FONTI PER LA PRODUZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA : L'URANIO

URANIO

Elemento metallico di simbolo U, numero atomico 92 e peso atomico 238,1 appartiene alla serie degli attinidi.
Tra gli elementi presenti in natura, è quello dotato di numero atomico maggiore e quelli che lo seguono nel sistema periodico sono tutti artificiali.
E' diffuso nella percentuale di 4 parti per milione, percentuale calcolata nella crosta terrestre, ed è presente in diverse rocce (graniti, basalti, ecc.), ma i minerali importanti dal punto di vista industriale sono solamente due: uranite (U02 contenente anche Torio) e la pechblenda (anch'essa biossido di Uranio).
La maggior parte dell'uranio naturale è costituita dall'isotopo di massa 238, che non è soggetto a fenomeni di fissione naturale; solo una piccola percentuale (0,72%) è costituita dall'isotopo 235, che subisce la fissione ad opera di neutroni rallentati, sviluppando enormi quantità di energia.
Va notato che anche l'U238, elemento fertile, può essere trasformato in un materiale fissile, e precisamente nell'isotopo Pu239 il Plutonio, per assorbimento di neutroni lenti e successivo decadimento radioattivo.
Il Plutonio, elemento chimico transuranico del gruppo degli attinidi, è un metallo argenteo lucente, radioattivo con tempo di dimezzamento di 24.000 anni.
Il suo isotopo fissile Pu239 si trova in minime tracce nei giacimenti di Uranio, dove si forma per l'azione dei neutroni liberati nella fissione spontanea di questo.
Gli isotopi del Plutonio si formano anche nel corso di reazioni nucleari di fissione dell'Uranio per l'azione dei neutroni sull'U238 nei reattori autofertilizzanti.
L'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238 dà luogo a un processo radioattivo chiamato decadimento b (beta), durante il quale il nucleo si trasforma nell'isotopo fissile plutonio 239.
Nel decadimento beta un neutrone decade in un protone, una particella beta e un antineutrino elettronico.
La fissione di un nucleo di plutonio 239, innescata da un neutrone, avviene con emissione di una media di 2,8 neutroni, uno dei quali è necessario per indurre la fissione nello stadio successivo della reazione a catena. Circa 0,5 neutroni (in media) vengono persi perché assorbiti dalle strutture del reattore o dal refrigerante e i restanti 1,3 neutroni possono essere assorbiti dall'uranio 238 per la produzione di altro plutonio 239.
È estremamente pericoloso sia per la radioattività (si fissa nel midollo emettendo radiazioni a con forte intensità), sia perchè tossico: la sua assunzione anche se in quantità minime (pochi milligrammi) provoca rapidamente il cancro ai polmoni e causa morte sicura.
Oltre che ad essere utilizzato nei reattori per la produzione di energia elettrica, le potenze nucleari lo impiegano per produrre le bombe atomiche.

PREPARAZIONE DELL'URANIO U235

Il ciclo del combustibile consiste di tre stadi fondamentali: il trattamento di preparazione degli elementi combustibili per i reattori, la fase di sfruttamento e l'immagazzinamento o il riciclaggio del combustibile usato.
L'uranio naturale, che contiene circa lo 0,7% di uranio 235, viene estratto da giacimenti superficiali o sotterranei. Il minerale è trattato con acido solforico, così che l'uranio passa in soluzione sotto forma di ione uranile.
La soluzione viene quindi concentrata per macinazione e trattata chimicamente per ottenere il nitrato di uranile che, dopo complicate estrazioni e retroestrazioni con solventi organici, può venire cristallizzato in forma idrata: UO2(NO3)2 x 6H2.
Il sale viene poi ridotto con Idrogeno e trattato con acido fluoridrico per trasformarlo in tetrafluoruro di uranio; quest'ultimo viene nuovamente ridotto con magnesio per dare luogo al metallo puro.
Se si vuole separare l'isotopo 235 da quello 238, il metallo viene ritrasformato in esafluoruro di uranio gassoso (UF6). Nell'impianto di arricchimento isotopico, questo gas viene indirizzato contro una barriera porosa che funge da setaccio: l'uranio 235, più leggero, vi penetra più facilmente dell'uranio 238. Il prodotto arricchito viene mandato a un impianto di fabbricazione del combustibile, dove il gas di UF6 viene trasformato in polvere di ossido di uranio, e quindi nelle pastiglie di cui sono composte le barre di combustibile. Queste ultime vengono assemblate e trasportate al reattore, pronte per essere utilizzate.
Parte del combustibile deve essere sostituito ogni anno a causa dell'impoverimento in uranio 235 e dell'accumulo di prodotti di fissione che assorbono neutroni. Il combustibile usato viene generalmente conservato entro un tubo pressurizzato per circa un mese e mantenuto per circa un anno all'interno di vasche di raffreddamento presso il reattore.
Al termine del periodo di raffreddamento le barre vengono trasportate, all'interno di barili fortemente schermati, in strutture di immagazzinamento permanenti o in impianti di riprocessamento chimico; in questi ultimi l'uranio e il plutonio vengono separati dal resto delle scorie radioattive e in parte recuperati per la produzione di nuovo combustibile.
In alcuni paesi non è consentito il riprocessamento del combustibile, per timore che il plutonio 239 venga utilizzato illegalmente per la fabbricazione di armi nucleari.
Nel ciclo del combustibile dell'LMFBR, il plutonio prodotto nel reattore viene sistematicamente riciclato. Per la fabbricazione degli elementi combustibili si usa uranio 238 riciclato, uranio impoverito dalla separazione isotopica, e parte del plutonio 239 recuperato dalle barre usate. Il processo di recupero e riciclaggio fornisce quantitativi sufficienti di combustibile senza che siano necessarie ulteriori attività di estrazione.
Lo stadio finale di qualunque ciclo di combustibile è l'immagazzinamento a lungo termine delle scorie altamente radioattive, che rimangono biologicamente pericolose per migliaia di anni. Gli elementi combustibili possono essere immagazzinati in depositi adeguatamente schermati e sorvegliati, in attesa di ulteriori disposizioni, oppure possono essere convertiti in composti stabili, inglobati in vetri o ceramiche, incapsulati in contenitori di acciaio inossidabile, e infine seppelliti sottoterra a profondità opportune, in formazioni geologiche particolarmente stabili.

REATTORI NUCLEARI
Gli elementi fondamentali di un reattore nucleare sono:
- combustibile: Uranio arricchito al 3% o al 10% di U235 o U233 o il Plutonio PU239;
- moderatore: grafite, acqua comune, acqua pesante (D2O);
- riflettore: Piombo o Acciaio;
- sistema di controllo: barre di Cadmio o Acciaio al Boro;
- sistema di refrigerazione: acqua, metalli fusi (Sodio), gas (aria, CO2, Elio);
- involucro protettivo: calcestruzzo.
I primi reattori su larga scala, costruiti per la produzione di armi nucleari, usavano come combustibile uranio metallico naturale e come moderatore grafite.
Oggi esiste in tutto il mondo una gran varietà di reattori per la produzione di energia nucleare, che differiscono l'uno dall'altro per il tipo di combustibile, il moderatore o il sistema di raffreddamento. Nei reattori moderati e refrigerati ad acqua, viene generalmente usata acqua naturale (non pesante) e questo richiede l'impiego, come combustibile, di uranio arricchito.