Come viene arricchito l'uranio per fare bombe?
L'uranio arricchito è l'uranio con un'alta percentuale dell'isotopo U-235, che costituisce solo circa lo 72% dell'uranio naturale. L'uranio normale è indicato come U-238, dove il numero indica la quantità di nucleoni (protoni e neutroni) nel suo nucleo atomico. L'U-235 ha una quantità irregolare di protoni e neutroni, rendendolo leggermente instabile e suscettibile alla fissione (scissione) dai neutroni termici. Far procedere il processo di fissione come reazione a catena è la base dell'energia nucleare e delle armi nucleari.
Poiché l'U-235 ha proprietà chimiche identiche all'uranio normale ed è solo più leggero dell'1,26%, separare i due può essere una vera sfida. I processi sono di solito abbastanza energetici e costosi, motivo per cui solo pochi paesi sono stati in grado di raggiungerlo finora su scala industriale. Per produrre uranio di grado reattore, sono richieste percentuali di U-235 del 3-4%, mentre l'uranio di grado per armi deve essere composto per il 90% di U-235 o più. Esistono almeno nove tecniche per la separazione dell'uranio, anche se alcune funzionano sicuramente meglio di altre.
Durante la seconda guerra mondiale, gli Stati Uniti, quando i ricercatori stavano perseguendo per la prima volta la separazione isotopica, furono utilizzate una serie di tecniche. Il primo stadio consisteva nella diffusione termica. Introducendo un sottile gradiente di temperatura, gli scienziati hanno potuto indurre particelle U-235 più leggere verso una regione di calore e molecole U-238 più pesanti verso una regione più fredda. Questa era solo la preparazione di materiale di alimentazione per la fase successiva, la separazione elettromagnetica degli isotopi.
La separazione elettromagnetica dell'isotopo comporta la vaporizzazione dell'uranio e quindi la sua ionizzazione per produrre ioni con carica positiva. L'uranio ionizzato è stato quindi accelerato in curva da un forte campo magnetico. Gli atomi U-235 più leggeri sono stati deviati leggermente di più, mentre gli atomi U-238 sono leggermente inferiori. Ripetendo questo processo più volte, l'uranio potrebbe essere arricchito. Questa tecnica è stata utilizzata per produrre parte dell'uranio arricchito per la bomba di Little Boy, che ha distrutto Hiroshima.
Durante la guerra fredda, la separazione elettromagnetica degli isotopi fu abbandonata a favore della tecnica di arricchimento della diffusione gassosa. Questo approccio ha spinto il gas esafluoruro di uranio attraverso una membrana semipermeabile, che separava leggermente i due isotopi l'uno dall'altro. Come la tecnica precedente, questo processo avrebbe dovuto essere eseguito più volte per isolare una quantità sostanziale di U-235.
Le moderne tecniche di arricchimento utilizzano centrifughe. Gli atomi U-235 più leggeri spingono leggermente preferenzialmente verso le pareti esterne delle centrifughe, concentrandole dove possono essere estratte. Come tutte le altre tecniche, deve essere eseguita più volte per funzionare. I sistemi completi che purificano l'uranio in questo modo utilizzano molte centrifughe e sono chiamate cascate di centrifughe. La centrifuga Zippe è una variante più avanzata della centrifuga tradizionale che utilizza il calore e la forza centrifuga per separare l'isotopo.
Altre tecniche di separazione dell'uranio includono processi aerodinamici, vari metodi di separazione laser, separazione del plasma e una tecnica chimica, che sfrutta una leggera differenza nella propensione dei due isotopi a modificare la valenza nelle reazioni di ossidazione / riduzione.