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Gli elementi che catturano meno i neutroni

Ogni elemento può essere fatto da vari isotopi e di questi qualcuno può essere un primatista di poca cattura dei neutroni. Ma per isolarlo occorrerebbe fare una separazione degli isotopi che è sempre un processo difficile e costoso...

Oltre ai metodi classici basati sulla diffusione gassosa attraverso una barriera porosa o tramite l'uso di centrifughe usate per esaltare la differenza di comportamento degli isotopi di un dato elemento causato dalla diversa massa ( peso atomico ) ora sarebbe possibile effettuare la separazione degli isotopi tramite laser.

L'effetto sfruttato è questo. Un dato elemento o una molecola ha un suo particolare spettro di emissione e di assorbimento della luce ossia della radiazione elettromagnetica.

Si tratta di un effetto squisitamente quantistico dovuto al fatto che gli elettroni, orbitando attorno ai nuclei, effettuano orbite non di semiasse maggiore qualsiasi come possono fare i pianeti attorno al Sole, ma possono fare una serie di orbite di energia ben definita e calcolabile con la meccanica quantistica.

Tutti gli elettroni però tendono a cadere sul nucleo il più possibile ma ... non possono perché esiste sempre un'orbita più bassa di tutte ( mettiamo l'orbita di Mercurio rispetto a quella degli altri pianeti ... ma di raggio ben definito e non arbitrario ).

Quando un elettrone cade ossia passa da un'orbita ad un'altra più stretta, si libera della differenza di energia emettendo un fotone ossia una radiazione elettromagnetica che, se ha la lunghezza d'onda giusta, tra 400 e 700 miliardesimi di metro, è visibile dall'occhio umano come luce dal viola al rosso.

Ma un atomo o una molecola può anche assorbire la radiazione che è capace di emettere ossia un elettrone della nube di elettroni che orbitano, può saltare da una orbita più stretta ad una più larga e più energetica fino addirittura a riuscire a staccarsi del tutto dal nucleo o dalla molecola che dunque assume una carica positiva e viene chiamata ... ione.

Il fatto importantissimo per la separazione degli isotopi è che le energie delle orbite degli elettroni non dipendono solo dalle cariche dei nuclei ma anche dalle loro masse per cui, per esempio, l'idrogeno ( col nucleo fatto da un solo protone ) e il deuterio ( col nucleo di massa doppia perché il suo nucleo è fatto da un protone + un neutrone ) emettono ed assorbono radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d'onda leggermente diversa... Lo stesso avviene per gli isotopi dell'uranio, il 238 che rappresenta più del 99% dell'uranio naturale e il 235 ossia l'uranio capace di fare fissione se colpito da un neutrone termico ossia da un neutrone che si muove come se fosse un gas alla temperatura ambiente.

Se dunque illumino un gas di un particolare elemento con una luce di una precisa lunghezza d'onda il gas non è trasparente ma assorbe quella radiazione e... si scalda. Ma se uso un laser che emetta una luce di una radiazione precisissima riesco a scaldare non tutti gli atomi del gas ma solo gli atomi di un dato isotopo del gas, capaci di assorbire una radiazione elettromagnetica leggerissimamente diversa dagli altri isotopi. Dunque tenderà a salire in alto solo il gas più caldo ossia più ricco dell'isotopo che mi interessa per cui...ripetendo molte volte questa specie di distillazione potrò isolare l'isotopo che mi interessa..

Quando il laser è stato inventato... c'é stata subito gente che ha cercato di applicare questo metodo che, pur essendo delicatissimo, è però nettamente più efficiente degli altri due metodi classici e quindi consente di isolare isotopi con proprietà nucleari molto diverse da quelle medie degli elementi naturali ossia miscele di nuclei con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.

Sono differenze fortissime: l'isotopo 235 dell'uranio è fissile mentre quello del 238 non si spacca con neutroni lenti ossia termici ma diventa plutonio 239 che a sua volta è fissile come l'uranio 235.

Analogamente il piombo naturale è un metallo che assorbe poco i neutroni ma non pochissimo ma, tra gli isotopi del piombo, ce ne è uno, l'isotopo 208, che assorbe pochissimo i neutroni, circa solo quanto il deuterio che è un primatista anche lui per cui... un reattore termico ( come lo sono i reattori canadesi detti CANDU ) refrigerato col piombo fuso sarebbe efficentissimo dal punto di vista termodinamico e molto sicuro perché il piombo liquido non bolle e quindi i tubi pieni di barre di uranio raffreddate col piombo liquido non dovrebbero essere capaci di resistere alla pressione e dunque non sarebbero tubi pressurizzati con una ( infinitesima ) probabilità di fessurarsi e danneggiare il nocciolo del reattore.

Le ricerche fatte negli USA hanno portato a mettere a punto questa metodologia di separazione degli isotopi tramite luce laser. Già verso la fine del millennio scorso tutto era pronto per passare alla fase operativa ossia per applicare questo metodo efficientissimo e meno costoso delle alternative.

I reattori ad acqua naturale bollente ( BWR come Caorso e Garigliano ) o acqua naturale pressurizzata ( PWR come Trino Vercellese ) hanno bisogno di combustibile fatto da uranio arricchito ossia contenente qualche percento dell'isotopo 235 fissile.

I metodi classici però non riescono a estrarre dall'uranio naturale tutto l'uranio 235 che contiene per cui l'uranio di scarto ( noto come uranio impoverito ) in realtà contiene ancora molto uranio 235 che sarebbe antieconomico ossia costosissimo da estrarre.

Ma usando un metodo più potente, come appunto la separazione degli isotopi tramite laser, sarebbe possibile depauperare ulteriormente l'uranio impoverito che tutti i paesi del mondo, USA, Francia, Russia, Giappone etc. hanno via via accumulato... Si tratterebbe dunque di sfruttare una enorme... miniera di uranio casalingo ottenendo ancora moltissimo uranio 235 preziosissimo, data la sua rarità ( lo 0.7% dell'uranio naturale ).

Ma i ricercatori valorosi americani sono stati bloccati dall'avvento dei democratici capitanati dai Clinton, i grandi finanziatori dei verdi più fanatici e quindi potenti VANDALI o, modernamente, talebani dell'energia nucleare. Tutto era pronto più di un decennio fa ma i talebani USA hanno bloccato l'applicazione di questa tecnologia anche in paesi già strapieni di bombe atomiche e che dunque avrebbero solo tratto grandi vantaggi economici dal migliore utilizzo dell'uranio già estratto dalle miniere e dunque già pagato.

Tralascio di sottolineare poi i vantaggi derivanti dalla possibilità di abbassare i costi o addirittura di consentire la separazione di isotopi dalle proprietà neutroniche eccezionali come il deuterio, il piombo 208 e... vari altri che non elenco ora...

Tutta ricerca scientifica di diretta e rapida applicazione pratica e di grande interesse economico... sabotata dai talebani del nucleare...

Elenco qui i migliori elementi con composizione isotopica naturale indicando il numero atomico ossia la carica elettrica del nucleo. Sono le sezioni d'urto microscopiche misurate, come da tradizione, in barn ossia in aree di 10⁻²⁸ m².

Oltre alle sezioni di cattura dei neutroni termici ossia dei neutroni che si muovono come un gas alla temperatura di 20 °C ossia di 293 K, riporto la sezione d'urto microscopica di scattering ossia di urto elastico, misurata anche lei in barn. Per fare i calcoli che interessano occorre usare le sezioni d'urto macroscopiche e non microscopiche ossia moltiplicare per il numero di nuclei al m³ e per fare questo occorre conoscere la densità del materiale e il peso atomico del nucleo... dati facili da reperire in giro ed ovviamente molto variabili a seconda di come si fanno le strutture macroscopiche che costituiscono il nocciolo del reattore nucleare.

• 2 == He : 0 [ 3, 4 ] Scatt = 1.34
• 8 == O : 0.00019 [ 16, 17, 18 ] Scatt = 4.232
• 6 == C : 0.0035 [ 12, 13 ] Scatt = 5.551
• 4 == Be : 0.0076 [ 9 ] Scatt = 7.63
• 9 == F : 0.0096 [19 ] Scatt = 4.018
• 83 == Bi : 0.0338 [ 209 ] Scatt = 9.156
• 10 == Ne : 0.039 [ 20, 21, 22 ] Scatt = 2.628
• 12 == Mg : 0.063 [ 24, 25, 26 ] Scatt = 3.71
• 82 == Pb : 0.171 [ 204, 206, 207, 208 ] Scatt = 11.118
• 14 == Si : 0.171 [ 28, 29, 30 ] Scatt= 2.167
• 15 == P : 0.172 [ 31 ] Scatt = 3.312
• 40 == Zr : 0.185 [ 90, 91, 92, 94, 96 ] Scatt = 6.46
• 13 == Al : 0.231 [ 27 ] Scatt = 1.503
• 1 == H : 0.3326 [ 1, 2 ] Scatt = 82.02
• 37 == Rb : 0.38 [ 85, 87 ] Scatt = 6.8
• 20 == Ca: 0.43 [ 40, 42,43, 44, 46, 48 ] Scatt = 2.83
• 11 == Na : 0.53 [ 23 ] Scatt = 3.28
• 16 == S : 0.53 [ 32, 33, 34, 36 ] Scatt = 1.026
• 50 == Sn : 0.626 [ 112, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122, 124 ] Scatt = 4.892
• 58 == Ce : 0.63 [ 136, 138, 140, 142 ] Scatt = 2.94
• 18 == Ar : 0.675 [ 36, 38, 40 ] Scatt = 0.683
• 56 == Ba : 1.1 [ 130, 132, 134, 135, 136, 137, 138 ] Scatt = 3.38
• 30 == Zn : 1.11 [ 64, 66, 67, 68, 70 ] Scatt = 4.131
• 41 == Nb : 1.15 [ 93 ] Scatt = 6.255
• 38 == Sr : 1.28 [ 84, 86, 87, 88 ] Scatt = 6.25
• 39 == Y : 1.28 [ 89 ] Scatt = 7.7
• 7 == N : 1.9 [ 14, 15 ] Scatt = 11.51
• 19 = K : 2.1 [ 39, 40, 41 ] Scatt = 1.96
• 32 == Ge : 2.2 [ 70, 72, 73, 74, 76 ] Scatt = 8.6
• 42 == Mo :2.48 [ 92, 94, 95, 96, 97, 98, 100 ] Scatt = 5.71
• 26 == Fe : 2.56 [ 54, 56, 57, 58 ] Scatt = 11.62

Nella classifica dedicata ai solo isotopi, il primo della classe è l'elio 4 ( e il trizio che però non è un nucleo stabile ) ma ci sono altre sorprese... Scrivo qui la classifica sommando il numero atomico moltiplicato per 1000 al peso atomico ( solitamente indicato con A ):

• 2004 : 0
• 7015 : 0.000024
• 8016 : 0.0001
• 8018 : 0.00016
• 82208 : 0.00048 ( il fantastico piombo 208 figlio del torio 232 )
• 1002 : 0.000519 ( il deuterio )
• 6013 : 0.00137
• 36086 : 0.003
• 6012 : 0.00353
• 5011 : 0.0055
• 4009 : 0.0076
• 9019 : 0.0096
• 40090 : 0.011

Da notare che il boro e il kripton non sono in classifica come elementi virtuosi ossia poco catturanti perché il boro 10 è, anzi, un potentissimo assorbitore usato nelle barre di controllo e per questo utilissimo come l'afnio che è un titanio pesantissimo e affamato di neutroni a differenza dello zirconio che è un titanio pesante ma non pesantissimo e che cattura molto poco i neutroni e per questo viene molto utilizzato nei reattori refrigerati ad acqua naturale o pesante...

La AVLIS studiata fino al 1990 dal Lawrence Livermore's laser isotope separation ( LIS ) pilot plant.

Inoltre cercare in rete info su una società austraniana: SILEX ovvero "Separation of Isotopes by Laser EXcitation" e seguire la ricerca congiunta ossia la collaborazione tra la società australiana e la GLE ovvero la "Global Laser Enrichment" ossia una società sussidiaria della GE ( General Electric Company ) che ha firmato un accordo nel maggio 2006 ( Silex-GE Agreement ). La fabbrica con una capacità di produzione significativa verrebbe costruita a Wilmington, North Carolina, USA.

Ignoro a che punto è la realizzazione del progetto...

Orologio del quarto di giorno ( Mattino, Pomeriggio, Sera, Nottefonda )

Usa tre lancette ( un giro al quarto di giorno per segnare le ore decimali, un giro al 40_esimo di giorno per segnare i minuti decimali e un giro al 4_centesimo di giorno per segnare i secondi decimali con la possibilità di valutare i decimi di secondo decimali che durano 2.16 secondi tradizionali ) + una lancetta che segnala la fase ossia fa un giro al giorno.

Giampaolo Bottoni :
gpbottoni@gmail.com