Come si usa l’uranio per alimentare reattori nucleari e armi di distruzione di massa

L’energia nucleare è una fonte di energia che esiste da diversi decenni. È considerata un’opzione sostenibile ed a basse emissioni di carbonio, il che la renderebbe uno strumento essenziale nella lotta al cambiamento climatico, se non fosse per i rischi intrinseci delle centrali nucleari, come abbiamo imparato dopo i disastri di Chernobyl e Fukushima.

Il segreto dell’energia nucleare risiede nell’uranio, un elemento presente in natura utilizzato per alimentare le centrali nucleari, ma che è anche alla base di molte armi nucleari. Come può un minerale relativamente comune generare enormi quantità di energia?

Uranio, una potente fonte di energia

L’uranio ha sia una storia affascinante che un significato immenso in vari campi. Scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Klaproth, questo denso metallo bianco-argenteo è noto per le sue proprietà radioattive e per l’abbondante presenza nella crosta terrestre. Si pensa che si sia formato con l’esplosione di supernove circa 6,6 miliardi di anni fa e il suo lento decadimento radioattivo è la principale fonte di calore all’interno della Terra, causando convezione e persino la deriva dei continenti.

Come altri elementi, l’uranio si presenta in diverse forme leggermente diverse chiamate isotopi, identificate dal numero di neutroni che hanno nel loro nucleo. Il minerale di uranio naturale è costituito da due di questi isotopi: uranio-238 (U-238) e uranio-235 (U-235). È quest’ultimo isotopo, l’U-235, il più importante per l’energia nucleare, ma rappresenta solo lo 0,7% circa dell’uranio naturale, mentre l’U-238 costituisce circa il 99,3%.

Il motivo per cui l’U-235 è così importante è che è un materiale fissile, il che significa che può sostenere una reazione nucleare a catena. Ciò si ottiene mediante la “scissione dell’atomo“, un processo denominato “fissione“, in cui un nucleo viene bombardato da neutroni che lo fanno spezzare in due o più nuclei più piccoli. L’energia rilasciata da questa scissione è enorme e si presenta sotto forma di calore. Quando l’U-235 subisce la fissione, il nucleo diviso rilascia molti neutroni, provocando altre reazioni di fissione (la reazione a catena) che producono ancora più energia.

È questa energia che sostiene i reattori nucleari, dove il calore viene utilizzato per produrre vapore per azionare turbine e generatori, creando quindi elettricità. Questa, però, è la stessa reazione utlizzata per generare le potentissime esplosioni delle armi nucleari. In realtà, però, mentre i principi alla base della produzione di energia e delle esplosioni sono gli stessi, i risultati sono molto diversi.

In un reattore nucleare, le barre di combustibile di uranio sono assemblate nel nucleo insieme ad altre barre chiamate “veleni nucleari” che assorbono i neutroni per limitare le reazioni di fissione in modo controllato. Queste barre di controllo possono essere inserite ed estratte per impostare il reattore al livello di potenza desiderato. A causa del modo in cui viene preparato il combustibile, se si verifica un evento critico nel reattore, il nocciolo può surriscaldarsi e sciogliersi ma non può esplodere.

Come fa l’uranio a produrre energia nucleare?

L’uranio deve passare attraverso una serie di processi industriali prima di poter essere utilizzato come combustibile. Quindi, una volta esaurito, vengono prese ulteriori misure per smaltirlo o riciclarlo. Tutte queste fasi sono conosciute collettivamente come il ciclo del combustibile nucleare.

Il ciclo del combustibile nucleare inizia con l’estrazione e la macinazione dell’uranio, dove il minerale di uranio viene estratto dalla crosta terrestre e lavorato per ottenere un concentrato di uranio, noto anche come yellowcake. Questa torta gialla viene quindi trasformata in una forma adatta all’arricchimento.

Come accennato in precedenza, la quantità di U-235 nel minerale di uranio è estremamente bassa, quindi l’arricchimento viene utilizzato per aumentare le concentrazioni di questo isotopo vitale. Ciò si ottiene attraverso varie tecniche, ma spesso attraverso l’uso di centrifughe che separano l’U-235 dall’U-238 per differenza di massa.

Una volta accumulato abbastanza U-235, il materiale arricchito viene traformato in combustibile, modellandolo in pellet e racchiuso nin contenitori di metallo che verranno utilizzati come barre di combustibile. Queste barre vengono assemblate in gruppi di combustibile per l’uso in un reattore. Ciò rappresenta la parte iniziale del ciclo del combustibile nucleare.

Dopo che il combustibile si è esaurito e non sostiene più le reazioni nucleari a catena, deve essere gestito in modi specifici. I gruppi di combustibile esaurito vengono accuratamente rimossi dal nocciolo e messi in deposito. Alla fine, il combustibile esaurito sarà sottoposto a ritrattamento, dove tutti i materiali utilizzabili vengono estratti per un ulteriore utilizzo. Lo scopo di questa fase è recuperare materiali preziosi come l’eventuale U-235 rimanente, ma anche il plutonio che viene generato dalle reazioni a catena nel reattore. A suo volta, il plutonio può fungere da combustibile per i reattori.

Il ritrattamento in genere comporta diversi passaggi, tra cui la dissoluzione, la separazione, la purificazione e la fabbricazione dei materiali recuperati in nuovi gruppi di combustibile. Questo processo consente il riciclaggio e un uso più efficiente del combustibile nucleare, riducendo i rifiuti e massimizzando il potenziale energetico delle risorse nucleari. Tuttavia, il ritrattamento presenta anche sfide in termini di costi, rischi di proliferazione e gestione dei rifiuti, che richiedono un’attenta considerazione e misure normative rigorose.

Poiché il combustibile nucleare può essere utilizzato per le armi nucleari, solo le nazioni che fanno parte del Trattato di non proliferazione nucleare (TNP) possono importare uranio o plutonio. Il trattato aiuta a salvaguardare l’uso pacifico di combustibili e tecnologie nucleari e impedisce la diffusione di armi di distruzione di massa.