Depleted Uranium

Come funziona il processo di raffinazione dell'uranio?

Produzione di Isotopi

I materiali più importanti necessari per le armi nucleari sono speciali isotopi di particolari elementi. Alcuni di essi esistono in natura ma sono altamente diluiti in altri isotopi degli stessi elementi (deuterio, Litio-6, U-235). Questi isotopi devono essere arricchiti (concentrati) per essere utilizzabili. Altri esistono in natura in quantità trascurabili, se esistono, e devono essere fabbricati con reazioni nucleari (Trizio e Plutonio-239).

Arricchimento isotopico

Tutti gli isotopi dello stesso elemento possiedono le stesse proprietà chimiche, e di conseguenza per separare questi isotopi bisogna utilizzare gli effetti causati dalla differenza nella massa dei loro atomi. Alcune di queste tecniche sono fisiche - e hanno effetti dipendenti dalla massa. Altre sono chimiche - le differenti masse degli isotopi possono influenzare la velocità delle reazioni chimiche.
Dato che per ottenere la separazione vengono usati effetti molto deboli, la crescita di concentrazione ottenibile da qualsiasi processo di raffinazione tende ad essere bassa. Questo problema si può superare applicando il processo molte volte allo stesso materiale in una catena di arricchimenti successivi. Ogni stadio preleva il prodotto arricchito dallo stadio precedente e lo arricchisce ulteriormente. Questo sistema crea un sistema di arricchimento sequenziale chiamato cascata.
Ci sono due fattori importanti che influenzano le prestazioni di una cascata. Il fattore di separazione, che è un numero maggiore di uno, che misura la capacità intrinseca di arricchimento del singolo stadio. Più piccolo è il fattore di separazione, più saranno gli stadi necessari ad ottenere il grado desiderato di concentrazione. Il secondo fattore è la perdita ammissibile dell'isotopo richiesto nel flusso delle scorie.
Per capire questo secondo fattore, va notato che in ogni stadio del flusso il materiale che alimenta il processo viene diviso in due parti: il prodotto arricchito e la scoria impoverita. Dato che l'arricchimento del prodotto è scarso, tale è anche l'esaurimento della scoria. L'ammontare percentuale dell'isotopo che si vuole raffinare può facilmente essere superiore nel flusso delle scorie che nel prodotto arricchito. Se l'isotopo da concentrare è molto raro questo effetto è molto indesiderabile. Se il materiale in ingresso è già significativamente arricchito, allora anche il flusso di scoria è arricchito e troppo prezioso per essere semplicemente buttato.
Queste considerazioni impongono che la cascata sia costruita in modo da alimentare i rpimi stadi con il materiale di scarto arricchito proveniente da quelli successivi. Ciascun stadio riceve quindi un'alimentazione costituita dalla frazione arricchita dello stadio successivo e quella impoverita dello stadio precedente.
Il materiale di partenza di solito non entra all'inizio della cascata (ovvero nel primissimo stadio), ma in uno stadio successivo. Gli stadi a monte dell'alimentazione di base (chiamata la coda della cascata) estraggono dal flusso di scoria l'isotopo desiderato in modo che il materiale che lascia effettivamente la cascata risulta grandemente impoverito. Gli stadi che costituiscono la testa della cascata producono un prodotto progressivamente più arricchito finchè il prodotto al livello di arricchimento massimo lascia l'ultimo stadio.

Per ogni cascata l'ammontare effettivo del prodotto arricchito dipende dal grado di arricchimento
desiderato E dal grado di impoverimento del flusso della scoria. Se è ammesso buttare come scoria la maggior parte dell'isotopo desiderato che entra nella cascata, allora l'output della cascata può essere accresciuto producendo molta scoria di materiale leggermente impoverito (ciò può essere fatto se il materiale di partenza è economico). Se il materiale di partenza è prezioso, allora può essere estratta una grande percentuale dell'isotopo desiderato producendo scorie notevolmente impoverite. Esempio di questi due estremi sono l'arricchimento del deuterio dove il materiale di partenza è l'acqua e il costo dell'alimentazione è essenzialmente zero, e l'arricchimento dell'uranio in cui il costo dell'alimentazione è sostanziale.
Esistono molti processi di arricchimento isotopico che sono stati usati (o proposti) per produrre grandi quantità di isotopi arricchiti. Quelli più importanti sono :
 


L'efficacia di ciascuna delle tecniche varia a seconda degli elementi da separare. Alcune delle tecniche possono essere adatte a quasi tutti gli elementi (come la separazione elettromagnetica), altre sono utili solo per alcuni elementi (come l'elettrolisi).
Il fattore di separazione di molti di questi processi (diffusione, scambio chimico, distillazione) dipende dal rapporto tra le masse degli isotopi da separare. Queste tecniche lavorano al meglio con elementi leggeri dato che ogni unità di differenza di peso atomico ha un'influenza percentuale maggiore. La differenza massima di massa fra isotopi (presenti in natura) è 2, per deuterio e idrogeno-1.
Gli altri processi dipendono dalla differenza di massa assoluta, o sono semplicemente insensibili alle differenze di massa (tecniche di separazione elettromagnetica, per centrifugazione, aerodinamica e AVLIS). Essi funzionano meglio con isotopi pesanti e sono i sistemi d'elezione per l'arricchimento dell'uranio. 

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