kanji, sia piu` kanji in fila possono essere una nuova parola.
    Ad esempio [e qui Alessandro se mi legge inizia a bestemmiare] per secoli ho detto (nel mio giappo da sopravvivenza) "per 3 ore" -> 3 ora intervallo -> san ji kan -> 三 時 間. Ma solo qualche settimana fa ho scoperto che JI KAN 時間 assieme volessero dire "tempo".
    Poi ci aggiungi i kata-kana per il resto della lingua giapponese.
    Giornali e libri a grande diffusione sono limitati ai primi 2000 kanji per garantire che tutti possano leggere.

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  25. Io e Sergio ringraziamo per i primi 5MB di pdf, io per ovvi motivi e Lui perche` cosi` lo secco di meno :)

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  26. AnonimaFrancese5 ottobre 2012 15:28

    http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/fondamental/20121002.OBS4246/silex-l-enrichissement-de-l-uranium-par-laser-en-phase-d-industrialisation.html

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  27. Condensi in poche righe argomenti complessi. Intanto che ti cerco qualcosa di umanamente accettato come "descrittivo" sul trasporto di neutroni beccati questi flash:
    - Le barre di controllo di Chernobyl, ma in genere di tutti gli RBMK pre incidente di Chernobyl, avevano un iniziale effetto di inserzione di reattività positiva perchè i terminali alto e basso delle barre erano in grafite o meglio, grafite senza boro come la restante parte centrale della barra. Una inserzione lenta di barra col terminale in grafite causa un transitorio positivo di reattività che ha giocato molto male in occasione del test a bassa potenza tentato il 26 aprile 1986 a causa del concomitante effetto reattivo positivo di vuoto. In pratica è come frenare schiacciando l'acceleratore ... Dopo l'incidente le modifiche sugli RBMK restanti hanno riguardato in modo specifico questo aspetto.
    - I neutroni non rimbalzano sulla grafite, devi pensarli come un gas che diffonde all'interno dei materiali
    - non parlarmi di giapponese, sto avendo i miei grattacapi con la scittura del russo in corsivo, io che non scrivevo in corsivo dalla prima liceo ...

    Ti cerco qualcosa sulla diffusione dei neutroni :)
    SM

    RispondiElimina
  28. No, Vittoria è felicemente estranea da ogni implicazione con il mio lavoro

    RispondiElimina
  29. Valeriano, ho riletto 4 volte questo tuo commento perchè non riuscivo a capirlo ma alla fine l'ho compreso e condivido tutto quanto dici. Davo per scontato il fatto che la grafite modera i neutroni meglio dell'acqua come sottolinei, ma non è questo il punto del deficit tecnologico di quelle barre.
    Infatti quell'andamento non produce danni se inserisci la barra di controllo rapidamente in caso di necessità (scram). L'effetto è rapido e deprime il flusso se la barra cade per gravità oppure se è inserita pneumaticamente in modo rapido.
    Il difetto viceversa nasce dal fatto che, causa necessità di esercizio di questo tipo di reattori, l'inserzione meccanica di sicurezza delle barre richiedeva circa 20secondi che è una enormità per la reazione a catena e per questo motivo il transito della grafite nella parte terminale della barra ha generato inserzione di reattività nel sistema.
    E' un indubbio deficit grave progettuale che ha manifestato tutta la sua negatività a causa delle concomitanti condizioni di svolgimento del test (bassa potenza laddove la creazione di un vuoto nel volume del nocciolo riduce le catture neutroniche e aumenta quindi la reattività.

    C'è un motivo se tutti gli RBMK dell'Unione Sovietica avevano rifiutato di svolgere quel test in quelle condizioni.
    SM

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  30. @SM se ti serve una mano con il russo, non esitare! Corsivo e non (vista la "t" che bella? :-) ) , grammatica e traduzioni!!

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  31. Scrivo così male? :-) Ma si, abbiamo detto praticamente le stesse cose.
    Diciamo pure che le barre erano lente (quelle dell'RCPS) perché scendendo dovevano scacciare l'acqua e lo spazio fra la barra e il canale era molto stretto, con un bell'effetto di attrito viscoso.
    I vecchi RBMK avevano diversi difetti di progetto, è innegabile.

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  32. Quello che ti manderà sergio sarà parecchio più tosto e matematico e quindi ti darà la derivazione delle equazioni, quello che ti ho mandato per ora è più un approccio numerico ma intanto là ti fai un'idea.
    Poi ti ho detto, di robe ce n'è in giro...

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  33. devo dire che questo post ha suscitato un interesse inatteso... bene mi fa molto piacere!

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  34. Veramente sto cercando un approccio grafico ma sino ad ora con scarso successo.
    Non sono così cattivo :/
    SM

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  35. Anche se un po' OT :-)

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  36. Io gli ho mandato qualcosa di veramente basico, più che altro dal punto di vista del calcolo numerico.
    Non ho osato per il momento sparargli i testi di fisica dei neutroni, se poi li richiede esplicitamente... :-)

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  37. Cito il nuovo detto del neo dipartimento di Totoro:
    STICAZZI !

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  38. E` che ti disegnano cosi` ? [Who framed Roger Rabbit]

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  39. Appena raggiungo il 20% del giapponese di Alessandro forse te li chiedo a quel livello... per festeggiare.
    Dio quanto mi voglio male!

    RispondiElimina
  40. Ma OT sempre carini!

    RispondiElimina

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