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ⓘ Diffusione gassosa




Diffusione gassosa
                                     

ⓘ Diffusione gassosa

La diffusione gassosa è una tecnologia utilizzata per produrre uranio arricchito forzando il passaggio di esafluoruro di uranio gassoso attraverso membrane semipermeabili. Ciò produce una piccola separazione tra molecole contenenti uranio-235 e uranio-238 ma, utilizzando un procedimento a cascata formato da numerosi passaggi, è possibile ottenere una separazione decisamente elevata.

La diffusione gassosa, che è stato primo processo sviluppato in grado di produrre uranio arricchito in quantità industrialmente utilizzabili, fu ideato nel 1940 da Francis Simon e Nicholas Kurti presso il Clarendon Laboratory per rispondere allincarico di trovare un metodo efficace per separare luranio-235 dalluranio-238 affidatogli dalla commissione MAUD, il tutto al fine di poter produrre una bomba nucleare, come disposto dal progetto Tube Alloys, ossia dal programma atomico britannico. Il primo prototipo di un impianto a diffusione gassosa fu realizzato dalla Metropolitan-Vickers MetroVick nella sua fabbrica di Trafford Park, nei dintorni di Manchester, al costo di 150 000 sterline per unità, per essere poi installato presso il sito di M. S. Factory, Valley, presso Rhydymwyn, in Galles. Il tutto fu poi trasferito negli Stati Uniti dAmerica quando il progetto Tube Alloys divenne parte del Progetto Manhattan.

                                     

1. Premessa

Sono noti solamente 34 nuclidi primordiali radioattivi e due di questi sono isotopi delluranio: l 235 U e l 238 U. Questi due isotopi si somigliano sotto molti aspetti ma una delle differenze sostanziali è che l 235 U è fissile, ossia è capace di sviluppare e sostenere una reazione a catena di fissione nucleare, e per di più è lunico nuclide fissile presente in natura. Poiché però l 235 U rappresenta soltanto lo 0.72% in massa della composizione delluranio naturale, è necessario, perché la reazione a catena possa essere sostenuta quando come moderatore è utilizzata della comune acqua, arricchire questultimo portandone la percentuale di 235 U al 2-5%. Il prodotto di questo arricchimento è chiamato per lappunto uranio arricchito.

                                     

2.1. Tecnologia Base scientifica

La diffusione gassosa è basata sulla legge di Graham, la quale stabilisce che la velocità di effusione di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa molecolare delle particelle che lo costituiscono. Ad esempio, in un contenitore contenente una miscela di due gas e con una parete costituita da una membrana semipermeabile, le molecole del gas più leggero usciranno dal contenitore più rapidamente di quelle del gas più pesante. La miscela di gas fuoriuscita dal contenitore, che in questo caso viene chiamato diffusore, sarà quindi più ricca di molecole del gas più leggero, mentre la miscela rimasta nel contenitore ne sarà più povera.

                                     

2.2. Tecnologia Esafluoruro di uranio

LUF 6 è lunico composto delluranio sufficientemente volatile da poter essere utilizzato nel processo di diffusione gassosa. Dato che il fluoro ha un unico isotopo naturale, il 19 F, la differenza tra i pesi molecolari di 235 UF 6 e 238 UF 6, allincirca l1%, è dovuta solamente alla differenza tra i pesi molecolari dei due isotopi delluranio; questo fa dellesafluoruro di uranio la migliore materia prima utilizzabile per il processo di diffusione gassosa. LUF 6, solido a temperatura ambiente, sublima a 56.5 °C 133 °F alla pressione di 1 atmosfera e ha un punto triplo a 64.05 °C di temperatura e 1.5 bar di pressione. Applicando la legge di Graham allesafluoruro di uranio si ottiene:

Rate 1 Rate 2 = M 2 M 1 = 352, 041206 349, 034348 = 1, 004298. {\displaystyle =1.004298.}

dove:

Rate 1 è il tasso di effusione dell 235 UF 6. Rate 2 è il tasso di effusione dell 238 UF 6. M 1 è la massa molare dell 235 UF 6 = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 g mol −1 M 2 è la massa molare dell 238 UF 6 = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 g mol −1

Ciò spiega lo 0.4% di differenza tra la velocità di effusione media delle molecole dell 235 UF 6 e quella delle molecole dell 238 UF 6.

LUF 6 è inoltre altamente corrosivo ed è un ossidante e un acido di Lewis capace di legare a sé un fluoruro, come avviene ad esempio nella sua reazione con il fluoruro di rameII condotta in acetonitrile utilizzata per produrre eptafluorouranatoVI di rameII, CuUF 7 2. LUF 6 reagisce poi con lacqua a formare un composto solito ed è piuttosto difficile da gestire a livello industriale, per questo motivo le condutture destinate a questo gas devono essere fabbricate in acciaio inossidabile austenitico e altri metalli austemperizzati e sia le valvole che le tenute meccaniche del sistema devono essere rivestite da fluoropolimeri non reattivi come il Teflon.



                                     

2.3. Tecnologia Membrane

Gli impianti a diffusione gassosa utilizzano solitamente un insieme di barriere, nella fattispecie membrane porose, costruite in nichel o alluminio sinterizzato con pori aventi un diametro che va dai 10 ai 25 nanometri, ossia meno di un decimo del cammino libero medio di una molecola di UF 6. In alcuni casi sono anche utilizzate membrane realizzate praticando piccolissimi pori in un mezzo inizialmente non poroso. Un modo in cui tali membrane possono essere prodotte è quello di rimuovere uno dei costituenti di una lega, ad esempio utilizzando acido cloridrico per rimuovere lo zinco da una lega argento-zinco.

                                     

2.4. Tecnologia Fabbisogni energetici

Poiché i pesi molecolari dell 235 UF 6 e dell 238 UF 6 sono piuttosto simili, il passaggio attraverso una sola barriera porta a una separazione piuttosto scarsa dei due isotopi; è quindi necessario collegare tra loro diversi diffusori in sequenza, utilizzando il risultato del primo filtraggio come alimentazione del secondo diffusore e così via, creando la cosiddetta "cascata". Nella pratica, la cascata di un impianto a diffusione gassosa è costituita da migliaia di passaggi, a seconda del livello di arricchimento desiderato.

Per assicurarsi che lUF 6 rimanga allo stato gassoso, tutti i componento di un impianto a diffusione devono essere mantenuti a determinati valori di temperatura e pressione. Dato che ad ogni stadio della cascata si ha una perdita di pressione, il gas deve essere compresso a ogni passaggio e ciò porta quindi alla necessità di raffreddarlo. Proprio i sistemi di pompaggio e di raffreddamento, però, sono causa di un consumo di energia elettrica talmente elevato da rendere quello della diffusione gassosa il più dispendioso tra gli attuali metodi di arricchimento delluranio.

                                     

2.5. Tecnologia Storia

Negli anni del Progetto Manhattan, gli scienziati coinvolti svilupparono diversi metodi per la separazione degli isotopi di uranio. In seguito, tre di questi furono effettivamente utilizzati in sequenza negli impianti dellOak Ridge National Laboratory, nel Tennessee, per produrre l 235 U destinato alla bomba "Little Boy" e ad altre delle prime armi nucleari a cannone. Come primo passo, fu utilizzato limpianto di arricchimento delluranio S-50, dove veniva impiegato il processo di diffusione termica per portare la percentuale di 235 U dallo 0.72% al 2%. LUF 6 ottenuto veniva quindi utilizzato in un processo di diffusione gassosa svolto nellimpianto K-25, ottenendo come risultato un UF 6 contenente il 23% di 235 U. Infine, presso limpianto Y-12, questultimo materiale veniva immesso in dei calutron, un particolare tipo di spettrometro di massa, dove, attraverso il processo di separazione isotopica elettromagnetica, la percentuale di 235 U veniva portata fino al valore finale dell84%.

Dato che la produzione dellUF 6 per diffusione gassosa presso limpianto K-25 costituiva di fatto la prima applicazione di sempre di fluoro prodotto commercialmente, si dovettero affrontare per la prima volta problemi inerenti la gestione sia dellUF 6 che del fluoro. Ad esempio, prima che limpianto K-25 potesse essere costruito, fu necessario sviluppare composti chimici non reattivi che potessero essere utilizzati come rivestimenti e lubrificanti per quelle superfici che sarebbero venute a contatto con il gas di UF 6, che, come già detto, è una sostanza altamente corrosiva. Per questo motivo, i responsabili del Progetto Manhattan reclutarono William T. Miller, un professore di chimica organica della Cornell University noto per la sua esperienza in chimica degli organofluoruri, il quale, con il suo team, sviluppò diversi nuovi clorofluorocarburi.

Ben presto, i calutron si rivelarono troppo dispendiosi e troppo poco efficienti perché la loro operatività potesse essere portata avanti, così, non appena gli ostacoli posti agli ingegneri dalla diffusione gassosa furono superati e la diffusione a cascata diventò operativa presso gli impianti di Oak Ridge nel 1945, il loro utilizzo terminò.

Al tempo della loro costruzione, nei primi anni 1940, alcuni degli impianti a diffusione gassosa, realizzati sia negli Stati Uniti dAmerica, che in Unione Sovietica, Regno Unito, Francia e Cina, erano tra i più grandi edifici industriali mai realizzati. Molti di essi sono oggi chiusi o comunque in fase di chiusura, dato che non possono ormai più competere economicamente con le nuove tecniche di arricchimento delluranio. Tuttavia, alcune delle tecnologie utilizzate nelle pompe e nelle membrane rimangono tuttoggi ancora secretate e lesportazione di alcuni dei materiali utilizzati nella loro realizzazione è soggetta a controllo, come parte del progetto di controllo della proliferazione nucleare.



                                     

3. Stato attuale

Nel 2008, circa il 33% delluranio arricchito prodotto al mondo era generato dagli impianti a diffusione gassosa di Stati Uniti e Francia, tuttavia nel 2012 la Francia chiuse definitivamente lultimo dei suoi impianti di questo tipo, mentre limpianto di Paducah, nel Kentucky, lultimo impianto di questo tipo funzionante degli USA, ha cessato questo tipo di produzione nel 2013.

Solitamente, quando un preesistente impianto a diffusione gassosa diventa obsoleto, esso viene rimpiazzato da un impianto di seconda generazione che utilizza il processo di arricchimento tramite centrifuga a gas o centrifuga Zippe, il quale, per produrre la stessa quantità di uranio arricchito, utilizzata una quantità di energia decisamente inferiore. Un esempio è il suddetto impianto francese, chiamato Georges Besse, il quale è stato convertito da impianto a diffusione gassosa a impianto a centrifughe dalla AREVA e ribattezzato Georges Besse II.