Il nucleare per usi civili

Il nucleare per usi civili

1 L'arricchimento dell'uranio

Materiali fissili per reattori nucleari

I reattori nucleari LWR (light water reactor) utilizzano principalmente l'U²³⁵ perché questo isotopo ha un'enorme sezione d'urto di fissione per neutroni termici (0,025 eV): s_f barn.

(Robert Garwin, George Charpak      Megawatts and megatons. A turning point in the nuclear age? Knopf New York 2001 p. 38)

I rischi connessi all'arricchimento dell'uranio

La composizione isotopica dell'uranio naturale è la seguente: 99,29% U²³⁸ e 0.71 U²³⁵. L'arricchimento isotopico dell'U²³⁵ è un passo necessario sia per garantire il funzionamento di un reattore nucleare sia per costruire una bomba nucleare.

La tecnologia e gli impianti che si usano non dipendono dal grado di arricchimento che si vuole raggiungere. Per questa ragione la tecnologia utilizzata per l'arricchimento dell'uranio viene detta dual-use.

L'arricchimento isotopico dell'uranio

I metodi di arricchimento più utilizzati sono quello per diffusione gassosa e per centrifugazione. Entrambi utilizzano un composto, l'esafluoruro di uranio UF₆, che ha due proprietà importanti:

la massa atomica dipende dall'isotopo di uranio presente, perché il fluoro esiste solo come F¹⁹

è gassoso a temperature e pressioni ragionevoli (a pressione ambiente sublima a 57 °C (135 °F).

(Source: Argonne National Laboratory.

La pressione è espressa in psia= pound per square inch- 1 atm = 14.7 psia.

Temperature in Fahrenheit:  °C = (°F − 32) / 1,8)

La diffusione gassosa richiede impianti enormi e un grande dispendio di energia (circa il 4% dell'energia che il materiale fissile garantirà quando sarà utilizzato come combustibile in un reattore).

L'altro metodo si basa sull'impiego di centrifughe Zippe, dal nome del loro inventore, che ha un dispendio di energia che è circa 1/50 di quello della diffusione. Lo svantaggio è dovuto alle enormi difficoltà tecniche nella costruzione delle centrifughe. Attualmente gli impianti europei utilizzano uranio arricchito dal consorzio URENCO mediante la centrifugazione.

2 Principi di funzionamento di una centrifuga

Nel campo gravitazionale la distribuzione delle molecole N=N(h) in funzione dell'altezza  è data dalla distribuzione barometrica (per semplicità T = costante)

(T temperatura in K, k costante di Boltzmann).

Una centrifuga simula un campo 'gravitazionale' in cui la forza è diretta dall'asse di rotazione verso l'esterno (quindi il 'basso' è la parete esterna). In questo caso a una distanza r dall'asse di rotazione l'accelerazione di gravità g è sostituita dall'accelerazione 'centrifuga' w r (h è la distanza dalla parete esterna della centrifuga: quindi h=0 sulla parete e h=r sull'asse):

Indicato con  il rapporto isotopico, si dimostra che

Per valori tipici delle centrifughe P-2 (w=5000 rad/s   r = 0.1 m) la percentuale isotopica a distanza 0.1 m dall'asse di rotazione è aumentata di un fattore 1.1467.

(Da Allan S. Krass, Peter Boskma, Boelie Elzen and Wim A. Smit Uranium Enrichment and Nuclear Weapon Proliferation, Taylor & Francis 1983, p. 131)

In realtà il rapporto isotopico effettivo è minore. Per questa ragione le centrifughe operano in cascata: il gas prelevato vicino all'asse di una centrifuga alimenta la centrifuga successiva, mentre il gas prelevato nella parte più esterna del rotore è inviato in una centrifuga a monte.

Nelle centrifughe più recenti si crea anche un gradiente di temperatura tra il fondo e la sommità, in modo da creare un flusso forzato in direzione verticale all'interno del rotore.

SWU- Separative Work Unit

L'unità di misura (in kg) del lavoro speso nell'attività di separazione isotopica è detto SWU Separative Work Unit - unità di lavoro separativo.

Il calcolo del SWU è fatto mediante modelli di unità separative in cascata e si applica sia al metodo di diffusione gassosa sia a quello di centrifugazione.

Detti rispettivamente

f (feed): frazione di massa di U²³⁵ presente nell'esafluoruro di uranio di alimentazione

p (product): frazione di massa di U²³⁵ presente nell'esafluoruro di uranio in uscita

t (tail): frazione di massa di U²³⁵ presente nell'esafluoruro di uranio impoverito

si dimostra che il lavoro separativo per ottenere 1 kg di U arricchito con una frazione di massa p di U²³⁵ e uno scarto con frazione di massa t è

La grandezza

rappresenta il lavoro separativo necessario per ottenere 1 kg di U²³⁵ a partire da uranio arricchito con una frazione di massa p.

I grafici seguenti mostrano le funzioni SWU e  SWU/p nel caso in cui la cascata di centrifughe è alimentata con uranio naturale (f = 0.0071) e lo scarto ha t=0.003

Per calcolare l'energia necessaria a partire dal lavoro separativo si adotta la seguente conversione:

centrifughe                             50 kWh/kg-SWU

diffusione gassosa                  5 MWh/kg-SWU

3 Perché l'arricchimento al 4% è veramente un problema!

Nel grafico precedente sta la chiave per comprendere le reali insidie del presunto programma di nucleare 'civile' iraniano.

Infatti:

arricchimento 'clandestino' 90 kg-SWU

arricchimento permesso dal NPT 140 kg-SWU

Il programma iraniano di arricchimento per usi civili apre quindi uno scenario inquietante: a partire da una certa quantità di uranio arricchito al 4%, si può ottenere uranio weaponable (il termine usato

in italiano è il terribile neologismo 'bombabile') con le stesse centrifughe usate a scopi civili ma compiendo un lavoro separativo minore.

Quindi esiste il pericolo che l'Iran continui il processo di arricchimento al 4% sotto la protezione del Trattato di non proliferazione e poi nasconda una parte di materiale arricchito e lo riprocessi in impianti clandestini, facilmente occultabili date le loro dimensioni contenute, portandolo oltre il 90% di arricchimento.

4 Le centrifughe iraniane

L'Iran ha acquistato le prime centrifughe P-1 sul mercato nero gestito dal pakistano Abdul Qadeer Kahn. Dopo aver lavorato negli anni Settanta presso la Urenco in Olanda, Kahn ha trafugato i piani dettagliati per la costruzione delle centrifughe e si è rifugiato nel suo paese d'origine, diventando il padre della bomba pakistana. A partire dalle centrifughe tedesche Kahn ha sviluppato prima le P-1 e poi le P-2, di cui ha venduto all'Iran i piani di costruzione e molte componenti. Proprio l'acquisto sul mercato specializzato di materiali e componenti molto sofisticati per assemblare le centrifughe ha consentito di risalire alla ripresa da parte dell'Iran dei piani di arricchimento sospesi ufficialmente nel 200

(Victor Gilinsky, Marvin Miller, Harmon Hubbard A fresh examination of the proliferation dangers of light water reactors The Nonproliferation Policy Education Center October 22, 2004

https://www.npec-web.org/Essays/20041022-GilinskyEtAl-LWR.pdf#page=35) p.37)

Il maggior potere separativo delle P-2 è dovuto alle maggiori velocità di rotazione consentite dall'uso di materiali più sofisticati (acciaio maraging) rispetto all'alluminio. In particolare, la maggior resistenza dell'acciaio maraging consente di costruire il rotore in un pezzo unico e quindi di evitare l'uso di una componente critica, le flange (bellows) per tenere uniti i vari pezzi del rotore.

Le velocità di rotazione sono così elevate che i maggiori problemi che insorgono durante il funzionamento sono di tipo meccanico e portano alla distruzione istantanea della centrifuga.

Nel sito di Natanz sono operative circa 3000 centrifughe P-1. L'8 aprile 2008 il presidente Ahmadinejad visita Natanz con grande enfasi mediatica e annuncia che è imminente l'entrata in funzione di 6000 nuove centrifughe P-

La diffusione ufficiale di foto che mostrano dettagli costruttivi è strana: è un messaggio? In particolare nella foto seguente è mostrato un rotore in CFRC-carbon fiber-resin composites, che consente velocità di rotazione maggiori rispetto a quelle di P-2 e quindi maggiore capacità separativa. Prima della pubblicazione di questa fotografia da parte dell'Agenzia Iraniana si riteneva che l'Iran non possedesse la tecnologia adeguata per fabbricare questi rotori.

Rotore in CFCR:

                       

Il sito di arricchimento di Natanz ripreso nel 2002 e nel 2006. Si notano i lavori di scavo del 2002 per alloggiamenti sotterranei delle centrifughe. La foto del 2006 mostra che i capannoni sono stati interrati.