Isotopo

La diffusione gassosa fu il primo metodo, insieme al metodo elettromagnetico, usato su vasta scala per ottenere la separazione degli isotopi di uranio. Nel corso del progetto per la fabbricazione della bomba atomica, questi due metodi furono sfruttati per produrre circa 1 kg di uranio 235 al giorno, che veniva impiegato nelle ricerche sulle armi nucleari.

Il metodo della diffusione gassosa si basa sulla diversa velocità di diffusione delle molecole con pesi molecolari diversi. La velocità di diffusione di un gas infatti è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa; così gli atomi leggeri diffondono attraverso una parete porosa più velocemente degli atomi pesanti. Nella separazione degli isotopi di uranio, l'unico composto gassoso di uranio, l'esafluoruro, UF₆, viene spinto continuamente attraverso una barriera porosa. La differenza in peso fra l'uranio 235 e l'uranio 238 è di poco maggiore dell'1%, mentre quella fra i due fluoruri è leggermente minore dell'1%. Il fattore di arricchimento, che dipende dal quadrato di questa differenza, è teoricamente dello 0,43% per un processo istantaneo e dello 0,30 per un processo continuo, tuttavia in pratica si raggiunge solo un fattore di arricchimento di 0,14 a ogni passaggio. Con questo metodo, per produrre uranio 235 puro al 99% da uranio naturale – che ne contiene solo circa lo 0,7% – sono necessari circa 4000 passaggi. Il processo richiede l'uso di attrezzature e macchinari enormi, e di complessi metodi di controllo.

La separazione degli isotopi con il laser nacque subito dopo l'invenzione del laser, nei primi anni Sessanta. Ebbe notevoli miglioramenti con l'invenzione del laser cromatico a lunghezza d'onda variabile, un dispositivo che produce un fascio di fotoni in uno stretto intervallo di frequenze, selezionabile con precisione fra le frequenze tipiche dell'infrarosso e quelle dell'ultravioletto. Sfruttando questo principio di operazione, se un elemento viene previamente vaporizzato, i suoi atomi possono successivamente essere eccitati e ionizzati da un laser accuratamente sintonizzato, separando selettivamente gli isotopi.

È anche possibile ottenere la separazione in forma molecolare, con un laser che dissocia quelle molecole del composto che contengono l'isotopo desiderato. Dal 1972, questi processi, in continuo miglioramento e sviluppo, furono finalizzati all'arricchimento dell'uranio e del plutonio per gli impianti e le armi nucleari. Il metodo è costoso e di difficile realizzazione, ma in compenso richiede solo pochi stadi per la produzione di materiale estremamente arricchito.

Sebbene il metodo della diffusione gassosa consenta di separare grandi quantità di uranio 235, i primi quantitativi considerevoli di questo isotopo furono ottenuti a Oak Ridge, nel Tennessee (Stati Uniti), utilizzando il metodo elettromagnetico. Un raggio ionico ottenuto da un composto di uranio viene inviato in un campo magnetico e attraversa una serie di unità separatrici. Siccome il raggio di curvatura della traiettoria degli ioni deflessi dipende dalla loro massa, ioni di masse diverse giungono al termine del percorso in tempi diversi, e ciò permette di separare i vari isotopi. Questo metodo però consente di trattare piccole quantità di materiale a ciascuna operazione. A causa di questa limitazione, esso venne abbandonato al termine della guerra e sostituito con quello di diffusione gassosa.

Per le applicazioni degli isotopi alla ricerca biologica, medica, chimica e fisica, vedi Chimica nucleare; Radiologia.