Alcuni stralci del sesto capitolo delle "Nuclear Weapons Frequently Asked Questions" di Carey Sublette (versione 2.17 del 15 maggio 97) da http://www.pertile.org/uranio.html.
6.2 Materiali fissili
Sono tre gli isotopi noti utilizzabili in pratica come esplosivi fissili. Sono l'uranio-235, il plutonio-239 e l'uranio-233. Di tutti questi, solo l'U-235 è presente in natura. Il Pu-239 e l'U-233 devono essere prodotti in laboratorio mediante il bombardamento neutronico di altri isotopi a disposizione. Un terzo elemento, il torio-232 (Th), può solo partecipare alla fissione rapida, ma viene usato anche nella fertilizzazione dell'U-233.
6.2.1 Uranio (U)
L'uranio, numero atomico 92, prende il nome dal pianeta Urano ed è comunemente creduto l'ultimo elemento sulla tavola periodica ad essere rimasto fino ai giorni nostri da quando la Terra si è raffreddata. Ha quattordici isotopi, tutti radioattivi. In natura se ne trovano solo tre, tutti emettono raggi alfa. La composizione isotopica dell'uranio naturale, con i tempi di dimezzamento, è approssimativamente:
U-234: 0,0054% in massa - 0,0055% degli atomi - 247.000 anni
U-235: 0,7110% in massa - 0.7202% degli atomi - 710 milioni di anni
U-238: 99,2836% in massa - 99,2742% degli atomi - 4,5 miliardio di anni
Per quanto il contenuto in U-235 sia in genere costante, ci possono essere delle variazioni nell'ordine dello 0,1% (0,7195-0,7209 in percentuale atomica), residui di antiche reazioni di fissione avvenute quando la l'isotopo 235 esisteva in concetrazioni di gran lunga maggiori di quelle attuali. Le concentrazioni maggiori mai scoperte sono quelle della miniera di Oklo, nel Gabon, dove nel 1972 la percentuale di U-235 raggiungeva il 3%, cioè la stessa che si ha nel combustibile utilizzato per i reattori commerciali di potenza. A Oklo, il minerale più esausto, conteneva solo lo 0,44% di U-235.
Anche il contenuto di U-234 varia significativamente. E' una risulta indiretta del decadimento dell'U-238, come conseguenza di questa catena:
U-238 --> (4,51 miliardi di anni; raggi alfa) --> Th-234
Th-234 --> (24,1 giorni; raggi beta) --> Pa-234
Pa-234 --> (6,75 ore; raggi beta) --> U-234
Prima della seconda guerra mondiale, si pensava che l'uranio fosse un elemento molto raro. Oggi invece sappiamo che l'uranio di cava è più comune del mercurio o dell'argento, più o meno come arsenico e molibdeno. La scoperta di grandi giacimenti ha fatto crollare il suo prezzo a qualche dollaro l'oncia. Nella litosfera, l'uranio è comune come elementi molto economici quali il boro e lo zinco: 4 grammi per tonnellata. E' più frequente nelle rocce granitiche dove, dando luogo alla formazione del gas radon (un prodotto del suo decadimento), rappresenta un serio pericolo per la salute. Nell'acqua di mare è presente per 150 microgrammi al metro cubo.
E' conosciuto dal 79 d. C. (essendo stato rinvenuto in vasellame di ceramica gialla risalente a quegli anni). E' stato scoperto nel 1789 da Klaproth ed è stato isolato per la prima volta come metallo da Peligot, nel 1814.
Nell'ambito del Progetto Manhattan, il nome in codice del minerale d'uranio era "tuballoy", abbreviato in Tu, per via del nome in codice della Divisione Lega del Tubo (alloy=lega, ndwm). Questa denominazione ricorre tuttora in riferimento al minerale d'uranio o a quello esausto. Il nome in codice dell'uranio altamente arricchito (nella fattispecie quello impiegabile come esplosivo atomico) era "oralloy", abbreviato in "Oy", che ogni tanto è ancora riscontrabile. Altri termini come "Metallo-Q", "Depletalloy" e "D-38", un tempo riferiti all'uranio esausto, non sono più stati utilizzati.
L'uranio è un metallo molto denso, di colore argenteo lucido. E' l'ottavo elemento per densità. Allo stato puro è leggermente più tenero dell'acciaio, duttile e malleabile. E' chimicamente reattivo. Ossida rapidamente. Un pezzo di metallo cambia progressivamente molti colori via via che si ricopre di un sottile strato di ossido (dando luogo a un fenomeno ottico iridescente analogo ai film d'olio minerale sull'acqua). Esposto all'aria a temperature tra i 150 e i 175 gradi Celsius, e infiammato, prende fuoco formando U308. L'uranio polverizzato è piroforo, incendiandosi spontaneamente. Viene intaccato dall'acqua e da soluzioni acide; inerte alle basi.
Caratteristiche:
punto di fusione a 1.132 gradi Celsius (come il rame)
punto di ebollizione 3.818 gradi Celsius
densità 18,95 (nella forma alfa, stabile fino a 667,8 gradi Celsius)
calore specifico 6,65 cal/mole/gradi C (a 25 gradi)
resistenza in trazione 450 MPa
La radioattività specifica del minerale di uranio è di 0,67 µCi al grammo (dovuta per quasi la metà all'isotopo raro 234, per l'altra metà al 238; il 235 contribuisce in minima parte).
Un composto particolarmente importate dell'uranio è l'esafluoruro (UF6). Si tratta dell'unico composto volatile stabile a temperatura ambiente, usato in processi di arrichimento in fase gassosa (diffusione e centrifugazione). In pratica l'esafluorura presenta l'enorme vantaggio che il fluoro avendo un solo isotopo, non aggiunge complicazioni ai trattamenti industriali dovute a differenze di massa. A temperatura ambiente il gas tende a precipitare in cristalli trasparenti, ma sublima a 56 gradi Celsius. Il punto di fusione è 64 gradi C. La densità del cristallo è 4,87 e 3,86 quella del liquido.
Le riserve (e le transazioni commerciali) sono espresse in massa equivalente di U308. Le riserve più consistenti, escludendo quelle russe ed uzbeke, nel maggio 1995 erano: Australia 27%, Kazakistan 18%, Canada 14%, Sud Africa 9%, Namibia 9%, Brasile 8% e Stati Uniti d'America 4%. Anche Russia ed Uzbekistan hanno ampie riserve e nuovi giacimenti coltivabili sono stati individuati in Gabon, Zaire, Kirgizistan, Repubblica Ceca, Ucraina e nel Regno Unito. Le riserve mondiali di minerale d'uranio a buon mercato (cioè dal costo complessivo al chilo di 80 dollari, o inferiore) sono stimabili in 3.386 milioni di chilogrammi di U308 equivalenti (sempre escludendo dal conto Russia e Usbekistan).
E veniamo alle quotazioni di mercato. Verso la fine del 1994 le riserve statunitensi conosciute di U308 ammontavano a 133 milioni di chili, oltre ad altri 432 milioni di chili di U308 equivalenti al costo, più alto, di 110 dollari al chilo. Il prezzo spot medio per il 1994 di un chilo di minerale di uranio è arrivato a 20 dollari e cinquanta, un record per economicità. Tra il 1985 e il 1994 i prezzi avevano oscillato tra i 69 dollari e 51 centesimi al chilo di U308 (fornitori Usa) e i 42 dollari e 27 centesimi al chilo (altre provenienze). Il fixing del mercato non ristretto agli Usa era sceso a 18 dollari e 16 cent nell'ottobre 1994 e, nel giugno 1996, era risalito a 38 dollari e 90 centesimi al chilo.
6.2.1.2 Uranio esausto (isotopo U-238)
Anche se non può essere usato come materia prima per reazioni di fissione per la troppa energia richiesta ai neutroni per fissarne il nucleo, l'U-238 resta comunque un materiale nucleare molto importante.
Per la sua grande densità ed il peso atomico, l'uranio esausto serve comunque anche per schermo / specchio sia per ordigni a fissione che a fusione. Il fatto che venga effettivamente fissato dagli elettroni accelerati da una reazione già iniziata, significa che può essere impiegato per aumentare il potenziale degli ordigni in cui viene inserito, sia perché riflette nuovamente verso il nocciolo i neutroni sprigionati dalla reazione appena innescata, sia partecipando subito dopo alla stessa fissione. Circa il 40% dei neutroni da fissione, e tutti quelli da fusione, sono infatti abbastanza energetici da fissare, a sua volta, l'uranio esausto.
L'uranio esausto ha un punto di criticità spontaneo 35 volte maggiore del 235.
L'U-238 puro ha una radioattività specifica di 0,333 µCi/g (333 nCi/g cioè 12.321 Bq/g, ndwm).
6.2.1.4 Uranio esausto
Quando si isola l'U-235 dal minerale d'uranio, la frazione di scarto assume il nome di "uranio esausto" (letteralmente, "uranio decurtato", 'perché decurtato dell'U-235', ndwm). Di solito l'uranio esausto contiene ancora una percentuale dell'isotopo 235 che va dallo 0,25 allo 0,4%, perché il processo per il suo ulteriore isolamento dal minerale risulta antieconomico (conviene piuttosto reperire sul mercato altro minerale appena estratto e procedere con quello per avere altro U-235). Negli Stati Uniti la percentuale di U-235 residuo nell'uranio esausto dopo l'isolamento di quello arricchito (235) era dello 0,2531% nel 1963, percentuale che negli anni Settanta ha sfiorato lo 0,3%. Poiché col passare del tempo il costo del minerale di uranio si è abbassato, la tendenza della concentrazione di U-235 nell'uranio esausto è andata aumentando negli anni.
Gli Stati Uniti stoccano attualmente qualcosa come 560.000 tonnellate di uranio esausto, sotto forma di esafluoruro (UF6), in contenitori cilindrici depositati in tre impianti a diffusione gassosa del Dipartimento per l'Energia (Doe).
L'uranio esausto è radioattivo grosso modo la metà del minerale fresco di cava, quasi completamente per via dell'isolamento dell'U-234, ma le sue caratteristiche fisiche sono pressoché identiche. Dato che la maggior parte dell'uranio estratto viene utilizzato dall'industria energetica, l'uranio esausto è un prodotto di scarto dallo scarsissimo valore di mercato. Gli impieghi alternativi dell'uranio esausto sono sempre stati un problema per ogni impianto di arricchimento.
Gli usi che se ne sono fatti sono generalmente correlati alla sua grande densità ed al costo relativamente basso. I due impieghi più ricorrenti sono in pannelli per la schermatura di materiali più radioattivi e come contrappeso nell'industria aerospaziale. Viene altresì usato estensivamente nella tecnica delle perforazioni petrolifere sotto forma di resistenti trivelle e come peso per spingere giù la strumentazione in perforazioni riempitesi di scisti bituminosi molto poco fluidi. E' stato anche impiegato per costruire rotori di giroscopi ad alte prestazioni, in bilanceri rotanti a grande inerzialità e come zavorra sia per il rientro in atmosfera di veicoli spaziali che nelle imbarcazioni da competizione.
Ma l'uso alternativo più famoso dell'uranio esausto riguarda il munizionamento dell'esercito statunitense. Opportunamente legato e temperato (in lega col 2% di molibdeno o con lo 0,75% di titanio, portato rapidamente a 850 gradi Celsius in acqua o olio e fatto riposare a 450 gradi per 5 ore), l'uranio diventa duro e resistente come l'acciaio temperato tecnico (resistenza in trazione maggiore di 1.600 MPa).
Se si considera anche la sua enorme densità, l'uranio esausto è particolarmente adatto a perforare armature pesanti, certamente più adatto allo scopo del suo diretto concorrente, il costosissimo tungsteno monocristallino (il cui maggior produttore mondiale è la Cina, ndwm). Durante la perforazione dell'armatura dell'obbiettivo, molta parte dell'uranio si polverizza e, quando la testata scoppia, quel che ne restava si aggiunge alla capacità distruttiva della bomba sotto forma di schegge incandescenti (tra il 20 ed il 50% dell'uranio si riduce in particelle inalabili e volatili delle dimensioni comprese tra 0,2 e 0,3 micron, ndwm).
Sui campi di battaglia dell'operazione "Tempesta nel deserto" sono state sparate qualcosa come 300 tonnellate di uranio esausto (la maggior parte coi mortai da 30 mm GAU-8 in dotazione agli A-10, ogni colpo dei quali conteneva, in lega, 2 etti e 72 grammi di uranio esausto).
L'uranio esausto viene utilizzato anche per blindature avanzante, come quelle del carrarmato M-1 Abrams.
Nota del WM
I 272 grammi di uranio di un colpo da 30 mm non sono solo di U-238 puro ma del molto più radioattivo "uranio esausto" (quello da cui non è più conveniente continuare ad isolare il pregiato isotopo 235).
Comunque, assumendo che siano effettivamente 272 grammi di U-238 puro, per il solo fine di calcolare la radioattività minima, avremmo una dispersione nell'ambiente (in realtà sottostimata) di 90.576 nanoCurie a botto, cioè almeno qualcosa come 3.351.312 Bequerel per ogni razzo perforante.
Effettuando lo stesso calcolo assumendo invece l'impiego di minerale appena cavato, relativamente ricco in isotopi 235 e 234, la radiattività di un grammo sarebbe di 670 nCi al massimo. Quella di un colpo sarebbe dunque di 182.240 nCi, ovvero 6.742.880 Bq.
Ogni botto da 30 mm, di quelli perforanti fatti con l'uranio esausto invece che col tungsteno, riduce dunque ad aerosol una radiattività totale giocoforza compresa nell'intervallo 90.576-182.240 nCi, uguale a 3.351.312-6.742.880 Bq.
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