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URANIO - Chimica - Fissione nucleare, La fissione nucleare

chimica


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uranio

Chimica

2 Fissione nucleare

5 La fissione nucleare

L'uranio  è l'elemento chimico di simbolo U, di numero atomico 92 e di peso atomico 238,03. Venne scoperto nel 1789 da Klaproth nella pechblenda e isolato nel 1842 da Péligot. È un solido dal tipico aspetto metallico, molto simile al ferro, di densità 19,07, che fonde a 1.132 °C. È dotato di una grande reattività chimica, si ossida con facilità e brucia per riscaldamento. Si combina più o meno facilmente col cloro, con lo zolfo, con l'azoto. Col carbonio dà il carburo UC2, che può essere decomposto dall'acqua generando idrogeno e idrocarburi. Si conoscono numerosi ossidi di uranio, e i più comuni sono: il biossido UO2; solido bruno che ha proprietà basiche e si ottiene per calcinazione di numerosi sali di uranio; l'ossido salino, od ottaossido di triuranio, U3O8, che esiste allo stato naturale (pechblenda 252d37c ), è di colore verde cupo ed è l'ossido più stabile sopra i 750º; il triossido UO3, ottenuto per calcinazione dell'uranato di ammonio, di colore arancione, è anfotero e può dar luogo a sali di uranile e a uranati.



I sali di uranio tetravalente derivano dall'ossido UO2; i più importanti sono il cloruro UCl4 e il solfato U(SO4)2, entrambi verdi. I sali di uranio esavalente contengono lo ione UO2 e sono chiamati sali di uranile. Il più comune è il nitrato UO2(NO3)2, che risulta dalla dissoluzione di un ossido di uranio nell'acido nitrico e cristallizza con sei molecole d'acqua. Sono gialli e alla luce mostrano una caratteristica fluorescenza verde. Più che veri e propri sali, gli uranati come Na2U2O7, sembrano essere degli ossidi doppi di uranio esavalente con metalli mono- e bivalenti. Sono composti gialli, insolubili in acqua. Si conoscono anche composti in cui l'uranio è tri- e pentavalente. Il principale minerale di uranio è la pechblenda U3O8. Molto più rari sono la carnotite e l'autunite. Si utilizzano anche minerali molto poveri che vengono concentrati prima del vero e proprio processo di estrazione. Nel trattamento della pechblenda, relativamente complesso, l'uranio viene trasformato in uranato di sodio, e successivamente in uranato di ammonio. Questo viene purificato con un procedimento di estrazione con solventi selettivi o con passaggio su resine scambiatrici di ioni e poi trasformato nell'ossido UO2 o nel tetrafluoruro volatile UF4. Il fluoruro si riduce infine a metallo con magnesio o con calcio. Il processo di ottenimento è reso complicato perché il materiale per uso nucleare deve contenere meno di una parte per milione di boro, cadmio, gadolinio, afnio e samario. Infatti il metallo viene oggi prodotto soprattutto come materiale fissile per la produzione di energia nucleare. L'uranio fu il primo elemento di cui H. Becquerel scoprì la radioattività. L'elemento naturale è costituito da tre isotopi; il più abbondante dei tre, l'uranio 238, si disintegra dando origine alla famiglia radioattiva del radio, mentre dall'uranio 235 deriva quella dell'attinio.

Se un campione di uranio contiene più dello 0,7202% di uranio 235, viene considerato uranio arricchito. Il processo di arricchimento dell'uranio, inteso ad aumentare la percentuale dell'uranio 235 contro quella dell'uranio 238 rispetto alle condizioni con cui si estraggono in natura, si basa su due metodi. Il metodo della diffusione gassosa consiste nel far passare l'esafluoruro di uranio ottenuto dopo vari procedimenti dall'uranio estratto, attraverso migliaia di setti porosi (barriere); nella fase di attraversamento l'uranio 238 più pesante è trattenuto più facilmente dai setti porosi che non il 235, più leggero. Perciò dopo un numero sufficientemente elevato di setti si è in grado di ottenere una buona separazione fra l'uranio 235 e quello 238, cioè una buona «purificazione» dell'uranio 235. Gli elevati costi che questo processo comporta sono da addebitare alla complessità tecnologica degli impianti per la diffusione gassosa (si pensi, per es., al fatto che l'esafluoruro di uranio è un gas altamente corrosivo per cui i metalli con i quali viene a contatto devono essere trattati in modo speciale) e al notevole consumo di energia elettrica necessaria per farli funzionare. Un processo per l'arricchimento notevolmente più economico è quello basato sulla centrifugazione ultraveloce, o ultracentrifugazione, consistente nel far entrare l'esafluoruro di uranio in un contenitore che gira a elevatissima velocità. Con questo procedimento l'uranio 238 più pesante viene spinto verso la periferia del recipiente, mentre l'uranio 235, più leggero, si deposita nella parte centrale, dove viene raccolto. Le difficoltà che si sono incontrate nella costruzione degli impianti per la centrifugazione ultraveloce dell'uranio sono di natura tecnologica legate essenzialmente alle eccezionali sollecitazioni alle quali sono sottoposti i materiali impiegati per la costruzione. La maggior economicità di questo tipo di impianti per l'arricchimento è dovuta al fatto che essi richiedono un consumo di potenza elettrica di circa l'85-90% inferiore a quello richiesto per il funzionamento di quelli basati sulla diffusione gassosa.




Sotto l'azione dei neutroni l'uranio può subire la fissione o trasformarsi in plutonio. L'uranio naturale è impiegato nei reattori o nelle pile nucleari; l'isotopo 235 viene utilizzato per la fabbricazione delle bombe atomiche.

Riprocessamento del combustibile irraggiato

Il  combustibile irraggiato, asportato dal nocciolo del reattore, viene stoccato per alcuni mesi in apposite piscine di raffreddamento; dopo di che può essere «riprocessato». Il riprocessamento ha lo scopo di separare i prodotti radioattivi di fissione e condizionarli in modo che possano essere immagazzinati definitivamente in modo sicuro; inoltre di recuperare il combustibile riutilizzabile (uranio e plutonio). Il riprocessamento, in particolare per questo secondo motivo, è necessario per conservare il più possibile le risorse limitate di uranio, ma soprattutto è essenziale per lo sviluppo dei reattori veloci. I più importanti impianti di riprocessamento in esercizio si trovano in Germania, Francia e Gran Bretagna. Nel 1997 viene ratificata tra numerose nazioni una convenzione riguardante il trattamento, la gestione e le procedure di smaltimento delle scorie nucleari derivanti dall'uso civile.

Produzione

L'uranio  rappresenta lo 0,000004% della crosta terrestre e non si trova mai allo stato elementare, rendendone notevolmente difficile l'estrazione. I principali minerali da cui si estrae sono gli ossidi uraninite e pechblenda, gli ossidi idrati gummite e curite, i niobati- tantalati-titanati betafite ed euxenite, il carbonato swartzite, i solfati zippeite e uranopilite, i fosfati autunite e torbernite, gli arseniati zeunerite, i vanadati carnotite e tyuyamunite, i silicati uranofane, casolite, soddyite. A eccezione di uraninite, pechblenda, betafite ed euxenite, tali minerali di uranio si formano per alterazione. Essi si trovano in giacimenti primari, contenuti in graniti, sieniti, pegmatiti, filoni idrotermali, o secondari, contenuti in rocce sedimentarie marine o alluvionali. La produzione mondiale di uranio alla metà degli anni Novanta era complessivamente pari a circa 30.000 t (in ossido U3O8), tuttavia non esistono dati precisi in quanto l'uranio riveste un'importanza strategica. I maggiori paesi produttori sono: Canada (oltre 10.500 t), Australia (circa 3.700 t), Niger (oltre 2.900 t), Stati Uniti (2.380 t), Russia (2.100 t), Namibia (2.007 t), Uzbekistan (2.000 t).







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