Estrazione e lavorazione dell’uranio
L’uranio è un metallo presente in minerali come l’uraninite o pechblenda. I principali produttori sono Kazakistan, Canada, Namibia e Australia. L’estrazione avviene tramite miniere sotterranee, miniere a cielo aperto o, più recentemente, tramite lisciviazione in situ, in cui si iniettano soluzioni che sciolgono l’uranio nel giacimento e poi si estrae il liquido in superficie, riducendo i lavori di scavo. Il minerale viene frantumato e trattato chimicamente fino a ottenere il concentrato di ossidi di uranio in polvere, detto yellowcake.
Il yellowcake contiene l’uranio naturale, composto per il 0,7 % di uranio‑235, isotopo fissile, e per oltre il 99 % di uranio‑238, che non sostiene la reazione a catena ma può essere trasformato in plutonio. Alcuni reattori, come i CANDU canadesi, funzionano con uranio naturale, ma la maggior parte dei reattori ad acqua leggera richiede un contenuto di uranio‑235 più elevato.
Arricchimento e conversione in combustibile
Il yellowcake viene convertito in esafluoruro di uranio (UF₆), un composto solido a temperatura ambiente che diventa gassoso già a circa 56 °C. Questo composto è inviato a impianti di arricchimento in cui, grazie a lunghe serie di centrifughe ad altissima velocità, gli isotopi vengono separati sfruttando le loro piccole differenze di massa. Il contenuto di uranio‑235 è aumentato a valori tipicamente compresi tra il 3 % e il 5 %, mentre si ottiene una grande quantità di uranio impoverito, con contenuto di uranio‑235 inferiore a quello naturale.
L’UF₆ arricchito viene riconvertito in polvere di biossido di uranio (UO₂), che viene pressata e sinterizzata per formare pastiglie cilindriche, di circa un centimetro di diametro, per poi essere impilata in tubi metallici, generalmente in lega di zirconio. Le pastiglie sono poi raccolte in fasci di combustibile che costituiscono il nocciolo del reattore. Per sfruttare meglio le risorse naturali si utilizzano combustibili a ossidi misti di uranio e plutonio, detti MOX (Mixed Oxide), nei quali il plutonio proviene dal riprocessamento del combustibile già usato.
Funzionamento nel reattore e consumo del combustibile
Il combustibile rimane nel nocciolo per alcuni anni, viene sostituito a gruppi durante fermate periodiche dell’impianto. Durante questo periodo l’uranio‑235 si consuma progressivamente, mentre una parte dell’uranio‑238, assorbendo neutroni, si trasforma in plutonio, che a sua volta fissiona in parte e contribuisce alla produzione di energia. Accumulati i prodotti di fissione, la reazione a catena diventa meno efficiente e il combustibile viene estratto e sostituito con nuovo.
Al momento dello scarico, il combustibile esaurito è composto ancora per circa il 95 % da uranio, ormai poco arricchito, per circa l’1 % da plutonio e per il restante 4 %–5 % da prodotti di fissione e da attinidi minori (nettunio, americio, curio). È fortemente radioattivo e continua a produrre calore, il cosiddetto calore di decadimento, per cui viene collocato in piscine di raffreddamento, dove rimane per diversi anni.
Gestione a breve termine: piscine e stoccaggio a secco
Dopo il periodo in piscina, il combustibile esaurito viene trasferito in contenitori schermati per lo stoccaggio temporaneo “a secco”, che può durare decenni. Questi contenitori proteggono l’ambiente dalle radiazioni e consentono al calore di decadimento di diminuire.
Ciclo aperto: il rifiuto radioattivo
Nel ciclo aperto, adottato ad esempio negli Stati Uniti, in Svezia e in Finlandia, il combustibile esaurito è considerato un rifiuto radioattivo. Dopo lo stoccaggio a secco, il combustibile può essere smaltito in un deposito geologico profondo, un’installazione situata a centinaia di metri di profondità in formazioni rocciose stabili, progettata per isolare i rifiuti dall’ambiente per centinaia di migliaia di anni. Il primo deposito di questo tipo al mondo è in fase di avvio a Olkiluoto, in Finlandia.
Ciclo chiuso: riprocessamento e riciclo
Nel ciclo chiuso, adottato in particolare dalla Francia, il combustibile esaurito viene sottoposto a riprocessamento chimico per separare l’uranio e il plutonio, che costituiscono circa il 96 % della sua massa e possono essere riutilizzati per fabbricare nuovo combustibile. I prodotti di fissione e gli attinidi minori, che concentran la maggior parte della radioattività, vengono inglobati in blocchi di vetro (vetrificazione). Anche in questo caso rimane una quota di rifiuti ad alta attività, ma il loro volume è sensibilmente minore e la loro radiotossicità torna al livello del minerale di uranio naturale in tempi più brevi, dell’ordine di 10.000 anni.
Negli attuali reattori ad acqua leggera il plutonio viene in genere riciclato una sola volta (monoriciclo), perché il MOX esaur