Come si ottiene luranio
Che cos'è l'uranio? Come funziona?
- L'uranio è un metallo pesante che è stato utilizzato come abbondante fonte di energia concentrata per oltre 60 anni.
- L'uranio si trova nella maggior parte delle rocce in concentrazioni da 2 a 4 parti per milione ed è comune nella crosta terrestre come lo stagno, il tungsteno e il molibdeno. L'uranio si trova nell'acqua di mare e può essere recuperato dagli oceani.
- L'uranio fu scoperto nel 1789 da Martin Klaproth, un chimico tedesco, nel minerale chiamato pechblenda. Prende il nome dal pianeta Urano, che era stato scoperto otto anni prima.
- L'uranio si è apparentemente formato nelle supernove circa 6,6 miliardi di anni fa. Sebbene non sia comune nel sistema solare, oggi il suo lento decadimento radioattivo fornisce la principale fonte di calore all'interno della Terra, causando
- L'alta densità dell'uranio fa sì che trovi impiego anche nelle chiglie degli yacht e come contrappesi per le superfici di controllo degli aerei, oltre che per la schermatura dalle radiazioni.
- L'uranio ha un punto di fusione di 1132°C. Il simbolo chimico dell'uranio è U.
L'atomo di uranio
Su una scala ordinata in base alla massa crescente dei loro nuclei, l'uranio è uno degli elementi più pesanti di tutti gli elementi presenti in natura (l'idrogeno è il più leggero). L'uranio è 18,7 volte più denso dell'acqua.
Come altri elementi, l'uranio si presenta in diverse forme leggermente diverse note come "isotopi". Questi isotopi differiscono l'uno dall'altro per il numero di particelle non cariche (neutroni) nel nucleo. L'uranio naturale che si trova nella crosta terrestre è una miscela in gran parte di due isotopi: l'uranio-238 (U-238), pari al 99,3% e all'uranio-235 (U-235), circa lo 0,7%.
L'isotopo U-235 è importante perché in determinate condizioni può essere facilmente diviso, producendo molta energia. Si dice quindi che è «fissile» e si usa l'espressione «fissione nucleare».
Nel frattempo, come tutti gli isotopi radioattivi, decadono. L'U-238 decade molto lentamente, la sua emivita è circa la stessa dell'età della Terra (4500 milioni di anni). Ciò significa che è scarsamente radioattivo, meno di molti altri isotopi nelle rocce e nella sabbia. Tuttavia, genera 0,1 watt/tonnellata come calore di decadimento e questo è sufficiente per riscaldare il nucleo della Terra. L'U-235 decade leggermente più velocemente.
Energia dall'atomo di uranio
Il nucleo dell'atomo di U-235 comprende 92 protoni e 143 neutroni (92 + 143 = 235). Quando il nucleo di un atomo di U-235 cattura un neutrone in movimento, si divide in due (fissioni) e rilascia un po' di energia sotto forma di calore, vengono emessi anche due o tre neutroni aggiuntivi. Se un numero sufficiente di questi neutroni espulsi provoca la scissione dei nuclei di altri atomi di U-235, rilasciando ulteriori neutroni, si può ottenere una "reazione a catena" di fissione. Quando questo accade più e più volte, molti milioni di volte, viene prodotta una quantità molto grande di calore da una quantità relativamente piccola di uranio.
È questo processo, in effetti la "combustione" dell'uranio, che avviene in un reattore nucleare. Il calore viene utilizzato per produrre vapore per produrre elettricità.
Esempi di fissione nucleare dell'uranio-235
Fonte: World Nuclear Association
Le centrali nucleari e le centrali elettriche a combustibili fossili di capacità simile hanno molte caratteristiche in comune. Entrambi richiedono calore per produrre vapore per azionare turbine e generatori. In una centrale nucleare, tuttavia, la fissione degli atomi di uranio sostituisce la combustione di carbone o gas. In un reattore nucleare il combustibile all'uranio è assemblato in modo tale da poter ottenere una reazione a catena di fissione controllata. Il calore creato dalla scissione degli atomi di U-235 viene quindi utilizzato per produrre vapore che fa girare una turbina per azionare un generatore, producendo elettricità.
La reazione a catena che avviene nel nocciolo di un reattore nucleare è controllata da barre che assorbono i neutroni e che possono essere inserite o ritirate per impostare il reattore al livello di potenza richiesto.
Gli elementi di combustibile sono circondati da una sostanza chiamata moderatore per rallentare la velocità dei neutroni emessi e quindi consentire alla reazione a catena di continuare. L'acqua, la grafite e l'acqua pesante sono utilizzate come moderatori in diversi tipi di reattori.
A causa del tipo di combustibile utilizzato (cioè la concentrazione di U-235, vedi sotto), se c'è un malfunzionamento grave non corretto in un reattore, il combustibile può surriscaldarsi e fondersi, ma non può esplodere come una bomba.
Un tipico reattore da 1000 megawatt (MWe) può fornire elettricità sufficiente per una città moderna fino a un milione di persone.
Un reattore ad acqua pressurizzata (PWR)
Fonte: World Nuclear Association
Uranio e plutonio
Mentre il nucleo dell'U-235 è "fissile", quello dell'U-238 è detto "fertile". Ciò significa che può catturare uno dei neutroni che volano nel nocciolo del reattore e diventare (indirettamente) plutonio-239, che è fissile. Il Pu-239 è molto simile all'U-235, in quanto si fissina quando viene colpito da un neutrone e questo produce una quantità di energia simile.
Poiché c'è così tanto U-238 nel nocciolo di un reattore (la maggior parte del combustibile), queste reazioni si verificano frequentemente, e infatti circa un terzo del rendimento energetico del combustibile proviene dalla "combustione" di Pu-239.
Ma a volte un atomo di Pu-239 cattura semplicemente un neutrone senza dividersi e diventa Pu-240. Poiché il Pu-239 viene progressivamente "bruciato" o diventa Pu-240, più a lungo il combustibile rimane nel reattore, più Pu-240 c'è al suo interno. (Il significato di ciò è che quando il combustibile esaurito viene rimosso dopo circa tre anni, il plutonio in esso contenuto non è adatto per la fabbricazione di armi, ma può essere riciclato come combustibile.)
Dal minerale di uranio al combustibile del reattore
Il minerale di uranio può essere estratto con metodi sotterranei o a cielo aperto, a seconda della sua profondità. Dopo l'estrazione, il minerale viene frantumato e macinato. Quindi viene trattato con acido per sciogliere l'uranio, che viene recuperato dalla soluzione.
L'uranio può anche essere estratto mediante lisciviazione in situ (ISL), dove viene disciolto da un corpo minerale sotterraneo poroso in situ e pompato in superficie.
Il prodotto finale delle fasi di estrazione e macinazione, o ISL, è il concentrato di ossido di uranio (U 3 O 8 ). Questa è la forma in cui viene venduto l'uranio.
Prima di poter essere utilizzato in un reattore per la produzione di elettricità, tuttavia, deve essere sottoposto a una serie di processi per produrre un combustibile utilizzabile.
Per la maggior parte dei reattori del mondo, il passo successivo nella produzione del combustibile è convertire l'ossido di uranio in un gas, l'esafluoruro di uranio (UF 6 ), che ne consente l'arricchimento. L'arricchimento aumenta la proporzione dell'isotopo uranio-235 dal suo livello naturale dello 0,7% al 4-5%. Ciò consente una maggiore efficienza tecnica nella progettazione e nel funzionamento dei reattori, in particolare nei reattori più grandi, e consente l'uso dell'acqua ordinaria come moderatore.
Dopo l'arricchimento, il gas UF 6 viene convertito in biossido di uranio (UO 2 ) che si forma in pellet combustibile. Questi pellet di combustibile sono posti all'interno di sottili tubi metallici, noti come barre di combustibile, che vengono assemblati in fasci per diventare il combustibile In un tipico reattore di grande potenza potrebbero esserci 51.000 barre di combustibile con oltre 18 milioni di pellet.
Un operaio tiene in mano un pellet di combustibile appena fatto (KazAtomProm)
Per i reattori che utilizzano l'uranio naturale come combustibile (e che quindi richiedono grafite o acqua pesante come moderatore), il concentrato di U 3 O 8 deve semplicemente essere raffinato e convertito direttamente in biossido di uranio.
Quando il combustibile all'uranio è rimasto nel reattore per circa tre anni, il combustibile usato viene rimosso, immagazzinato e quindi riprocessato o smaltito nel sottosuolo (vedi Ciclo del combustibile nucleare o Gestione dei rifiuti radioattivi).
Chi usa l'energia nucleare?
Circa il 10% dell'elettricità mondiale è generata dall'uranio nei reattori nucleari. Ciò equivale a oltre 2500 TWh all'anno, tanto quanto da tutte le fonti di elettricità in tutto il mondo nel 1960.
Proviene da circa 440 reattori nucleari con una capacità di produzione totale di circa 390.000 megawatt (MWe) operanti in 32 paesi. Circa 60 altri reattori sono in costruzione e circa 100 sono previsti.
Belgio, Bulgaria, Repubblica ceca, Finlandia, Francia, Ungheria, Slovacchia, Slovenia, Svezia e Ucraina ottengono il 30% o più della loro elettricità dai reattori nucleari. Gli Stati Uniti hanno circa 90 reattori in funzione, che forniscono il 20% della loro elettricità. La Francia ottiene circa il 70% della sua elettricità dall'uranio.
Nel corso dei 60 anni in cui il mondo ha goduto dei benefici dell'elettricità generata in modo pulito dall'energia nucleare, ci sono stati circa 18.500 anni di esperienza operativa nei reattori.
Vedi anche Generazione nucleare per paese.
Chi ha e chi estrae l'uranio?
L'uranio è diffuso in molte rocce e persino nell'acqua di mare. Tuttavia, come altri metalli, raramente è sufficientemente concentrato essere economicamente recuperabile. Dove si trova, si parla di un giacimento. Nel definire cosa sia il minerale, si fanno ipotesi sul costo dell'estrazione e sul prezzo di mercato del metallo. Le riserve di uranio sono quindi calcolate in tonnellate recuperabili fino a un certo costo.
Risorse di uranio per paese nel 2021
| tonnellate U | % del mondo | |
| Australia | 1.684.100 | 28% |
|---|---|---|
| Kazakistan | 815.200 | 13% |
| Canada | 588.500 | 10% |
| Russia | 480.900 | 8% |
| Namibia | 470.100 | 8% |
| Sudafrica | 320.900 | 5% |
| Niger | 311.100 | 5% |
| Brasile | 276.800 | 5% |
| Cina | 223.900 | 4% |
| Mongolia | 144.600 | 2% |
| Uzbekistan | 131.300 | 2% |
| Ucraina | 107.200 | 2% |
| Botswana | 87.200 | 1% |
| Tanzania | 58.200 | 1% |
| Giordania | 52.500 | 1% |
| USA | 59.400 | 1% |
| Altro | 266.600 | 5% |
| Totale mondiale | 6.078.500 |
|
Risorse identificate recuperabili (risorse ragionevolmente sicure più risorse dedotte), a 130 dollari/kg U, 1/1/21, da OCSE NEA & IAEA, Uranium 2022: Resources, Production and Demand ("Libro rosso"). Il totale delle risorse identificate recuperabili a 260 $/kg di U è di 7,918 milioni di tonnellate di U.
Produzione dalle miniere (tonnellate U)
| Paese | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kazakistan | 22.451 | 23.127 | 23.607 | 24.689 | 23.321 | 21.705 | 22.808 | 19.477 | 21.819 | 21.227 |
| Canada | 9331 | 9124 | 13.325 | 14.039 | 13.116 | 7001 | 6938 | 3885 | 4693 | 7351 |
| Namibia | 4323 | 3255 | 2993 | 3654 | 4224 | 5525 | 5476 | 5413 | 5753 | 5613 |
| Australia | 6350 | 5001 | 5654 | 6315 | 5882 | 6517 | 6613 | 6203 | 4192 | 4553 |
| Uzbekistan (est.) | 2400 | 2400 | 2385 | 3325 | 3400 | 3450 | 3500 | 3500 | 3520 | 3300 |
| Russia | 3135 | 2990 | 3055 | 3004 | 2917 | 2904 | 2911 | 2846 | 2635 | 2508 |
| Niger | 4518 | 4057 | 4116 | 3479 | 3449 | 2911 | 2983 | 2991 | 2248 | 2020 |
| Cina (est.) | 1500 | 1500 | 1616 | 1616 | 1692 | 1885 | 1885 | 1885 | 1600 | 1700 |
| India (est.) | 385 | 285 | 385 | 385 | 421 | 423 | 308 | 400 | 600 | 600 |
| Sudafrica (est.) | 531 | 573 | 393 | 490 | 308 | 346 | 346 | 250 | 192 | 200 |
| Ucraina | 922 | 926 | 1200 | 808 | 707 | 790 | 800 | 744 | 455 | 100 |
| USA | 1792 | 1919 | 1256 | 1125 | 940 | 582 | 58 | 6 | 8 | 75 |
| Pakistan (est.) | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 45 | 45 | 45 45 | ||
| Brasile | 192 | 55 | 40 | 44 | 0 | 0 | 0 15 | 29 | 43 | |
| Iran (est.) | 0 | 0 | 38 | 0 | 40 | 71 | 71 | 71 21 | 20 | |
| Repubblica Ceca | 215 | 193 | 155 | 138 | 0 | 0 | 0 | 0 0 | 0 Romania | |
| 77 | 77 | 77 50 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 0 | 0 | ||
| Francia | 5 | 3 | 2 | 0 | 0 | 0 0 | 0 | 0 | 0 | 0 Germania |
| 27 | 33 | 0 | 0 | 0 0 | 0 | 0 | 0 00 Malawi | |||
| 1132 | 369 | 0 | 0 0 | 0 0 | 0 | 0 0 0 | ||||
| Totale mondo | 59.331 | 56.041 | 60.304 | 63.207 | 60.514 | 54.154 | 54.742 | 47.731 | 47.808 | 49.355 |
| tonnellate U3O8 | 69.966 | 66.087 | 71.113 | 74.357 | 71.361 | 63.861 | 64.554 | 56.287 | 56.377 | 58.201 |
| % della domanda mondiale | 91% | 85% | 98% | 96% | 93% | 80% | 81% | 74% | 76% | 74% |
* Dati dalla World Nuclear Association. NB: le cifre di questa tabella possono cambiare man mano che si rendono disponibili nuovi dati. La somma dei totali potrebbe non essere esatta a causa dell'arrotondamento.
I metodi di mining sono cambiati. Nel 1990, il 55% della produzione mondiale proveniva da miniere sotterranee, ma questa percentuale si è ridotta drasticamente al 1999, con il 33% di allora. Dal 2000 le nuove miniere canadesi lo hanno nuovamente incrementato. L'estrazione di lisciviazione in situ (ISL, chiamata anche recupero in situ, ISR) ha aumentato costantemente la sua quota del totale, principalmente a causa del Kazakistan, e nel 2022 ha rappresentato oltre il 55% della produzione:
| Metodo | tonnellate U | % |
| Lisciviazione in situ (ISL) | 27.773 | 56% |
| Sotterraneo e a cielo aperto (eccetto la diga olimpica) | 18.569 | 38% |
| Sottoprodotto | 3013 | 6% |
Altri usi dell'energia nucleare L'uranio
viene venduto solo ai paesi firmatari del Trattato di non proliferazione nucleare (TNP) e che consentono ispezioni internazionali per verificare che venga utilizzato solo per scopi pacifici.
Molte persone, quando parlano di energia nucleare, hanno in mente solo i reattori nucleari (o forse le armi nucleari). Poche persone si rendono conto di quanto l'uso dei radioisotopi abbia cambiato le nostre vite negli ultimi decenni.
Utilizzando reattori nucleari speciali relativamente piccoli, è possibile produrre un'ampia gamma di materiali radioattivi (radioisotopi) a basso costo. Per questo motivo l'uso di radioisotopi prodotti artificialmente si è diffuso a partire dai primi anni '50, e ora ci sono circa 220 reattori "di ricerca" in 56 paesi che li producono. Si tratta essenzialmente di fabbriche di neutroni piuttosto che fonti di calore.
Nella
nostra vita quotidiana abbiamo bisogno di cibo, acqua e buona salute. Oggi, gli isotopi radioattivi svolgono un ruolo importante nelle tecnologie che ci forniscono tutti e tre. Sono prodotti bombardando piccole quantità di particolari elementi con neutroni.
In medicina , i radioisotopi sono ampiamente utilizzati per la diagnosi e la ricerca. I traccianti chimici radioattivi emettono radiazioni gamma che forniscono informazioni diagnostiche sull'anatomia di una persona e sul funzionamento di organi specifici. La radioterapia impiega anche radioisotopi nel trattamento di alcune malattie, come il cancro. Circa una persona su due nel mondo occidentale è probabile che sperimenti i benefici della medicina nucleare nel corso della propria vita. Sorgenti gamma più potenti vengono utilizzate per sterilizzare siringhe, bende e altri utensili medici: la sterilizzazione gamma delle apparecchiature è quasi universale.
Nella conservazione degli alimenti , i radioisotopi vengono utilizzati per inibire la germinazione delle radici dopo la raccolta, per uccidere parassiti e parassiti e per controllare la maturazione della frutta e della verdura immagazzinate. Gli alimenti irradiati sono accettati dalle autorità sanitarie mondiali e nazionali per il consumo umano in un numero crescente di paesi. Includono patate, cipolle, frutta secca e fresca, cereali e prodotti a base di cereali, pollame e alcuni pesci. Anche alcuni alimenti preconfezionati possono essere irradiati.
Nella coltivazione delle colture e nell'allevamento del bestiame , anche i radioisotopi svolgono un ruolo importante. Sono utilizzati per produrre varietà di colture ad alto rendimento, resistenti alle malattie e agli agenti atmosferici, per studiare il funzionamento di fertilizzanti e insetticidi e per migliorare la produttività e la salute degli animali domestici.
Industrialmente , e nell'estrazione mineraria, essi sono utilizzati per esaminare le saldature, per rilevare le perdite, per studiare il tasso di usura dei metalli e per l'analisi in corso di un'ampia gamma di minerali e combustibili.
Ci sono molti altri usi. Nella maggior parte dei rilevatori di fumo domestici viene utilizzato un radioisotopo derivato dal plutonio formatosi nei reattori nucleari .
I radioisotopi sono utilizzati per rilevare e analizzare gli inquinanti nell'ambiente e per studiare il movimento delle acque superficiali nei corsi d'acqua e nelle acque sotterranee.
Vedi anche I molti usi della tecnologia nucleare.
Altri reattori
Ci sono anche altri usi per i reattori nucleari. Circa 200 piccoli reattori nucleari alimentano circa 150 navi, per lo più sottomarini, ma che vanno dai rompighiaccio alle portaerei. Questi possono rimanere in mare per lunghi periodi senza dover effettuare soste di rifornimento. Nell'Artico russo, dove le condizioni operative sono oltre la capacità dei rompighiaccio convenzionali, molto Potenti navi a propulsione nucleare operano tutto l'anno, mentre in precedenza solo due mesi consentivano l'accesso a nord ogni anno.
Il calore prodotto dai reattori nucleari può anche essere utilizzato direttamente piuttosto che per generare elettricità. In Svezia, Russia e Cina, ad esempio, il calore in eccesso viene utilizzato per riscaldare gli edifici. Il calore nucleare può anche essere utilizzato per una varietà di processi industriali come la desalinizzazione dell'acqua. La desalinizzazione nucleare sarà probabilmente un'importante area di crescita nel prossimo decennio.
È probabile che in futuro il calore ad alta temperatura dei reattori nucleari venga impiegato in alcuni processi industriali, in particolare per la produzione di idrogeno.
Fonti di combustibile militari
Sia l'uranio che il plutonio sono stati utilizzati per fabbricare bombe prima di diventare importanti per la produzione di elettricità e radioisotopi. Il tipo di uranio e plutonio per le bombe è diverso da quello di una centrale nucleare. L'uranio per bombe è altamente arricchito (>90% U-235, invece di un massimo del 5%); Il plutonio per bombe è Pu-239 abbastanza puro (>90%, invece di circa il 60% per reattore) ed è prodotto in reattori speciali.
Dagli anni '90, a causa del disarmo, molto uranio militare è diventato disponibile per la produzione di elettricità. L'uranio militare viene diluito circa 25:1 con uranio impoverito (principalmente U-238) dal processo di arricchimento prima di essere utilizzato nella produzione di energia. Nel corso di due decenni, fino al 2013, un decimo dell'elettricità degli Stati Uniti è stata prodotta da armi russe, uranio.
Informazionicorrelate
I molteplici usi della tecnologianucleare L'energia nucleare nel mondo di oggi
Panoramica del ciclo
del combustibile nucleare Energia nucleare e sviluppo
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