File di centrifughe nell'impianto di prova componenti, gestito dallaUnion Carbide Corporation per conto del Dipartimento dell'energiaall'Oak Ridge National Laboratory. Ciascun cilindro contiene un roto-re all'interno del quale viene immesso il gas esafluoruro di uranio. Talecomposto contiene l'isotopo fissile uranio 235, che è il costituenteminore dell'uranio naturale e l'isotopo uranio 238 non fissile, che ne è ilprincipale componente. Il gas viene fatto ruotare ad alta velocità nelrotore e le forze centrifughe spostano contro la parete le molecole più

pesanti contenenti l'uranio 238, dando luogo a una parziale separazio-ne degli isotopi. Viene a crearsi una circolazione verticale nel rotore acausa di differenze di temperatura e della presenza di un dispositivo diestrazione fisso inferiore, in modo da consentire l'estrazione del gasarricchito in uranio 235 dall'alto e del gas impoverito dal basso. In ognicentrifuga può essere immessa solo una piccola quantità di gas e per-tanto queste macchine devono essere collegate in «cascata». Quisono visibili le tubazioni e la parte superiore delle centrifughe.

La centrifugazionegassosa

Questo processo per l'arricchimento dell'uranio in cui, mettendo inrotazione un suo composto, se ne separano gli isotopi, avrà forse unruolo nella politica americana di contenimento della proliferazione

di Donald R. Olander

LE SCIENZESCIENTIFICAMERICAN

numero 122ottobre 1978anno xivolume xxi

dell'era nucleare, sarebbe necessario de-stinare la produzione di due reattori nu-cleari di grande potenza al solo soddisfa-cimento dell'elevatissimo fabbisogno dienergia elettrica dell'impianto di arric-chimento. In considerazione dell'alto co-sto dell'energia elettrica, l'amministra-zione Carter si è rivolta pertanto al meto-do di arricchimento per centrifugazionegassosa; tale metodo era stato sperimen-tato all'inizio dell'era nucleare e accanto-nato in quanto la tecnologia della centri-fugazione non si era dimostrata soddisfa-cente. Attualmente, invece, lo è. Inoltrel'arricchimento per centrifugazione gas-sosa richiede solo il 4 per cento dell'ener-gia richiesta dall'arricchimento per diffu-sione gassosa; un incremento del 30 percento nella capacità di arricchimento puòquindi essere agevolmente assorbito dallarete elettrica nazionale esistente. Comeconseguenza della nuova politica, la cen-trifuga a gas diventerà il perno di un'indu-stria dell'arricchimento dell'uranio valu-tabile in vari miliardi di dollari.

Ogni metodo di arricchimento (oltre

alla diffusione e alla centrifugazionegassosa, è stata dimostrata la fattibilità divari altri metodi, almeno su scala di labo-ratorio) ha lo scopo di aumentare la con-centrazione dell'isotopo uranio 235, chenell'uranio naturale è dello 0,71 per cen-to. L'uranio 235 è l'unico isotopo fissileesistente in natura; l'altro 99,29 per centodi uranio naturale è costituito dall'isotoponon fissile uranio 238. I due isotopi diffe-riscono leggermente per la massa, poichéil nucleo dell'uranio 238 ha tre neutroni

in più rispetto al nucleo dell'uranio 235.La differenza di massa fornisce il requisi-to necessario per la separazione dei dueisotopi e quindi per accrescere la concen-trazione dell'uranio 235 nel combustibile.

Nella diffusione gassosa, la separazioneha luogo perché un composto gassosocontenente uranio 235 attraversa unabarriera porosa a velocità leggermentesuperiore a quella dello stesso compostocontenente uranio 238. In una centrifuga,la separazione si ottiene mettendo in ro-tazione lo stesso composto gassoso con-tenente i due isotopi: il composto conte-nente l'isotopo più pesante è spinto con-tro la parete della centrifuga e la regionecentrale del gas viene così ad arricchirsidel composto contenente l'isotopo piùleggero.

La prima separazione di isotopi dell'u-ranio per centrifugazione fu effettuata nel1940 con una centrifuga sperimentale daJesse W. Beams, dell'Università dellaVirginia. A quell'epoca, tuttavia, risultòinadeguata allo scopo la tecnologia delmacchinario rotante ad alta velocità ne-cessario per produrre uranio altamentearricchito nell'isotopo 235 per il pro-gramma bellico; il metodo della centrifu-gazione venne quindi abbandonato nel1943 e venne adottato il processo di diffu-sione gassosa. (Allora l'energia elettricaera poco costosa e comunque il costo nonsarebbe stato un parametro determinan-te.) Ciò nonostante, i fondamenti teoricidella centrifugazione a gas furono elabo-rati proprio in quel periodo.

In Germania, W. E. Groth riuscì a mi-gliorare le dimensioni, la velocità e il ren-

U

no dei punti fondamentali dellapolitica del presidente Cartermirante a prevenire la prolife-

razione delle armi nucleari è il program-ma di blocco delle forniture di plutonio,che potrebbe venire impiegato per la rea-lizzazione di ordigni. Per questo obietti-vo. Carter ha deciso di porre termine alprogramma statunitense relativo allo svi-luppo di un reattore autofertilizzante(poiché tale reattore produce plutonio) edi «differire a tempo indeterminato» ilritrattamento su scala industriale delcombustibile nucleare esaurito (poiché lebarre combustibili esaurite degli impiantinucleari di potenza contengono plutonioche può venire separato e riciclato). Co-rollario di questa politica, secondo l'an-nuncio ufficiale fattone dal presidentenella primavera dello scorso anno, è che«dovrà essere aumentata la capacità pro-duttiva statunitense di uranio arricchito(cne è il combustibile per i reattori adacqua naturale della maggior parte degliimpianti nucleari di potenza) allo scopo direndere disponibili adeguate e tempestiveforniture di combustibili nucleari per ilsoddisfacimento dei fabbisogni nazionaleed estero».

L'incremento della capacità di arric-chimento auspicato da Carter comporte-rebbe il trattamento di oltre 10 000 ton-nellate di uranio all'anno, il che corri-sponde a un incremento del 30 per centonella capacità globale di arricchimentodegli Stati Uniti. Per ottenere tale incre-mento con il processo della diffusionegassosa, che è il metodo di arricchimentoadottato negli Stati Uniti fin dall'inizio

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LIMITE INTERNODELLO STRATODI STEWARTSON

PARETEDELROTORE

ALL'ASSEDEL ROTORE

corrente e il trasporto nello strato di Stewartson (a destra) danno luogoall'arricchimento del gas. Le frecce continue sottili indicano la direzio-ne del moto delle molecole di uranio 235, indotto dall'effetto di diffu-sione della pressione che deriva dalla forza centrifuga. Le frecce trat-teggiate indicano le direzioni del trasporto di uranio 235 per diffusionemolecolare. Il moto convettivo complessivo del gas è rappresentatodalle frecce di maggior spessore. Le parti a ombreggiatura leggeraindicano le aree con le più elevate concentrazioni in uranio 235. Lacurva in basso, a destra, mostra un tipico profilo massa-velocità (leunità sono in grammi per centimetro quadrato per secondo), che carat-terizza la circolazione in controcorrente nello strato di Stewartson.

CUSCINETTO MAGNETICOE DISPOSITIVO DISMORZAMENTODISPOSITIVO DI

ESTRAZIONE SUPERIORE(PER IL PRODOTTO)

ALIMENTAZIONE

RESIDUO

PRODOTTO

SCHERMO ROTANTE

POMPA A VUOTO

CANALE CENTRALE(FISSO)

V

ROTORE

RECIPIENTE

DISPOSITIVO DIESTRAZIONE INFERIORE(PER IL RESIDUO)

MOTOREELETTROMAGNETICO

CUSCINETTO INFERIORE

Questo spaccato mostra l'interno di una centrifuga. Il rotore a parete sottile è azionato da unpiccolo motore elettromagnetico applicato sul fondo del recipiente cilindrico. L'estremità supe-riore del rotore è mantenuta in posizione verticale da un cuscinetto magnetico e non tocca alcuncomponente fisso. Il gas viene immesso ed estratto dal rotore attraverso un canale centrale fisso,ove confluiscono tre tubi concentrici per l'alimentazione, il prodotto arricchito e il residuoimpoverito. Il dispositivo di estrazione fisso inferiore sporge nel gas in rotazione costituendo unaguida meccanica del flusso verticale del gas. Il dispositivo di estrazione superiore, che serve arimuovere il prodotto arricchito, è protetto dall'interazione diretta con il gas rotante grazie a unoschermo, forato per consentire al gas arricchito di diffondere nella zona in prossimità del dispositi-vo di estrazione. Lo schermo impedisce che il dispositivo di estrazione superiore crei un flussoverticale in contrasto con quello fondamentale generato dal dispositivo di estrazione inferiore.

ZONA CENTRALE(QUASI VUOTA)

DISCO A ROTAZIONE LENTA

\ STRATODI STEWARTSON

ESTREMITÀ SUPERIORE (FREDDA)dimento delle centrifughe a gas in diversianni di sperimentazione dopo la secondaguerra mondiale. Alla fine degli anni cin-quanta, Gernot Zippe, che aveva svoltoesperienze su centrifughe a gas in Ger-

mania, suo paese d'origine, e in seguito inUnione Sovietica, fu impegnato in un li-mitato programma sperimentale all'Uni-versità del'd Virginia, nel corso del qualesviluppò una centrifuga leggera ma resi-

stente, da cui sono derivati gli attuali pro-getti di tali macchine.

Nel 1960, in seguito ai risultati del la-voro di Zippe, la Atomic Energy Com-mission degli Stati Uniti approvò un pro-gramma di sviluppo (con un finanziamen-to annuo di 2 miliardi di dollari) con l'o-biettivo di ottenere l'arricchimento del-l'uranio su larga scala e in modo economi-camente competitivo, mediante la tecnicadella centrifugazione gassosa. Circa inquel periodo, venne ripristinata la norma-tiva di segretezza che era stata eliminatadal programma dopo la seconda guerramondiale, probabilmente per evitare direndere di pubblico dominio informazio-ni concernenti le modalità di produzionedi uranio suscettibile di impieghi militari.Negli ultimi 17 anni, gli Stati Uniti hannocondotto un rilevante programma di ri-cerca e sviluppo classified (ossia moltosegreto), che è stato svolto essenzialmen-te all'Oak Ridge National Laboratory eall'Università della Virginia. L'attualefinanziamento destinato a tale program-ma ammonta a circa 80 milioni di dollariall'anno. Anche numerosi altri paesi in-dustrializzati stanno sviluppando la nuo-va tecnica di separazione. Gran Bretagna,Olanda e Germania Federale hanno co-stituito una società tripartita (URENCO)per fornire il servizio di arricchimento percentrifugazione gassosa su basi competi-tive rispetto alla diffusione gassosa.

L'unico composto dell'uranio che siagassoso a temperatura normale è resa-fluoruro di uranio (UF6). Migliaia di ton-nellate di questo materiale sono già statetrattate negli impianti di diffusione gasso-sa e, pertanto, le sue caratteristiche sonoben definite (è altamente corrosivo). Nelprocesso di centrifugazione, il gas di ali-mentazione è una miscela di 238UF6 e di235 UF6: la lieve differenza di peso mole-colare delle due specie viene sfruttata perla loro separazione, che si ottiene met-tendo in rotazione il gas ad altissime velo-cità angolari, in modo che il più pesante238 UF6 si sposti verso la periferia, lascian-do la zona centrale del gas arricchita nelpiù leggero 235UF6.

teoria del processo di separazioneelementare è assai semplice e sul suo

stesso principio si spiega la variazione conl'altezza della densità atmosferica. Ov-viamente la separazione isotopica indottadalla forza centrifuga che si crea per larotazione del rotore verticale avviene insenso radiale (orizzontale). Il successodella centrifugazione gassosa sotto l'a-spetto economico ha le sue radici nell'ac-corgimento di trasformare da radiale adassiale il senso di arricchimento con con-seguente contemporaneo aumento anchedell'entità dell'arricchimento stesso), tra-sformazione resa possibile inducendo unadebolissima circolazione assiale (notacome flusso in controcorrente) nel motocollettivo di rotazione del gas. In assenzadi questa circolazione verticale, l'estra-zione dalla centrifuga degli isotopi sepa-rati risulterebbe difficoltosa, mentre,proprio grazie alla sua presenza, il gasarricchito può essere estratto dalla parte

PARETEDELROTORE

superiore della centrifuga e quello impo-verito dal fondo.

A tutt'oggi, sono ancora segreti i datirelativi a dimensioni e velocità delle at-tuali centrifughe, come pure quelli suimateriali adottati e sui dettagli del proget-to meccanico. Sono peraltro ben noti icomponenti fondamentali, che consisto-no essenzialmente in un rotore cilindricoa parete sottile, rotante ad alta velocitàall'interno di un recipiente cilindrico.Secondo le informazioni fornite dall'U-RENCO, la velocità periferica dei rotorisviluppati da questa società raggiunge cir-ca 400 metri al secondo, il gas di alimen-tazione viene immesso all'interno del ro-tore presso la parte mediana dell'asse dirotazione, mentre il prodotto arricchito eil residuo impoverito vengono estratti concontinuità dalle due estremità.

La quantità totale di gas all'interno delrotore è limitata dalla pressione di con-densazione dell'esafluoruro di uranio,ossia dalla pressione in corrispondenzadella quale il gas diventa solido; alla tem-peratura ambiente tale pressione è di cir-ca un sesto di atmosfera. Nel rotore il gassi trova altamente stratificato in seguito almoto rotazionale, di modo che la pressio-ne al centro risulta nettamente più bassache in prossimità della parete. Oltre allalimitazione per la quantità di gas presenteall'interno del rotore, esiste quella relati-va al tasso di alimentazione, che non deve

superare valori al di là dei quali verrebbecompromessa la debole circolazione as-siale creata mediante un dispositivo diestrazione collocato sul fondo del reci-piente, oppure attraverso altri sistemi,quali l'imposizione di un gradiente ditemperatura lungo la parete del rotore o ilraffreddamento del coperchio del reci-piente. Secondo quanto ha reso notol'URENCO, il tasso di alimentazione del-le centrifughe europee ammonta a circa100 milligrammi al secondo di esafluoru-ro di uranio.

Il recipiente esterno ha due funzioni:innanzitutto protegge dalle conseguenzedi un'eventuale rottura del rotore in fun-zione. (I primi rotori si rompevano contale frequenza da ricevere l'umoristicadefinizione di macchine a smontaggioautomatico.) La vita media del rotore èun parametro cruciale anche per le attualicentrifughe e il vantaggio economico del-la centrifugazione rispetto alla diffusionegassosa verrebbe meno se la durata dellecentrifughe, anziché essere di vari anni,fosse soltanto di pochi mesi. La maggiorparte dell'attività di sviluppo che vienesvolta a Oak Ridge riguarda proprio leprove di durata dei rotori.

La seconda funzione del recipiente èquella di costituire un involucro a tenutadi vuoto per il rotore, in quanto l'evacua-zione della zona esterna al rotore consen-te di ridurre il consumo di energia dovuto

all'attrito del gas durante la rotazione delrotore stesso. A questo scopo, al recipien-te è collegata una pompa a vuoto.

Ta separazione isotopica che si ottienemediante centrifugazione gassosa è

retta dalle equazioni di conservazionedella meccanica dei fluidi continui, quellabranca della fisica che concerne la descri-zione del moto dei fluidi (gas o liquidi)mediante i principi della conservazionedella massa e della quantità di moto.(Benché le pressioni a cui si trova resa-fluoruro di uranio nella zona più centraledel rotore siano così basse da far ritenerepiù adatta un'analisi con i concetti delladinamica dei gas rarefatti, la quantità digas presente in quella zona è così ridottada poter essere tranquillamente trascura-ta.) L'analisi teorica si scinde in analisiidrodinamica e in analisi separativa. L'a-nalisi idrodinamica ha lo scopo di deter-minare le velocità del flusso gassoso nelleregioni prossime alla parete e alle estre-mità del rotore. Note le velocità, l'analisiseparativa indica le modalità della segre-gazione dell'235 UF6 dall' 238 UF6 che deri-va dall'azione combinata della circolazio-ne gassosa imposta e della forza centrifu-ga, quest'ultima responsabile dell'effettoseparatore primario.

Nello sviluppo storico, questa succes-sione logica si è svolta in senso inverso. Ladescrizione matematica della separazione

n.—STRATO DI EKMAN

ESTREMITÀ INFERIORE (CALDA)

Il moto del gas nella centrifuga inizia in seguito all'effetto della rotazio-ne (a sinistra), che lo fa muovere contro la parete del rotore in una zonanota come strato di Stewartson, ove ha luogo la separazione degliisotopi. In seguito alle differenze di temperatura imposte alle estremitàsuperiore e inferiore, oltre che all'effetto del dispositivo di estrazioneinferiore (quest'ultimo simulato matematicamente mediante un discorotante a velocità leggermente inferiore a quella del rotore) si crea unadebole circolazione verticale (frecce). Inoltre, alle estremità dello stratodi Stewartson si formano sottili zone contenenti gas, note come strati diEkman, ciascuna dello spessore soltanto di una frazione di millimetro,ove il flusso circolatorio cambia direzione. La circolazione in contro-

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PRODOTTO (URANIO 235 AL 3 PER CENTO)A

STADIO•-•

UNITA SEPARATIVE ••n.. .11n• n•n11. ••n••

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Il principio della cascata viene adottato per l'arricchimento a stadi dell'uranio. In ogni centrifuga,l'esalluoruro di uranio viene separato parzialmente in una frazione gassosa contenente l'isotopopiù leggero, uranio 235, e in una contenente l'isotopo più pesante, uranio 238. La frazionearricchita in uranio 235 (in colore) fluisce allo stadio successivo, in cui è in atto il trattamento digas ad arricchimento superiore. La frazione impoverita in uranio 235 (in grigio) fluisce allo stadioinferiore successivo ove viene messa in atto la separazione di gas di arricchimento inferiore.

isotopica in un gradiente di pressione èall'incirca identica a quella relativa allaseparazione in un gradiente di temperatu-ra. Negli anni quaranta, Karl Cohen delManhattan Engineer District («ProgettoManhattan») adattò alla centrifugazionegassosa la teoria della colonna di diffusio-ne termica, sviluppata da Wendell H.Furry, R. C. Jones e Lars Onsager. Veni-va quindi resa disponibile un'analisi sepa-rativa, ma mancavano le conoscenze difluidodinamica necessarie per farne uso.Nel 1960, l'Atomic Energy Commissionistituì un comitato (con a capo Onsager)allo scopo di colmare questa lacuna. L'at-tuale attività statunitense sull'idrodina-mica della centrifugazione gassosa (chefa capo al Department of Energy), vienesvolta da James A. Viecelli, del LawrenceLivermore Laboratory e da Richard A.Gentry, del Los Alamos Scientific Labo-ratory. Parallelamente è proceduta l'atti-vità europea e giapponese sulla teoria del-la centrifugazione gassosa (della qualemolto è stato pubblicato), peraltro in as-senza di informazioni sul programma sta-tunitense segreto.

Se la temperatura della parete del roto-re fosse uniforme e se il rotore contenessesolo parti solide in rotazione, il gas si limi-terebbe a ruotare come un solido allastessa velocità angolare del rotore. In pra-tica, invece, il gas viene perturbato dapiccole disomogeneità di temperaturaalle estremità o lungo la parete del rotore(oltre che dall'effetto del dispositivo diestrazione stazionario, presente sul fondodel rotore, sul gas in moto turbolento neisuoi pressi) le quali creano un tipo di cir-colazione in controcorrente che si va asovrapporre al flusso rotatorio fonda-

mentale. Da questa lieve controcorrentedipendono le buone caratteristiche diseparazione isotopica della centrifuga agas. Per comprendere e prevedere le pre-stazioni della centrifuga è necessario de-scrivere la teoria della controcorrente.

La misurazione dell'andamento delflusso gassoso all'interno del rotore inmoto è difficoltosa. Gli svedesi e i giap-ponesi hanno sperimentato a tale scopo lavelocimetria laser, una tecnica che impie-ga la riflessione della luce da parte di pic-cole particelle presenti nel flusso per ladeterminazione dell'intensità e della di-rezione del flusso stesso. La scelta di unmetodo così inusuale è dovuta al fatto chei normali dispositivi per la misura dellavelocità di un fluido (quali i tubi di Pitotconnessi alla parete del rotore) presenta-no instabilità strutturali in un intensocampo di forze centrifughe. Anche se sipotessero utilizzare tali tubi, sarebbesempre necessario sviluppare un metododi misura a distanza (non a contatto) perestrarre le informazioni che sono così resedisponibili.

Il moto del gas viene analizzato me-diante la soluzione di un sistema di equa-zioni assai complesso, concernente laconservazione della massa, dell'energia edella quantità di moto. Si tratta di un'ana-lisi consueta nella fluidodinamica, ma innumerosi casi (per esempio nel caso diflusso di liquido in un tubo circolare o diflusso di aria su un'ala) le equazioni sipossono semplificare drasticamente. Percontro, la dinamica di un gas in una centri-fuga non può esulare minimamente dauna trattazione matematica rigorosa.Questa difficoltà è peraltro in via di supe-ramento grazie all'impiego dei grandi cal-

colatori e delle tecniche numeriche, chehanno sostituito quelle analitiche. In que-sto campo sono particolarmente avanzatii lavori francesi e giapponesi.

Il moto assiale fondamentale del gas è mantenuto dalle perturbazioni impo-

ste al fluido rotante dalla disuniformitànella temperatura della parete e dallapresenza nel fluido del dispositivo diestrazione stazionario inferiore. Un'ana-logia con la fisica dell'atmosfera permettedi comprendere chiaramente perché ledisomogeneità di temperatura lungo laparete influenzino il moto del fluido.Quando il gas viene in contatto con un'e-stremità riscaldata, la sua densità dimi-nuisce per l'assorbimento di calore; il gascontinua a salire nell'«atmosfera», ossiasi muove radialmente verso l'interno.Analogamente, un'estremità fredda pro-voca lo spostamento del gas verso la pare-te del rotore. Questo fenomeno, notocome suzione di Ekman, è in grado diprovocare la controcorrente verticalelungo l'intera lunghezza dell'apparec-chiatura. Un'analoga circolazione è pro-dotta da una variazione continua di tem-peratura lungo l'intera lunghezza dellaparete del rotore; se l'estremità inferioredel rotore è più calda di quella superiore,la circolazione fa muovere verso l'alto ilgas che si trova in prossimità dell'asse delrotore e verso il basso il gas vicino allaparete.

L'effetto circolatorio del dispositivo diestrazione stazionario è alquanto piùcomplesso. Come ogni oggetto fisso im-merso in un flusso di gas in moto ad altavelocità, il dispositivo di estrazione tendea riscaldare il gas che lo investe per lostesso effetto di attrito superficiale cheprovoca il riscaldamento delle ali e dellafusoliera degli aerei supersonici. Il gas ri-scaldato sale nell'atmosfera. Inoltre laresistenza del dispositivo riduce la veloci-tà tangenziale del gas in rotazione, che sicontrae in senso radiale per mantenerecostante la velocità angolare. Pertanto, lacircolazione creata dal dispositivo diestrazione fissato sul fondo del rotore sisvolge nello stesso senso di quella genera-ta da un'opportuna distribuzione di tem-peratura lungo la parete del rotore e sulleestremità inferiore e superiore, anche segli andamenti radiali dei due tipi di circo-lazione assiale non sono identici.

Si osserva quindi che con comandi ditipo termico o meccanico si può indurreun flusso assiale in controcorrente nellacentrifuga. Le velocità imposte dai duetipi di comando possono essere regolatesia attraverso un opportuno progetto del-la centrifuga sia mediante un adatto mododi funzionamento. Il comando termico sipuò variare regolando il livello di raffred-damento dell'estremità superiore e delriscaldamento dell'estremità inferiore delrecipiente. Il comando meccanico dipen-de dalle dimensioni e dalla forma del di-spositivo di estrazione inferiore e dallaposizione radiale dello stesso nell'atmo-sfera gassosa in prossiipità della parete.L'analisi idrodinamica teorica ha lo scopodi calcolare accuratamente il campo di

flusso, una volta determinata la naturafisica dei vari comandi, e di ottimizzarel'andamento della circolazione per pro-durre la massima separazione assiale pos-sibile degli isotopi di uranio nel gas. Ciò siottiene risolvendo un'equazione di con-servazione che tiene conto di tutti i feno-meni fisici che agiscono sulle due specieisotopiche nel gas, e cioè: forza centrifuga(che coincide con l'effetto di diffusionedella pressione), la quale tende a concen-trare il pesante 238 UF6 in prossimità dellaparete del rotore; convezione, che poten-zia la separazione causata dalla diffusionedi pressione, consentendo al flusso piùinterno diretto verso l'alto di venire arric-chito con continuità passando dall'estre-mità inferiore a quella superiore ; diffu-sione molecolare normale, che è una for-za che si oppone alla separazione.

Come risultato netto della reciprocaazione dei processi di separazione e con-vezione deriva che l'isotopo leggero(235UF6) si accumula a un'estremità del-l'apparecchiatura, mentre all'estremitàopposta il gas risulta impoverito in quel-l'isotopo. La separazione assiale dà laspiegazione del perché i flussi del prodot-to arricchito e del residuo vengono estrat-ti rispettivamente dall'alto e dal basso del-la centrifuga, anche se il fenomeno di se-parazione elementare si verifica in dire-zione radiale.

Una misura del rendimento di separa-zione isotopica di una centrifuga è il fatto-re di separazione, definito come il rappor-to tra la quantità di uranio 235 nel prodot-to e la quantità nel residuo. Un tipicovalore del fattore di separazione per leprime centrifughe era 1,25; a tale valorecorrisponde, se la frazione di uranio 235nel gas di alimentazione è 0,71 per cento,come nell'uranio naturale, un contenutoin uranio 235 nel prodotto dello 0,794 percento e nel residuo dello 0,635 per cento.

Aprima vista, il fattore di separazionesembrerebbe la misura naturale del-

la capacità di separazione isotopica dellacentrifuga, ma in realtà non è così. In unacentrifuga di buon rendimento, un altofattore di separazione è connesso con unalto tasso di alimentazione. Le centrifu-ghe (come qualsiasi dispositivo di separa-zione isotopica) vengono quindi valutatein base a un unico parametro di rendi-mento, che tiene conto di entrambi i fat-tori; tale parametro è definito potere se-parativo e si basa su un concetto sviluppa-to nell'ambito del progetto Manhattan daP. A. M. Dirac e da R. E. Peierls.

Tale concetto presenta tre aspetti di-stintivi: innanzitutto comprende in sé lafenomenologia fisica complessiva deiprocessi di separazione isotopica, che siverificano nell'unità separativa; in secon-do luogo, è funzione del tasso di alimen-tazione e del «taglio» della macchina (os-sia del rapporto tra il tasso di produzionee quello di alimentazione), oltre che deifattori intrinseci che regolano i fenomeniseparativi. In terzo luogo, il potere sepa-rativo non dipende dalla composizioneisotopica del gas di processo.

Il potere separativo di solito viene

ALIMENTAZIONE(URANIO 235 ALLO 0,71PER CENTO)

-^

espresso in chilogrammi di uranio (e nondi esafluoruro di uranio) per anno. Que-sta unità, definita unità di lavoro separa-tivo (all'anno), è riconosciuta universal-mente quale misura del potere separativodelle singole centrifughe (o dell'interoimpianto di arricchimento dell'uranio). Ilvero prodotto di un impianto di separa-zione isotopica non è l'uranio arricchitoma il lavoro separativo. Con questo con-cetto, viene espressa la capacità di un im-pianto di produrre sia piccole quantità diuranio ad alto arricchimento sia grandiquantità di uranio a basso arricchimento.

Com'è facile intuire, il potere separati-vo è in qualche modo legato all'effettivaquantità di energia necessaria per farefunzionare l'impianto separativo. Questarelazione rappresenta il principale puntodi riferimento dell'annuncio presidenzia-le relativo alla scelta della centrifugazionegassosa per la prossima generazione diimpianti di arricchimento statunitensi. Ilconsumo specifico di energia di un'unitàdi diffusione gassosa è circa 2500 chilo-wattora per unità di lavoro separativo, dicui la maggior parte impegnata nella ri-compressione del gas che ha attraversatoper diffusione le barriere porose. (Il gasdeve infatti subire la ricompressione pri-ma di poter essere immesso nello stadio didiffusione successivo.) Per la centrifuga-zione, sono necessari solo 100 chilowat-tora per unità di lavoro separativo. Que-sta energia è impiegata per vincere gliattriti delle parti rotanti, supplire alle

perdite elettriche dovute al riscaldamentodei motori e alle perdite di pressione nelcorso dell'estrazione del gas e per supera-re la resistenza aerodinamica del gas diprocesso contro il dispositivo di estrazio-ne e la superficie interna del rotore.

Se i processi di arricchimento in compe-tizione dovessero essere giudicati solo inbase al più ridotto consumo di energia, lacentrifugazione gassosa sarebbe netta-mente in vantaggio rispetto alla diffusio-ne gassosa. Occorre però considerareanche il costo di fabbricazione delle mac-chine e la frequenza di sostituzione delleunità separative: da questo punto di vistail vantaggio è della diffusione. Se si calco-la il costo globale del lavoro separativovalutando opportunamente il consumo dienergia e l'entità del capitale impiegato,la centrifugazione gassosa risulta il meto-do di arricchimento economicamente piùvantaggioso.

In conclusione, non basta che un siste-ma di separazione isotopica abbia un ele-vato fattore di separazione, ma è necessa-rio che anche il tasso di alimentazione siasufficientemente alto da rendere accetta-bile il potere separativo. Con il metodo diseparazione isotopica per eccitazione la-ser, su cui vengono svolti ampi studi, sipossono ottenere alti fattori di separazio-ne, ma non si è ancora riusciti a raggiun-gere tassi di alimentazione sufficienti adar luogo a poteri separativi per dollaroinvestito superiori a quelli relativi alla dif-fusione e alla centrifugazione gassosa.

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RESIDUO (URANIO 235 ALLO 0,2 PER CENTO)V

La cascata ideale è costituita da stadi, ciascuno dei quali formato da diverse centrifughe chefunzionano in parallelo per fornire il flusso di materiale richiesto. Gli stadi sono connessi in serieper fornire il voluto arricchimento del prodotto e il relativo impov erimento del residuo. Gli stadidi maggiore dimensione si trov ano presso il punto di ingresso del gas di alimentazione, ma poi ledimensioni diminuiscono andando verso le due estremità della cascata. Con questa disposizio-ne si evita sempre il miscelamento di flussi di gas di composizione isotopica disegnale.

12 13

Il diagramma di flusso indica le modalità di funzionamento di unimpianto di centrifugazione gassosa. L'esafluoruro di uranio (UF6)giunge all'impianto in cilindri da 14 tonnellate. Tali cilindri vengomscaldati per n aporizzare il composto, che viene quindi inviato attraversotubazioni alla cascata di centrifughe. Il prodotto, costituito di esafluo-ruro di uranio arricchito in uranio 235, viene estratto dalla cascata per iltrattamento finale e immagazzinato in cilindri da 2 tonnellate per il

trasporto all'impianto, ove il composto arricchito viene trasformato incombustibile per reattori nucleari. L'esafluoruro di uranio impoveritoviene fatto condensare in cilindri da 14 tonnellate, che vengono quindiimmagazzinati in un piazzale all'aperto. L'impianto di arricchimentoper centrifugazione gassosa, attualmente in costruzione a Portsmouthnell'Ohio, sarà costituito da otto edifici di processo (ciascuno delledimensioni di quattro campi da football) e da numerosi altri edifici.

TRAPPOLE FREDDE PRODOTTO

EDIFICIO PER L'ALIMENTAZIONE E L'ESTRAZIONE EDIFICIO DI PROCESSO

CILINDRO PER IL PRODOTTO

PRODOTTO

irr-r-turt-tirrt-ti

o

----CILINDRO PER IL RESIDUO

RESIDUOCONDENSATORE

FORNITURADELL'ALIMENTAZIONE

ALIMENTAZIONE

SERIEDI COMPRESSORI

UF6 VAPORIZZATO IN AUTOCLAVECENTRIFUGHE

DEPOSITO DEL RESIDUOACCUMULATORE BIOLOGIA

Nel campo della ricerca biologica più avanzataLE SCIENZE

edizione italiana di SCIENTIFIC AMERICAN

ha pubblicato numerosi articoli tra cui:

COME NUOTANOI BATTERI

di H. C. Berg (n. 88)

I filamenti a elica dei sottili flagelli che fan-no muovere i batteri non ondeggiano obattono, ma ruotano rimanendo rigidicome propulsori. Probabilmente sonoazionati da un «motore rotativo» situato

alla loro base.

LE CAUSE DELLADIVERSITÀ BIOLOGICA

di B. Clarke (n. 88)

Nell'ambito di una specie, gli individui dif-feriscono gli uni dagli altri per numerosicaratteri, ad esempio per la composizionedelle proteine; sembra che questa diversi-tà venga attivamente mantenuta dalla

selezione naturale.

LE FASIDELLA SECREZIONE

di B. Satir (n. 89)

Come avviene esattamente la secrezionein una cellula vivente? Le sostanze da se-cernere vengono ammassate entro unamembrana che le libera quando si fondecon la membrana esterna della cellula.

LO STUDIO DEL RIBOSOMAMEDIANTE «SCATTERING»

di D. M. Engelman e P. B. Moore (n. 102)

L'organello della cellula vivente dove siformano le proteine è costituito da 58grosse molecole la cui disposizione nellospazio può essere determinata irradiando

iI ribosoma con un fascio di neutroni.

COME I VIRUS INSERISCONOIL PROPRIO DNA IN QUELLO

DELLA CELLULA OSPITEdi A. M. Campbell (n. 103)

Alcuni virus possono coesistere pacifica-mente e a lungo con le cellule ospiti, inse-rendo nei cromosomi di queste i proprigeni. Oggi si conoscono i particolari di

questo processo di integrazione.

IL SITO DI COMBINAZIONEDEGLI ANTICORPI

di J. D. Capra e A. B. Edmundson(n. 105)

Quando un antigene, o sostanza estranea,si combina con un anticorpo, questo av-viene in corrispondenza di un sito partico-lare della molecola che si adatta esatta-mente a esso come una serratura a una

chiave.

LA RISPOSTAALL'ACETILCOLINA

di H. A. Lester (n. 106)

Quando un neurone fa contrarre una cellu-la muscolare la investe con un piccolo get-to di acetilcolina al quale i recettori cellularireagiscono aprendosi e favorendo il pas-saggio degli ioni attraverso la membrana.

I RECETTORI DEGLI OPPIATIE GLI OPPIATI INTERNIdi S. H. Snyder (n. 107)

Sembra che morfina e derivati esercitino iloro effetti legandosi a recettori specificipresenti nell'encefalo e nel midollo. Inquesti siti agirebbero anche sostanze mor-

finosimili secrete dall'organismo.

LA FISSAZIONEBIOLOGICA DELL'AZOTO

di W. J. Brill (n. 107)

Solo alcuni batteri e alghe azzurre possie-dono il corredo cellulare indispensabile perfissare l'azoto atmosferico sotto forma diammoniaca. Essi sono i principali produt-

tori di questa limitata risorsa agricola.

IL PUNTOSULL'INTERFERON

di D. C. Burke (n. 108)

La proteina capace di difendere le celluledai virus è stata scoperta vent'anni fa: si èdimostrata difficile da purificare e da stu-diare, ma promette ancora un valido aiuto

per la cura di gravi malattie virali.

tecnologia della centrifugazione gas-sosa è essenzialmente una questione

economica. Il problema di fondo non è divedere se il metodo funziona, quanto se èin grado di produrre unità di lavoro sepa-rativo a costo inferiore rispetto ai processiin competizione. Anche piccole economiedi investimento per unità di capacità se-parativa installata si riflettono amplificatein grosse somme, per le dimensioni note-volmente ampie dell'industria dell'arric-chimento dell'uranio.

Facendo l'ipotesi che negli Stati Uniti,da oggi al 2000, si debbano costruire im-pianti di arricchimento per una capacitàglobale di 25 milioni di unità di lavoroseparativo per fare fronte ai fabbisognidell'industria nucleare nazionale ed este-ra, cui fa riferimento la politica presiden-ziale, per la costruzione dei nuovi impian-ti di arricchimento il capitale necessariosarebbe all'incirca di 10 miliardi di dolla-ri. Quindi, un miglioramento del rendi-mento di ogni unità separativa del 10 percento comporterebbe un risparmio di cir-ca 1 miliardo di dollari, cifra che giustificasenz'altro gli sforzi per migliorare la pro-duttività delle unità separative.

Migliorie nelle prestazioni delle centri-fughe vanno cercate relativamente a treaspetti di fondo: nel progetto costruttivo,nel modo di funzionamento delle singolemacchine e nel loro modo di collegamen-to. Il potere separativo di una centrifuga agas è determinato sostanzialmente dallavelocità rotazionale e dalla lunghezza delrotore, in quanto aumenta rapidamente

con la velocità del rotore ed è proporzio-nale alla sua lunghezza.

La velocità periferica del rotore è limi-tata dal rapporto resistenza/densità delmateriale di cui è costituita. Le leghe dialluminio e l'acciaio inossidabile consen-tono di raggiungere velocità del rotoreleggermente superiori a 400 metri al se-condo. I materiali compositi possonosuperare le prestazioni dei metalli. Se-condo studi europei e giapponesi, sonoadatti i compositi in poliestere-fibra divetro del tipo adottato per i volani impie-gati per l'accumulo di energia; con talimateriali, la velocità periferica del rotorepuò superare i 500 metri al secondo. Pre-stazioni ancora superiori sono ottenibilicon materiali compositi in fibra di carbo-nio, i quali però attualmente hanno uncosto troppo elevato.

Il limite alla lunghezza delle centrifu-ghe dipende in parte dalla difficoltà delcontrollo della linearità del rotore e del-l'uniformità della parete in una produzio-ne di massa e, in parte, dalla durata delcuscinetto inferiore, che deve sostenere ilpeso del rotore. Un altro aspetto proble-matico nelle centrifughe con elevato rap-porto lunghezza/diametro è quello delraggiungimento delle velocità di eserci-zio, che si ottiene passando attraversovelocità critiche, cui possono corrispon-dere ampie vibrazioni.

L'obiettivo di fondo nel progetto dellecentrifughe è produrre al minimo costo ilrotore più veloce e più lungo possibile. Ilpasso successivo consiste nell'individuar-

ne le condizioni di esercizio una volta de-finite le dimensioni e la velocità. A tal fineè necessaria una oculata disposizione deivari meccanismi di guida del flusso, cheinfluenzano le prestazioni della macchi-na. Questo aspetto tecnologico non è af-fatto banale, dato che il potere separativodipende almeno da sei variabili, che in-fluenzano la circolazione interna del gasnel rotore.

Il passo finale nel progetto di un im-pianto per l'arricchimento dell'uranioconsiste nella scelta del modo di connes-sione in cascata delle centrifughe. La ca-scata non è altro che il collegamento dellesingole unità di separazione in una retepiù ampia che consente di amplificarel'effetto separativo unitario. Il progetto ditale rete è però tutt'altro che semplice.

Immaginando che ogni centrifuga pro-duca materiale con arricchimento in ura-nio 235 del 12 per cento superiore a quel-lo del materiale di alimentazione, per ot-tenere una concentrazione in uranio 235del 3 per cento utilizzabile per il combu-stibile dei reattori nucleari (partendo dal-lo 0,71 per cento dell'uranio naturale),occorrerebbe ripetere il processo tredicivolte; altri 11 stadi servono per ridurrenel residuo a circa lo 0,2 per cento il con-tenuto di uranio 235 di alimentazione.

In questo semplice esempio, occorrono24 unità connesse in serie per un impiantoin cui l'uranio naturale viene trasformatoin prodotto arricchito contenente il 3 percento di uranio 235 e in materiale residuoallo 0,2 per cento. È difficile immaginare,

però, un impianto di separazione isotopi-co costituito semplicemente da 24 centri-fughe allineate in modo da dar luogo allanecessaria amplificazione dell'effettoseparativo. Una simile successione linea-re di singole centrifughe può produrrel'arricchimento voluto, ma a causa delbasso tasso di alimentazione delle mac-chine la corrispondente quantità di mate-riale trattato risulterebbe irrilevante. Unimpianto di arricchimento di grande ca-pacità comporta centinaia di migliaia difile di centrifughe da 24 unità.

Fortunatamente, questo metodo ele-mentare di connessione delle centrifughenon è il più efficiente per la realizzazionedi una cascata. All'inizio del progettoManhattan, si scoprì che per ottenere ilmassimo rendimento di un impianto diuna determinata capacità separativa, co-stituito di unità di potere separativo fisso,la connessione tra le unità stesse deveseguire una configurazione nota comecascata ideale. Il termine ideale indica cheogni volta che due flussi si miscelano nel-l'impianto, la loro composizione isotopicanon deve variare. Se ciò non avviene, l'en-tropia, ossia il disordine, del sistemaaumenta. Alla cascata ideale corrispondequindi il massimo rendimento possibiledella cascata. Si possono escogitare moltitipi di cascata ideale per l'arricchimentodell'uranio con il metodo della centrifu-gazione gassosa; compito del progettista èquello di individuare la cascata che sfruttacon la massima efficacia le caratteristicheproduttive delle centrifughe che la com-pongono.

T ndipendentemente dal particolare si-stema adottato per il riciclo del gas

all'interno della cascata ideale, il numerodelle centrifughe necessario risulta dalquoziente tra la quantità di lavoro separa-tivo annuo della cascata e il potere sepa-rativo delle singole centrifughe che costi-tuiscono la cascata. Le centrifughe del-l'URENCO dovrebbero avere un potereseparativo compreso tra 2 e 20 unità dilavoro separativo all'anno. Per un im-pianto di arricchimento della capacitàannua di 9 000 000 di unità di lavoro se-parativo sarebbero necessarie quindi da500 000 a 5 000 000 di centrifughe.

Dixy Lee Ray, già presidente dell'A -tomic Energy Commission, e attualmentegovernatore di Washington, ha affermatoche i modelli di centrifughe statunitensihanno un potere separativo 10 volte su-periore a quello delle centrifughe dell'U-RENCO. Per il prossimo impianto di ar-ricchimento, la cui costruzione è in pro-gramma negli Stati Uniti, occorrerannoquindi da 50 000 a 500 000 centrifughe ealtri impianti di dimensioni analoghe fa-ranno seguito.

Indipendentemente, comunque. dalperfezionamento delle centrifughe e dallaconfigurazione delle cascate, i prossimiimpianti di arricchimento per centrifuga-zione gassosa saranno costituiti da nume-rosissime unità separative connesse dachilometri di tubazioni entro i quali scor-reranno grandi quantità di esafluoruro diuranio.

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