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4.2. PROPRIETÀ FISICHE, CHIMICHE E RADIOLOGICHE

Le proprietà fisiche dell’uranio e dei composti di uranio importanti nel ciclo del combustibile nucleare e nei programmi di difesa sono elencati nella tabella 4-2. La percentuale di presenza e le proprietà radioattive degli isotopi di uranio presenti in natura sono elencati nella tabella 4-3. Le due serie di decadimento per gli isotopi di uranio presenti in natura sono mostrate nella Tabella 4-4.

Metallurgicamente, l’uranio metallico può esistere in tre forme allotropiche: ortorombica, tetragonale, o cubica a corpo centrato (Lide 2008), e può essere legato con altri metalli per alterare le sue proprietà strutturali e fisiche per soddisfare l’applicazione. Come la polvere metallica di alluminio, la polvere metallica di uranio è autopiroforica e può bruciare spontaneamente a temperatura ambiente in presenza di aria, ossigeno e acqua. Allo stesso modo, la superficie del metallo sfuso, quando viene esposta per la prima volta all’atmosfera, si ossida rapidamente e produce un sottile strato superficiale di UO2, che resiste alla penetrazione dell’ossigeno e protegge il metallo interno dall’ossidazione. A temperature di 200-400°C, la polvere di uranio può autoaccendersi in atmosfere di CO2 e N2. Per prevenire l’autocombustione, i trucioli di lavorazione dell’uranio possono essere conservati in contenitori aperti e sotto olio di macchina o acqua per prevenire l’accumulo di gas idrogeno. L’uranio che brucia può essere messo sotto l’acqua fino allo spegnimento, che può essere ritardato dall’idrolisi dell’acqua, che fornisce un po’ di ossigeno e idrogeno per continuare a bruciare. Acqua spray, CO2 e halon sono inefficaci, e la scarica di halon può essere esplosiva e produrre gas tossici (DOE 2001).

L’uranio può esistere in cinque stati di ossidazione: +2, +3, +4, +5 e +6 (Lide 2008); tuttavia, solo gli stati +4 e +6 sono abbastanza stabili da essere di importanza pratica. L’uranio tetravalente è ragionevolmente stabile e forma idrossidi, fluoruri idrati e fosfati di bassa solubilità. L’uranio esavalente è lo stato più stabile, e lo stato più comunemente presente è U3O8, anche se ci sono alcuni depositi localizzati di esafluoruro di uranio antropogenico (UF6) negli Stati Uniti (DOE 2011a). I principali composti dell’uranio includono ossidi, fluoruri, carburi, nitrati, cloruri, acetati e altri. Una delle caratteristiche degli ioni UO2+2 è la loro capacità di diventare fluorescenti sotto la luce ultravioletta.

Anche se l’elemento uranio fu scoperto nel 1789 da Klaproth, che lo chiamò “uranio” dopo il pianeta Urano appena scoperto, fu solo nel 1896 che Becquerel scoprì che l’uranio è radioattivo. Ci sono 22 isotopi noti di uranio, solo 3 dei quali si presentano naturalmente (NNDC 2011). Questi tre isotopi, 234U, 235U e 238U, hanno abbondanze di massa relativa all’interno della roccia crostosa indisturbata della terra di 0,005, 0,72 e 99,275%, rispettivamente. Un grammo di uranio naturale con questa abbondanza isotopica relativa ha un’attività di 0,69 µCi. Di questi 0,69 µCi, il 49,0% dell’attività è attribuibile a 234U, il 2,27% dell’attività è attribuibile a 235U, e il 48,7% dell’attività è attribuibile a 238U (Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2011). Questo rapporto è solo per le rocce crostali indisturbate. Sebbene l’abbondanza di massa relativa di 234U sia solo lo 0,005%, essa rappresenta circa la metà dell’attività totale. Le abbondanze isotopiche relative date sopra possono essere alterate in una certa misura da processi naturali che non sono completamente compresi, ma che possono causare rapporti diversi in aria, acqua e suolo, come dimostrato nei rapporti dell’EPA (EPA 1994a, 2007).

235U è un isotopo di particolare interesse perché è fissile (capace di essere fissionato) e, di conseguenza, può sostenere una reazione nucleare a catena in presenza di neutroni di energia adeguata. L’isotopo predominante dell’uranio che si trova in natura, il 238U, non è facilmente fissionabile, ma una piccola parte delle sue trasformazioni risulta in una fissione spontanea piuttosto che nel tipico decadimento alfa; questi neutroni possono essere sufficienti per iniziare una reazione a catena in condizioni di concentrazione, massa e termalizzazione neutronica appropriate. Di conseguenza, affinché l’uranio possa essere usato come combustibile nei reattori nucleari, il rapporto tra 235U e 238U viene aumentato dallo 0,72 al 2-4% attraverso un processo chiamato arricchimento. Il processo di arricchimento più usato negli Stati Uniti è chiamato diffusione gassosa, ma possono essere usati altri processi di arricchimento con metodi termici, centrifughi e laser, e altri paesi sono attivamente coinvolti nella produzione di uranio arricchito. Il minerale di uranio viene trasformato in ossido di uranio (U3O8) e poi fluorato in UF6; successivamente, un flusso di gas UF6 contenente tutti e tre i composti isotopici viene fatto passare attraverso una lunga serie di stadi di diffusione attraverso i quali il 234U e il 235U passano più velocemente del 238U. Così, l’estremità anteriore del flusso ha una maggiore concentrazione di 235U e viene chiamato esafluoruro di uranio arricchito, mentre l’estremità posteriore del flusso ha una concentrazione ridotta di 235U e viene chiamato esafluoruro di uranio impoverito. L’arricchimento percentuale è una misura della percentuale di massa di 235U nel prodotto finale, e il grado di arricchimento è determinato dall’uso. L’UF6 arricchito è tipicamente convertito in metallo o ossido di uranio per il combustibile del reattore di potenza o in metallo per applicazioni militari. L’UF6 impoverito è convertito in uranio metallico per una varietà di applicazioni civili e militari o immagazzinato per un uso futuro. L’uranio a basso arricchimento (2-4% di arricchimento) è usato nei reattori nucleari civili (DOE 2000), mentre l’uranio ad alto arricchimento (>90% di arricchimento) è usato in reattori di ricerca speciali (la maggior parte dei quali sono stati rimossi dal funzionamento), nuclei di reattori di sottomarini nucleari e armi nucleari. Il metallo dell’uranio impoverito è usato come schermatura contro le radiazioni, proiettili di missili, elementi bersaglio nei reattori di produzione del plutonio, un componente del giroscopio e contrappesi o stabilizzatori negli aerei.

L’uranio subisce continuamente una trasformazione attraverso il processo di decadimento per cui rilascia energia per diventare alla fine un elemento stabile o non radioattivo. Per gli isotopi dell’uranio, questo è un processo complesso che coinvolge la produzione seriale di una catena di prodotti di decadimento, chiamati progenie, fino a formare un elemento finale stabile. I prodotti di decadimento degli isotopi di uranio, che sono anche radioattivi, sono mostrati nella tabella 4-4. 238U è l’isotopo genitore della serie dell’uranio (234U è un prodotto di decadimento di 238U), mentre 235U è l’isotopo genitore della serie di decadimento dell’attinio. Tutti gli isotopi naturali dell’uranio e alcuni dei loro progenitori decadono per emissione di particelle alfa; gli altri membri di entrambe le serie decadono per emissione di particelle beta e raggi gamma (NNDC 2011). Sia la serie di decadimenti dell’uranio che quella dell’attinio hanno tre caratteristiche in comune. Ogni serie inizia con un genitore a lunga vita, 235U o 238U, ogni serie contiene un isotopo del gas nobile radon, e ogni serie termina con un isotopo stabile del piombo, 207Pb o 206Pb.

La quantità di tempo richiesta per la trasformazione di metà degli atomi di un radionuclide è chiamata la sua emivita radioattiva. Il tasso di decadimento, e quindi l’emivita, per ogni radionuclide è unico. L’emivita del 238U è molto lunga, 4,5×109 anni; le emivite del 235U e del 234U sono ordini di grandezza inferiori, 7,0×108 e 2,5×105 anni, rispettivamente. Poiché l’attività di una data massa di uranio dipende dalla massa e dal tempo di dimezzamento di ogni isotopo presente, maggiore è l’abbondanza relativa di 234U e 235U che decadono più rapidamente, maggiore sarà l’attività. Così, l’uranio impoverito è meno radioattivo dell’uranio naturale e l’uranio arricchito è più radioattivo.

L’uranio è insolito tra gli elementi perché è sia un materiale chimico che radioattivo. I pericoli associati all’uranio dipendono dalla forma chimica e fisica dell’uranio, dalla via di assunzione e dal livello di arricchimento. La forma chimica dell’uranio determina la sua solubilità e, quindi, la trasportabilità nei fluidi del corpo così come la ritenzione nel corpo e nei vari organi. La tossicità chimica dell’uranio è la preoccupazione principale per la salute, perché i composti solubili dell’uranio causano danni da metalli pesanti al tessuto renale. I pericoli radiologici dell’uranio possono essere una preoccupazione primaria quando i composti di uranio inalati, arricchiti (DOE 2001) e insolubili sono trattenuti a lungo nei polmoni e nei linfatici associati.