Luranio () è l'elemento chimico di numero atomico 92 e il suo simbolo è U. È un metallo bianco-argenteo, tossico e radioattivo; appartiene alla serie degli attinidi ed il suo isotopo 235U trova impiego come combustibile nei reattori nucleari e nella realizzazione di armi nucleari.
Caratteristiche Puro, si presenta come un metallo bianco-argenteo, radioattivo e poco più tenero dell'acciaio. È malleabile, duttile e debolmente paramagnetico.
È un metallo molto denso (65% più denso del piombo). Diviso finemente, reagisce con l'acqua a temperatura ambiente; esposto all'aria si copre superficialmente di uno strato del proprio ossido di U(IV), UO2, facilmente ossidabile alla forma più comune e più stabile di ossido misto di U(IV) ed U(VI) ottaossido di triuranio U3O8, facilmente reperibile in natura. Anche la forma ossidata di U(VI), UO3, viene facilmente ridotta ad alta temperatura a U3O8. La forma metallica è piroforica, brucia cioè all'aria ad alta temperatura innalzando ulteriormente la temperatura fino ad alcune migliaia di °C e formando micro e nanoparticelle dei suoi ossidi.
L'uranio metallico si presenta in tre forme allotropiche: α – ortorombico, stabile fino a 667,7 °C; β – tetragonale, stabile a temperature comprese tra 667,7 e 774,8 °C; γ – cubico a corpo centrato, stabile a temperature comprese tra 774,8 °C ed il punto di fusione, è la forma più duttile e malleabile delle tre.
L'isotopo 235U, capostipite della catena di decadimento radioattivo naturale [4n+3], è importante sia come combustibile per i reattori nucleari (detti appunto ad U) sia per le armi nucleari poiché è l'unico isotopo fissile esistente in natura in quantità apprezzabili.
Anche 238U può trovare impiego nei reattori nucleari, dove è convertito in 239U per assorbimento di neutroni (fertilizzazione), il quale decade in 239Pu, fissile. Anche l'isotopo 233U è fissile; pur non esistendo in natura, è prodotto per bombardamento con neutroni di 232Th mediante il cosiddetto innesto ad uranio e costituirà verosimilmente il combustibile nucleare del futuro nei reattori detti appunto ad (U/Th), data l'elevata concentrazione del Th in natura confrontata con quella dell'U.
L'uranio fu il primo elemento fissile scoperto in natura; questa proprietà lo rende la principale materia prima per la bomba nucleare, spesso impropriamente detta "atomica", e per la costruzione e l'alimentazione di reattori nucleari. L'uranio si estrae da due minerali estremamente redditizi: l'uraninite (detta anche pechblenda) e la carnotite, ma sono noti almeno altri 150 minerali uraniferi, con contenuti di uranio di potenziale rilevanza commerciale.
L'uranio è importante anche per la datazione radiometrica dei fossili: l'uranio-238, capostipite della catena di decadimento radioattivo naturale [4n+2], si trasmuta mediante decadimenti alfa e beta successivi in 206Pb (stabile) con un tempo di dimezzamento di
Isotopi L'uranio naturale è composto da una miscela di tre isotopi, 234U, 235U e 238U, di cui 238U è il più abbondante (99,3%), mentre il 234U costituisce una percentuale trascurabile del totale. Questi tre isotopi sono radioattivi; quello dotato di tempo di dimezzamento più lungo è il 238U (con un'emivita di anni), seguono 235U ( anni) e 234U ( anni). L'238U emette prevalentemente particelle alfa decadendo in 234Th. A sua volta, questo decade beta, continuando la catena fino a giungere al 206Pb, stabile.
All'interno dell'uranio naturale l'attività specifica degli isotopi 234U e 238U, praticamente la stessa per entrambi gli isotopi, è quantificabile in /g (1 becquerel – Bq – rappresenta una disintegrazione al secondo) e si classifica nella fascia di rischio più bassa tra gli isotopi radioattivi. All'interno dell'uranio naturale, l'attività specifica da attribuirsi all'isotopo 235U è molto inferiore (0,6 kBq/g), essendo questo presente solo in una frazione minima ed avendo una vita media approssimabile allo stesso ordine di grandezza del 238U.
Va necessariamente precisato, tuttavia, che il rischio indotto dalla radioattività dipende essenzialmente dalla concentrazione dell'isotopo di uranio nell'ambiente (misurata ad esempio in kBq/cm³) piuttosto che dalla sua attività intrinseca.
Gli isotopi dell'uranio vengono separati per aumentare la concentrazione di 235U rispetto a 238U; questo processo è chiamato arricchimento dell'uranio. L'uranio si considera "arricchito" quando la frazione di 235U è considerevolmente maggiore del livello naturale (circa lo 0,7204%), tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. 235U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari a fissione ed è utilizzabile per la produzione di armi nucleari se sufficientemente puro. 238U nella reazione di fertilizzazione con un neutrone si trasforma in 239Pu, che a sua volta può essere utilizzato come fissile o per scopi bellici. Arricchimento dell'uranio
Per ottenere un materiale fissile che sia adatto a scopi nucleari, cioè che emetta una quantità sufficiente di neutroni (a meno di usare acqua pesante, come in un reattore nucleare ad acqua pesante, o altri moderatori che migliorano il bilancio neutronico consentendo l'impiego di uranio naturale), è necessario aumentare la concentrazione dell'isotopo 235U rispetto al più comune e meno radioattivo 238U. La concentrazione di 235U deve passare dallo 0,71% a valori superiori al 3% per i reattori nucleari ad acqua leggera LWR.
Il processo di concentrazione dell'uranio è un compito estremamente difficile: non è possibile separarli per via chimica, essendo due isotopi dello stesso elemento, e l'unico modo è sfruttare la piccolissima (meno dell'1,5%) differenza di peso.
Per fare questo si fa reagire l'uranio metallico con fluoro ottenendo esafluoruro di uranio (UF6), un composto solido bianco, che sublima in fase gassosa al di sopra di .
Questo composto in fase gassosa è usato nei due più comuni processi di arricchimento, l'arricchimento per diffusione gassosa (utilizzata soprattutto negli Stati Uniti) e quello per centrifuga a gas (principalmente utilizzato in Europa). Allo stato attuale è in corso di sviluppo presso il Dipartimento dell'Energia statunitense una terza tecnologia di arricchimento chiamato a separazione laser, ancora in fase di studio. Un quarto metodo di arricchimento è quello della separazione termica, che però è meno efficiente delle tecnologie attuali e non è più utilizzato.
Dopo l'arricchimento l'esafluoruro viene decomposto, riottenendo uranio metallico e fluoro gassoso, dopodiché è ossidato a formare diossido di uranio UO2.
Il processo di arricchimento produce grandi quantità di uranio impoverito, ossia uranio cui manca la corrispondente quantità di 235U. L'uranio si considera impoverito quando contiene valori di 235U generalmente compresi tra lo 0,2% e lo 0,3%, a seconda delle esigenze economiche e di produzione.
Per dare un'idea della tipica proporzione tra uranio arricchito e uranio impoverito, da 100 kg di uranio metallico pronto per l'arricchimento si possono ottenere al massimo 12,5 kg di uranio arricchito al 3,6% e 87,5 kg di uranio impoverito allo 0,3%.
L'uranio impoverito è generalmente stoccato come UF6 (che, come detto, è un solido cristallino) amalgamato in cilindri di acciaio che ne contengono circa 12-13 tonnellate (secondo le procedure standard degli Stati Uniti).
Applicazioni L'uranio trova applicazione in due sue possibili forme: uranio arricchito ed uranio impoverito. Non è semplice fare una distinzione netta tra applicazioni civili e militari, in quanto esiste una permeabilità tra questi due utilizzi. Ad esempio, l'uranio arricchito può essere usato come combustibile nei reattori nucleari civili, ma anche nei reattori nucleari dei sottomarini e delle portaerei militari a propulsione nucleare.
Applicazioni civili
L'uranio è un metallo molto denso e pesante. Nonostante la sua radioattività naturale, grazie al suo elevato peso specifico, trova impiego come materiale di zavorra e contrappesi di equilibratura in aerei, elicotteri e in alcune barche a vela da regata. A volte è impiegato anche per costruire schermature di sorgenti altamente radioattive (soprattutto nel campo della radiografia industriale per la schermatura dei raggi gamma). Il piombo è un materiale con caratteristiche simili (ed è quasi non radioattivo)
Nel settore civile il principale impiego dell'uranio è l'alimentazione dei reattori delle centrali nucleari, dove è usato un uranio arricchito al 3-4% di 235U. Le tipologie di reattori ad acqua pesante, come il CANDU ed in generale i PHWR possono sfruttare l'uranio naturale come combustibile, senza quindi bisogno di preventivo arricchimento.
Tra gli altri usi si annoverano: l'inclusione di sali di uranio nelle ceramiche e nei vetri, per colorare le prime e impartire una fluorescenza gialla o verde ai secondi; la datazione delle rocce ignee ed altri metodi di datazione geologica quali la datazione uranio-torio e uranio-piombo attraverso la misura della concentrazione di 238U, la cui emivita è di circa 4,51 miliardi di anni; l'acetato di uranile, UO2(CH3COO)2, trova impiego in chimica analitica; forma con il sodio un sale insolubile; il nitrato di uranio è usato in fotografia; in chimica l'uranio è utilizzato come catalizzatore in alcune reazioni; i fertilizzanti fosfatici di origine minerale possono contenere quantità di uranio relativamente alte, se questo è presente come impurezza nei minerali di partenza; l'uranio metallico trova uso in dispositivi a guida inerziale e nelle bussole giroscopiche.
In tutte queste applicazioni (tranne che per l'uso come combustibile nelle centrali nucleari) non è importante che si utilizzi uranio naturale oppure uranio impoverito. Ad ogni modo il Dipartimento dell'Energia statunitense che tutti gli impieghi civili dell'uranio non sono finora riusciti a ridurre in modo sostanziale le scorte di uranio impoverito accumulate negli ultimi decenni dalle centrali nucleari di tutto il mondo. Gran parte dell'uranio impoverito è quindi dirottato sul settore militare oppure è stoccato in permanenza in depositi del sottosuolo.
Applicazioni militari
La principale applicazione militare dell'uranio è, nella sua forma molto arricchita nell'isotopo 235U, all'interno delle bombe atomiche o come innesco per le bombe termonucleari. La prima bomba atomica con 235U, Little Boy, venne realizzata nel contesto del Progetto Manhattan, durante gli anni della seconda guerra mondiale e venne sganciata nell'agosto del 1945 sulla città giapponese di Hiroshima durante i bombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki.
Va ricordato, inoltre, che parte dell'uranio a medio arricchimento prodotto nelle nazioni nucleari più avanzate è utilizzato come combustibile per i reattori ospitati in navi e sottomarini da guerra, rappresentando di fatto un utilizzo indiretto di questo elemento per fini bellici.
L'altra importante applicazione militare dell'uranio si basa sul cosiddetto uranio impoverito, ovvero uranio in cui la percentuale di 235U è stata artificialmente ridotta (mediamente contiene lo 0,25-0,4% di 235U). L'uranio è un metallo molto denso e pesante, e proprio per questo è utilizzato per rendere le corazzature dei carri armati particolarmente resistenti e per costruire munizioni anticarro (al posto del più costoso e meno efficiente tungsteno). Essendo la produzione di uranio impoverito strettamente collegata al processo di arricchimento dell'uranio naturale, del quale costituisce un sottoprodotto, solo gli Stati in grado di arricchire l'uranio possiedono notevoli quantità di uranio impoverito.
Un altro sottoprodotto importante con valore militare dell'uranio è il 239Pu, che è prodotto dalle reazioni nucleari che hanno luogo nella fertilizzazione del 238U contestualmente alla fissione del 235U all'interno dei reattori nucleari. Il plutonio (a weapons grade) è utilizzato per costruire ordigni nucleari e/o come combustibile nei reattori nucleari.
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