Fatti sull’uranio

Il 6 agosto 1945, una bomba lunga 3 metri cadde dal cielo sopra la città giapponese di Hiroshima. Meno di un minuto dopo, tutto ciò che si trovava nel raggio di un miglio dalla detonazione della bomba fu cancellato. Un’enorme tempesta di fuoco distrusse rapidamente altre miglia, uccidendo decine di migliaia di persone.

Questo fu il primo utilizzo in assoluto di una bomba atomica in guerra, e usò un elemento famoso per scatenare il suo caos: l’uranio. Questo metallo radioattivo è unico in quanto uno dei suoi isotopi, l’uranio-235, è l’unico isotopo presente in natura capace di sostenere una reazione di fissione nucleare. (Un isotopo è una versione dell’elemento con un numero diverso di neutroni nel suo nucleo.)

Per capire l’uranio, è importante capire la radioattività. L’uranio è naturalmente radioattivo: Il suo nucleo è instabile, quindi l’elemento è in un costante stato di decadimento, alla ricerca di una disposizione più stabile. In effetti, l’uranio è stato l’elemento che ha reso possibile la scoperta della radioattività. Nel 1897, il fisico francese Henri Becquerel lasciò alcuni sali di uranio su una lastra fotografica come parte di alcune ricerche su come la luce influenzava questi sali. Con sua sorpresa, la lastra si appannò, indicando una sorta di emissione dai sali di uranio. Becquerel condivise un premio Nobel con Marie e Pierre Curie nel 1903 per la scoperta.

Solo i fatti

Secondo il Jefferson National Linear Accelerator Laboratory, le proprietà dell’uranio sono:

• Numero atomico (numero di protoni nel nucleo): 92
• Simbolo atomico (sulla tavola periodica degli elementi): U
• Peso atomico (massa media dell’atomo): 238,02891
• Densità: 18,95 grammi per centimetro cubo
• Fase a temperatura ambiente: Solido
• Punto di fusione: 2.075 gradi Fahrenheit (1.135 gradi Celsius)
• Punto di ebollizione: 7.468 F (4.131 C)
• Numero di isotopi (atomi dello stesso elemento con un diverso numero di neutroni): 16, 3 presenti in natura
• Isotopi più comuni: U-234 (0,0054% abbondanza naturale), U-235 (0,7204% abbondanza naturale), U-238 (99,2742% abbondanza naturale)

Storia dell’uranio

Martin Heinrich Klaproth, un chimico tedesco, scoprì l’uranio nel 1789, anche se era conosciuto almeno dal A.D. 79, quando l’ossido di uranio veniva usato come colorante per smalti ceramici e nel vetro, secondo Chemicool. Klaproth scoprì l’elemento nel minerale pechblenda, che all’epoca si pensava fosse un minerale di zinco e ferro. Il minerale è stato sciolto in acido nitrico, e poi la potassa (sali di potassio) è stata aggiunta al precipitato giallo rimanente. Klaproth concluse di aver scoperto un nuovo elemento quando la reazione tra la potassa e il precipitato non seguì nessuna reazione di elementi conosciuti. La sua scoperta si rivelò essere ossido di uranio e non uranio puro come aveva inizialmente creduto.

Secondo il Los Alamos National Laboratory, Klaproth chiamò il nuovo elemento dopo la recente scoperta del pianeta Urano, che prendeva il nome dal dio greco del cielo. Eugène-Melchior Péligot, un chimico francese, isolò l’uranio puro nel 1841 riscaldando il tetracloruro di uranio con il potassio.

L’uranio fu trovato radioattivo nel 1896 da Antoine H. Becquerel, un fisico francese. Becquerel aveva lasciato un campione di uranio sopra una lastra fotografica non esposta, che divenne torbida. Concluse che stava emettendo raggi invisibili, secondo la Royal Society of Chemistry. Questo fu il primo caso in cui la radioattività fu studiata e aprì un nuovo campo della scienza. Marie Curie, una scienziata polacca, coniò il termine radioattività poco dopo la scoperta di Becquerel, e con Pierre Curie, uno scienziato francese, continuò la ricerca per scoprire altri elementi radioattivi, come il polonio e il radio, e le loro proprietà.

Potere e guerra

L’uranio dell’universo si è formato 6,6 miliardi di anni fa nelle supernove, secondo la World Nuclear Association. Si trova su tutto il pianeta, e costituisce circa da 2 a 4 parti per milione della maggior parte delle rocce. È al 48° posto tra gli elementi più abbondanti che si trovano nelle rocce naturali, secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ed è 40 volte più abbondante dell’argento.

Anche se l’uranio è altamente associato alla radioattività, il suo tasso di decadimento è così basso che questo elemento non è in realtà uno dei più radioattivi là fuori. L’uranio-238 ha un’emivita di ben 4,5 miliardi di anni. L’uranio-235 ha un’emivita di poco più di 700 milioni di anni. L’uranio-234 ha l’emivita più breve di tutti a 245.500 anni, ma si verifica solo indirettamente dal decadimento di U-238.

In confronto, l’elemento più radioattivo è il polonio. Ha un’emivita di soli 138 giorni.

Ancora, l’uranio ha un potenziale esplosivo, grazie alla sua capacità di sostenere una reazione nucleare a catena. L’U-235 è “fissile”, il che significa che il suo nucleo può essere scisso da neutroni termici – neutroni con la stessa energia del loro ambiente circostante. Ecco come funziona, secondo la World Nuclear Association: Il nucleo di un atomo di U-235 ha 143 neutroni. Quando un neutrone libero urta l’atomo, divide il nucleo, gettando fuori altri neuroni, che possono poi zompare nei nuclei degli atomi di U-235 vicini, creando una cascata autosostenuta di fissione nucleare. Gli eventi di fissione generano ciascuno calore. In un reattore nucleare, questo calore è usato per far bollire l’acqua, creando vapore che fa girare una turbina per generare energia, e la reazione è controllata da materiali come il cadmio o il boro, che possono assorbire neutroni extra per portarli fuori dalla catena di reazione.

In una bomba a fissione come quella che ha distrutto Hiroshima, la reazione diventa supercritica. Ciò significa che la fissione avviene ad una velocità sempre maggiore. Queste reazioni supercritiche rilasciano enormi quantità di energia: L’esplosione che ha distrutto Hiroshima aveva la potenza di circa 15 chilotoni di TNT, tutti creati con meno di un chilogrammo di uranio in fissione.

Per rendere la fissione dell’uranio più efficiente, gli ingegneri nucleari lo arricchiscono. L’uranio naturale è solo lo 0,7% circa di U-235, l’isotopo fissile. Il resto è U-238. Per aumentare la proporzione di U-235, gli ingegneri o gassificano l’uranio per separare gli isotopi o usano le centrifughe. Secondo la World Nuclear Association, la maggior parte dell’uranio arricchito per le centrali nucleari è composto dal 3 al 5 per cento di U-235.

All’altra estremità della scala c’è l’uranio impoverito, che viene usato per le armature dei carri armati e per fare proiettili. L’uranio impoverito è ciò che rimane dopo che l’uranio arricchito viene speso in una centrale elettrica. È circa il 40% meno radioattivo dell’uranio naturale, secondo il Dipartimento degli Affari dei Veterani degli Stati Uniti. Questo uranio impoverito è pericoloso solo se viene inalato, ingerito o entra nel corpo in una sparatoria o in un’esplosione.

Chi lo sapeva?

• Solo l’1,38% dell’uranio nella bomba “Little Boy” che ha distrutto Hiroshima ha subito la fissione, secondo la Atomic Heritage Foundation. La bomba conteneva circa 64 kg di uranio in totale.
• La bomba “Little Boy” esplose a 509 metri sopra Hiroshima e lasciò in piedi solo le strutture di alcuni edifici in cemento armato nel raggio di un miglio intorno a Ground Zero, secondo un rapporto del 1980 della Defense Nuclear Agency. Tempeste di fuoco distrussero tutto nel raggio di 4,4 miglia (7 chilometri) dall’esplosione.
• L’emivita dell’uranio-238 è di 4,5 miliardi di anni. Decade in radio-226, che a sua volta decade in radon-222. Il radon-222 diventa polonio-210, che infine decade in un nuclide stabile, il piombo.
• Marie Curie, che lavorò con l’uranio per scoprire diversi elementi ancora più radioattivi (polonio e radio), probabilmente morì per l’esposizione alle radiazioni del suo lavoro. Morì nel 1934 di anemia aplastica, una deficienza di globuli rossi probabilmente causata da danni da radiazioni al suo midollo osseo.
• L’uranio puro è un metallo argenteo che si ossida rapidamente in aria.
• L’uranio è talvolta usato per colorare il vetro, che brilla di giallo-verde sotto la luce nera – ma non a causa della radioattività (il vetro è solo minimamente radioattivo). Secondo il Collectors Weekly, la fluorescenza è dovuta alla luce UV che eccita il composto di uranile nel vetro, facendogli emettere fotoni mentre si deposita di nuovo.
• Il yellowcake è ossido di uranio solido. Questa è la forma in cui l’uranio è comunemente venduto prima di essere arricchito.
• L’uranio è estratto in 20 paesi, con oltre la metà proveniente da Canada, Kazakistan, Australia, Niger, Russia e Namibia, secondo la World Nuclear Association.
• Secondo Lenntech, tutti gli esseri umani e gli animali sono naturalmente esposti a quantità minime di uranio da cibo, acqua, suolo e aria. Per la maggior parte, la popolazione generale può tranquillamente ignorare le quantità che vengono ingerite, tranne se vivono vicino a siti di rifiuti pericolosi, miniere, o se le colture vengono coltivate in terreni contaminati o innaffiate con acqua contaminata.

Ricerca attuale

Data la sua importanza nel combustibile nucleare, i ricercatori sono fortemente interessati a come funziona l’uranio – in particolare durante una fusione. Le fusioni avvengono quando i sistemi di raffreddamento intorno a un reattore falliscono e il calore generato dalle reazioni di fissione nel nucleo del reattore fonde il combustibile. Questo è successo durante il disastro nucleare alla centrale nucleare di Chernobyl, con conseguente blob radioattivo soprannominato “la zampa d’elefante”.”

Capire come i combustibili nucleari agiscono quando si fondono è fondamentale per gli ingegneri nucleari che costruiscono vasi di contenimento, ha detto John Parise, un chimico e mineralogista alla Stony Brook University e Brookhaven National Laboratory.

Nel novembre 2014, Parise e colleghi dell’Argonne National Lab e di altre istituzioni hanno pubblicato un documento sulla rivista Science che ha chiarito per la prima volta il funzionamento interno del biossido di uranio fuso, un componente importante del combustibile nucleare. Il diossido di uranio non si scioglie fino a quando le temperature non superano i 5.432 F (3.000 C), quindi è difficile misurare ciò che accade quando il materiale diventa liquido, ha detto Parise a Live Science – semplicemente non c’è un contenitore abbastanza resistente.

“La soluzione a questo è che riscaldiamo una palla di diossido di uranio dall’alto con un laser al biossido di carbonio, e questa palla viene fatta levitare su un flusso di gas”, ha detto Parise. “Si ha questa palla di materiale che levita sul flusso di gas, quindi non c’è bisogno di un contenitore”.

I ricercatori poi irradiano raggi X attraverso la bolla di biossido di uranio e misurano la dispersione di questi raggi X con un rilevatore. L’angolo di dispersione rivela la struttura degli atomi all’interno del biossido di uranio.

I ricercatori hanno scoperto che nel biossido di uranio solido, gli atomi sono disposti come una serie di cubi alternati a spazio vuoto in un modello a griglia, con otto atomi di ossigeno che circondano ogni atomo di uranio. Quando il materiale si avvicina al suo punto di fusione, gli ossigeni diventano “pazzi”, ha detto Lawrie Skinner, ricercatore dell’Argonne National Laboratory, in un video sui risultati. Gli atomi di ossigeno iniziano a muoversi, riempiendo lo spazio vuoto e passando da un atomo di uranio all’altro.

Finalmente, quando il materiale si fonde, la struttura assomiglia a un dipinto di Salvador Dali quando i cubi si trasformano in poliedri disordinati. A questo punto, ha detto Parise, il numero di atomi di ossigeno intorno a ciascun atomo di uranio – noto come numero di coordinazione – scende da otto a circa sette (alcuni atomi di uranio hanno sei ossigeni che li circondano, e alcuni ne hanno sette, per una media di 6,7 ossigeni per uranio).

Conoscere questo numero rende possibile modellare come il biossido di uranio agirà a queste alte temperature, ha detto Parise. Il prossimo passo è quello di aggiungere più complessità. I nuclei nucleari non sono solo biossido di uranio, ha detto. Includono anche materiali come lo zirconio e qualsiasi cosa sia usata per schermare l’interno del reattore. Il team di ricerca prevede ora di aggiungere questi materiali per vedere come cambia la reazione del materiale.

“È necessario sapere come si comporta il liquido di biossido di uranio puro in modo che quando si inizia a guardare gli effetti dei piccoli additivi, si può vedere quali sono le differenze? ha detto Parise.

La stragrande maggioranza dell’uranio è usata per l’energia, di solito in reazioni nucleari controllate. I rifiuti rimasti, l’uranio impoverito, possono essere riciclati per sfruttare altri tipi di energia, come la potenza del sole. Un brevetto del 2017 di Igor Usov e Milan Sykora, scienziati del Los Alamos National Laboratory, discute l’utilizzo dell’uranio impoverito dalle reazioni nucleari per creare celle solari. Gli autori hanno scritto che l’ossido di uranio impoverito è abbondante ed economico come avanzo del processo di arricchimento del combustibile nucleare e potrebbe essere ottimizzato per l’uso come celle solari controllando lo spessore, il rapporto uranio/ossigeno, la cristallinità e il drogaggio.

Il diossido di uranio è un eccellente semiconduttore, secondo un documento del 2000 di Thomas Meek all’Oak Ridge National Laboratory, e potrebbe potenzialmente essere un miglioramento per certi usi rispetto agli usi tradizionali di silicio, germanio o arsenuro di gallio. A temperatura ambiente, l’ossido di uranio darebbe la più alta efficienza possibile delle celle solari rispetto ai tradizionali elementi e composti per lo stesso uso.

Integrazione di Rachel Ross, Live Science Contributor