COLLETTORE

•U-238 •• •

FASCI LASER

VAPORE ATOMICO

FORNO

CAMERA A VUOTO

•

‹D

•

A

ncora oggi nella grande maggioran-za delle centrali nucleari di usocivile si utilizza un combustibile

che è costituito da uranio contenente unapercentuale dell'isotopo fissile uranio 235(U-235) variabile - a seconda del tipo direattore - da tre a cinque volte l'abbondan-za di questo isotopo nella miscela natura-le, la quale è per il 99,3 per cento ura-nio 238 e per lo 0,7 per cento uranio 235.Pertanto, nel ciclo del combustibile nu-cleare, si richiede una fase di arricchimen-to isotopico dell'uranio esistente in natura.

Questa tecnologia sembra destinata aperdurare ancora per molti anni, eventual-mente per coprire la fase di transizioneverso una nuova generazione di reattoriautofertilizzanti a neutroni veloci, che uti-lizzano come combustibile una miscela diuranio naturale e plutonio; va notato pe-raltro che la carica iniziale di un reattoreautofertilizzante richiede una quantità diplutonio pari a quella prodotta in 50-100anni da un reattore termico dell'attuale ge-nerazione, ovvero pari al prodotto di due--quattro centrali odierne se si tiene contodella loro durata media che è all'incirca di25 anni.

Se si esclude la fase di ritrattamento,l'arricchimento isotopico impegna oltre il30 per cento del costo del ciclo del com-bustibile, assumendo un ruolo che è eco-nomicamente assai importante nella ge-stione del nucleare come fonte energeticaalternativa ai combustibili fossili. Di qui ilcostante interesse e la straordinaria attua-lità delle ricerche sulla separazione isoto-pica, che perdurano nei paesi industrializ-zati indipendentemente da contingenti va-riazioni favorevoli nel prezzo del greggio edalle attuali eccedenze di scorte di uranioarricchito.

I primi sistemi di arricchimento utilizza-ti si basavano sulla separazione elettroma-gnetica degli atomi ionizzati in seguito aurto elettronico; questa tecnica è statamolto studiata nel corso della seconda

guerra mondiale per interessi militari, maper il costo e per le ridotte quantità di ma-teriale trattabile non si presta all'applica-zione industriale.

Oggi il metodo principale con il qualeviene ottenuto il 98 per cento dell'uranioarricchito prodotto nel mondo è quello del-la diffusione gassosa. I primi impianti ba-sati su di esso sorsero negli Stati Uniti agliinizi degli anni cinquanta; gli europei rea-lizzarono il loro impianto EURODIF inFrancia circa 20 anni dopo.

Il metodo si basa sulla differente veloci-tà di diffusione di molecole .contenenti iso-topi diversi. Mediante un opportuno regi-me di pressione a monte e a valle di uninsieme di barriere porose, l'esafluoruro diuranio (UF6), riscaldato e miscelato ad al-tri componenti che ne impediscono la de-gradazione in composti solidi che ostrui-rebbero i micropori, viene fatto diffondereattraverso le barriere. Dopo un certo inter-vallo di tempo, il fluido che ha attraversatole barriere risulta arricchito della specieisotopica più leggera. L'impianto è costi-tuito' da molti stadi in cascata: il fluidoarricchito viene inviato in uno stadio suc-cessivo, quello impoverito ritorna in unostadio precedente.

Il fattore di separazione di un singolostadio, che viene definito come rapportotra la frazione U-235/U-238 in uscita equella in ingresso, presenta un limite teo-rico di 1,004; ne consegue che, per otte-nere un prodotto arricchito al 3 per cen-to a partire dalla concentrazione naturale,necessitano varie centinaia di stadi, il checomporta impianti di enormi dimensioni,oltre a ingenti investimenti di capitale e adalti consumi energetici. L'ordine di gran-dezza della complessità di realizzazione edei relativi costi del processo si può rica-vare considerando semplicemente che unimpianto tipico, qual è quello EURODIF,

in grado di soddisfare il fabbisogno di unacinquantina di centrali elettronucleari da1300 megawatt elettrici (MWe), utilizza

normalmente la potenza di tre delle quat-tro centrali nucleari da 1000 MWe ciascu-na, che sono state costruite appositamenteper la sua alimentazione.

Un ultimo importante aspetto riguardail contenuto di fissile che rimane nelle co-siddette «code» del processo di diffusione.Infatti, l'economia di questo processo im-pone che la retroimmissione del materialeimpoverito venga effettuata fino a quandoil costo globale delle fasi necessarie perriportarlo all'abbondanza isotopica natu-rale dell'esafluoruro non superi il valore dimercato del medesimo. Ne consegue che ilcontenuto di materiale utile nelle code nonpuò essere abbassato sotto lo 0,2-0,3 percento, secondo le fluttuazioni del mercato,e ciò limita al 70 per cento lo sfruttamentomassimo delle risorse di uranio disponibili.

Questi problemi, unitamente all'elevatovalore economico, politico e strategico delprodotto, spiegano il costante tentativo disviluppare metodi alternativi per l'arric-chimento dell'uranio e, più in generale, perla separazione di isotopi. Tra le diversepossibilità finora esplorate, l'unica che ab-bia raggiunto una rilevante applicazioneindustriale è quella della centrifugazione,metodo con cui viene ottenuto attualmenteil restante 2 per cento circa della produzio-ne mondiale di uranio arricchito. L'effettoelementare utilizzato consiste nella diffe-rente accelerazione centrifuga alla qualesono sottoposte le diverse specie isotopi-che di esafluoruro di uranio, che viene im-messo in speciali rotori operanti a velocitàsuperiori a 40 000 giri al minuto.

Senza entrare in ulteriori particolari (siveda l'articolo La centrifugazione gassosadi Donald R. Olander in «Le Scienze»n. 122, ottobre 1978), possiamo sintetiz-zare i vantaggi della centrifugazione ri-spetto alla diffusione gassosa: essi consi-stono in un più elevato limite teorico nelfattore di separazione (1,04), in un minornumero di stadi necessari per ottenere l'ar-ricchimento desiderato e in un minor fab-

bisogno energetico. Tuttavia, le eccezio-nali caratteristiche di resistenza e di stabi-lità meccanica richieste ai rotori limitanole dimensioni di questi ultimi, cosicché de-cine di migliaia di centrifughe sono neces-sarie per impianti di grande portata; inquesto caso quindi il costo di installazionerappresenta il fattore di maggiore inciden-za sul prezzo del prodato ottenuto.

Nuove possibilità offerte dai metodi laser

Il grande sviluppo delle sorgenti laser,che si è avuto a partire dagli anni settanta,ha lasciato intravedere nuove e interessan-ti possibilità per una efficiente separazionedi isotopi su vasta scala industriale (si vedal'articolo La separazione laser degli isoto-pi di Richard N. Zare in «Le Scienze»n. 106, giugno 1977).

La piccola differenza nelle frequenze diassorbimento della luce da parte di specieisotopiche diverse (sh(t isotopico) e lagrande purezza spettrale della radiazionelaser rendono possibile l'interazione selet-tiva con una sola specie isotopica, per unasua separazione dalla miscela. Le poten-zialità e le prospettive economiche del me-todo sono apparse subito molto interes-santi: elevati fattori di arricchimento in unsolo stadio, basso consumo energetico,possibilità di trattare materiali con un con-tenuto qualunque dell'isotopo utile.

Quest'ultima caratteristica, in partico-

Lo schema di realizzazione di un processo diseparazione isotopica via laser è lo stesso siaper un'esperienza dimostrativa, sia per un im-pianto industriale; cambia naturalmente neidue casi la realizzazione tecnologica delle sin-gole fasi (creazione del vapore, fotoionizzazio-ne, raccolta del prodotto). Nel caso dell'uranioatomico, il metallo vaporizzato (in alto) diffon-de nella zona di interazione che, perpendicolar-mente alla direzione di propagazione del vapo-re, viene illuminata da fasci laser per l'eccita-zione selettiva e la fotoionizzazione. Fra gliatomi sottoposti a radiazione, quelli ionizzativengono deviati con opportuni campi elettricio magnetici disomogenei su un collettore, men-tre l'isotopo rimasto neutro continua il suo mo-to di diffusione uscendo dalla zona illuminata.La potenza degli impulsi laser deve essere taleda ionizzare tutte le particelle dell'isotopo pre-scelto, presenti nel volume di interazione dellaradiazione con il vapore atomico. Quando gliatomi irraggiati sono stati completamente so-stituiti da nuovo vapore proveniente dal forno,un altro impulso laser deve illuminare la regio-ne di interazione: il tempo di svuotamento dellazona irraggiata determina quindi la frequenzadi ripetizione dei laser. In basso, la fotografiamostra il sistema per la vaporizzazione dell'u-ranio, che è stato utilizzato per le prime espe-rienze di arricchimento descritte nella figura apagina 97. Il forno è un sistema a cannoneelettronico (al centro), di cui si vede anche l'e-lettronica di controllo (a destra). La cella d'in-terazione, sopra al forno e mantenuta in altovuoto, ha finestre per l'ingresso e l'uscita deifasci laser e, a 90 gradi rispetto a questi (inprimo piano), per la rivelazione della fluore-scenza emessa dagli atomi eccitati. Dietro, nonvisibile in fotografia, è il sistema per la rivela-zione e l'analisi di massa degli ioni prodotti.

La separazione isotopicadell'uranio mediante laser

L'interesse scientifico, tecnologico, economico e strategico che rivestonole nuove tecniche laser per l'arricchimento dell'uranio invita a una vastacooperazione internazionale nel settore dell'impiego pacifico del nucleare

di Francesco Catoni, Pietro Morales e Marinella Broglia

94

95

RIVELAZIONE DEGLI ATOMI ECCITATI E IONIZZATI SISTEMA ATOMICO

ACQUISIZIONEED ELABORAZIONE

DEI SEGNALI DI FLUORESCENZAMONOCROMATORE

CELLADI INTERAZIONE

FORNOA URANIO

DIAGNOSTICA DEI FASCI LASER SORGENTI LASER

TELECAMERA

LAMPADA

IA URANIO

INTERFEROMETRODI FABRY-PEROT

LASERA COLORANTE

REGISTRATORE

VIDEO

LASERAD AZOTO I

METODI DIARRICCHIMENTODELL'URANIO

SPESEDI INVESTIMENTO

(S/SWU/ANNO)

CONSUMODI ENERGIA(kWh/SWU)

COSTO DELPRODOTTO

(S/SWU)

DIFFUSIONE GASSOSA 250 2400 95

CENTRIFUGAZIONE 400 100 90

LASER 60 100 30

Vengono messi a confronto le spese d'investimento, i consumi di energia e i costi di produzionedei diversi metodi di arricchimento dell'uranio (diffusione gassosa, centrifugazione e laser) secondostime del 1984. Per dare una misura contemporanea sia della quantità di prodotto trattata siadell'arricchimento ottenuto in un impianto è stata introdotta la SWU (Separative Work Unit),un'unità piuttosto complessa. A titolo di esempio, per produrre un chilogrammo di uranio arric-chito al 3 per cento a partire dalla miscela naturale allo 0,7 per cento e lasciando un materialeimpoverito allo 0,2 per cento sono necessarie all'incirca 4,5 SWU. Gli impianti tradizionali hannocapacità separative dell'ordine di IO milioni di Swu all'anno; l'impianto pilota di arricchimento permezzo laser in costruzione negli Stati Uniti avrà una capacita di un milione di swu all'anno.

STATO AUTO-IONIZZANTE

A

SOGLIA D IIONIZZAZIONE

IONIZZAZIONE

SHIFTISOTOPICO

U-238

ECCITAZIONESELETTIVA

PRIMOSTATOMETASTABILE

A

6,2

o

6,2

oSTATOFONDAMENTALE

Il primo schema qui riportato (a sinistra) mostra il principio della fotoionizzazione selettiva perla realizzazione di una separazione isotopica mediante laser sul vapore atomico di uranio: dopoun'eccitazione selettiva dell'isotopo da separare (uranio 235) mediante una prima radiazione laser,una seconda radiazione laser a diversa lunghezza d'onda provoca il distacco di un elettrone dagliatomi eccitati (ionizzazione). Il secondo schema (a destra) è invece uno schema operativo piùcomplesso, di cui si prevede l'impiego nei primi impianti pilota in costruzione negli Stati Uniti.L'uso di tre fotoni k2, 7+.3) nella zona spettrale di 600 nanometri è determinato dalla disponi-bilità in questa regione di sorgenti laser con caratteristiche che consentono una maggiore econo-micità del processo. Per aumentare l'efficienza, il laser che porta gli atomi eccitati oltre la sogliadi ionizzazione è sintonizzato su uno stato autoionizzante, da cui l'atomo evolve spontaneamenteverso la perdita di un elettrone. Infine, si può aumentare molto 11 rendimento globale eccitandoselettivamente con un altro fotone (X4), oltre agli atomi che si trovano nello stato fondamentale(47 per cento), quelli che per eccitazione termica popolano il primo stato metastabile (28 per cento).

50

40

N

LU

CD —w CCCC

O 301-

_1 COu_ ft—(3

Q 2CO

— 20LUr—z

10

L'esperimento illustrato dimostra la fattibilità scientifica di un processodi arricchimento laser dell'uranio atomico. Nello schema a blocchi, inalto, la radiazione emessa da un laser ad azoto (337 nanometri) è divisain due componenti: il 25 per cento è utilizzato per ottenere radiazione daun laser sintonizzabile a banda stretta (0,001 nanometri), che eccita inmaniera selettiva gli atomi di uranio 235; la parte restante è utilizzataper fotoionizzare gli atomi eccitati. Le due radiazioni combinate vengonoinviate sul vapore ottenuto in un forno a cannone elettronico. Gli ioniprodotti sono rivelati con un filtro di massa a quadrupolo, che permettedi misurare il tasso di arricchimento raggiunto. Nello schema sono inse-riti anche un sistema per la rivelazione della fluorescenza emessa dalvapore eccitato e l'apparecchiatura per la diagnostica dei fasci laser(lunghezza d'onda, larghezza di riga e stabilità in frequenza). In questoesperimento l'impiego di un laser non sintonizzabile nella fase di ioniz-zazione non ha consentito di ottimizzare i rendimenti. I risultati riportati

20

15

10

5

0,7

1235 LUNGHEZZA D ONDA

sono stati ottenuti eccitando selettivamente la transizione corrispondentealla lunghezza d'onda di 463,161 nanometri, che presenta uno shiftisotopico di 0,007 nanometri. Dal segnale di fluorescenza (grafico quisopra, a sinistra), ottenuto sintonizzando il laser sulla frequenza dell'i-sotopo uranio 238, è stata controllata la possibilità di eccitare con buonrendimento il vapore ed è stato ricavato il tempo di vita del livello eccitato(117 nanosecondi). Variando finemente la lunghezza d'onda del laserselettivo attorno alla struttura di assorbimento dell'isotopo uranio 235in presenza del secondo laser di ionizzazione, dalla misura degli ioniformati sono stati ottenuti i valori del rapporto isotopico (percentuale diU-235 rispetto a U-238), riportati nel grafico a destra. Come si vede,nelle condizioni sperimentali descritte è stato raggiunto un rapporto iso-topico di circa il 18 per cento, cioè un fattore di arricchimento dell'uraniopari a 26. Negli impianti di arricchimento mediante diffusione gassosa ecentrifugazione questo fattore è, invece, di poco maggiore dell'unità.

2'238

SCALEDI CONTEGGIO

DEGLI IONI

100 200

300

400TEMPO (NANOSECONDI)

FILTRODI MASSA

A QUADRUPOLO

lare, sembra offrire la concreta possibilitàdi recuperare il fissile presente nelle codedegli impianti tradizionali, eliminando nelcontempo i problemi di stoccaggio. Da unpunto di vista economico, una stima del1982 valutava che le code d'impianto di-sponibili negli Stati Uniti sarebbero am-montate nel 1990 a circa 500 000 tonnel-late, con un contenuto di uranio fissile suf-ficiente a far funzionare un reattore per

1800 anni. L'Italia stessa, per la propriapartecipazione a EuRoDIF, dovrà gestire aquella data circa 20 000 tonnellate di codedi impianto, con un contenuto di fissile va-lutabile in migliaia di miliardi di lire.

Infine, si può prevedere che un impiantodi arricchimento mediante laser su scalaindustriale potrà essere modulare e averedimensioni assai ridotte rispetto agli im-pianti di diffusione o di centrifugazione,

con evidenti conseguenze positive per laflessibilità e sicurezza dell'impianto stesso.

La programmazione di un'attività di ri-cerca finalizzata allo sviluppo di tecnichedi arricchimento fotoassistito richiede al-cune considerazioni. Innanzitutto, trattan-dosi di tecniche altamente innovative, ilpassaggio dalla semplice indagine di fatti-bilità alla realizzazione di un impianto in-dustriale, attraverso la ricerca scientifica,lo sviluppo della tecnologia necessaria, ladimostrazione di fattibilità sperimentale ela realizzazione di un impianto pilota concaratteristiche di scalabilità, richiederà an-che ai paesi maggiormente industrializzatiun periodo di tempo dell'ordine di qualchedecennio, che si può sperare di ridurre sol-tanto con la cooperazione internazionale.Inoltre, tenendo conto che, in generale,non conviene abbandonare impianti anco-ra operativi, è necessaria una programma-zione a lungo termine che renda disponibi-le la nuova tecnologia al momento in cuigli impianti che sono basati sulla vecchiatecnologia devono essere abbandonati perobsolescenza.

I programmi di molti paesi, e in parti-colare quelli degli Stati Uniti, prevedevanoil passaggio dalla diffusione gassosa allacentrifugazione. Il generale rallentamentodel programma elettronucleare in tutto ilmondo ha allungato i tempi di utilizzazio-ne degli impianti per diffusione gassosa,spostando agli inizi del Duemila la neces-sità di nuovi impianti di arricchimento emettendo in competizione la centrifuga-zione e il metodo laser quale tecnologia diarricchimento di nuova generazione.

È del giugno 1985 la decisione degliStati Uniti di abbandonare le ricerche sul-la centrifugazione, già in fase di avanzataindustrializzazione, per concentrare tuttigli sforzi sulle tecniche laser, consideratemolto più promettenti e che, secondo leprevisioni, potranno essere operative apartire dal 1995. A questa scelta sembrache si siano uniti Francia e Giappone.

Da parte loro Regno Unito, RepubblicaFederale Tedesca e Paesi Bassi, i paesi eu-ropei che aderiscono all'uRENCo (Ura-nium Enrichment Company), i cui impian-ti di centrifugazione hanno cominciato ainfluenzare il prezzo dei servizi di arricchi-mento sul mercato internazionale, hannodeciso di unire gli sforzi anche sulle tecni-che laser e di verificare la disponibilità del-la Francia a una completa collaborazioneeuropea.

Per tutti, unica e molto alta è la posta ingioco: assicurarsi l'indipendenza energeti-ca per gli anni successivi al 2000, qualoral'opzione dei reattori autofertilizzanti suvasta scala si rivelasse ancora impratica-bile, e in attesa che lo sviluppo scientificoe tecnologico renda disponibile l'energia,definita oggi intrinsecamente pulita, da fu-sione nucleare.

Un'ultima considerazione generale civiene imposta dallo stato di allerta di alcu-ni organismi e movimenti di opinione na-zionali e internazionali a causa della pos-sibilità di applicazione di queste tecnichenel settore militare. Speriamo che quanto

96 97

zare un processo fisico o chimico che agi-sca solo sulla specie eccitata effettuando-ne, senza perdita di selettività, la rimozio-ne dalla miscela.

Per quanto riguarda l'uranio si è studia-ta la possibilità di effettuare la separazionesia sul vapore atomico sia su compostimolecolari gassosi. In quest'ultimo caso si è scelto l'esafluoruro di uranio perché ha

un'elevata tensione di vapore a temperatu-ra ambiente, perché il fluoro non apportaulteriori effetti isotopici e perché si puòusufruire di tecnologie di fabbricazione edi trattamento ben consolidate dall'eserci-zio degli impianti di diffusione e di centri-fugazione. Di conseguenza, un processo diarricchimento fotoassistito su UF6 potreb-be essere utilizzato direttamente sulle codedegli impianti tradizionali, senza ulterioritrasformazioni chimiche.

Da un lato la difficoltà tecnologica el'alto costo di vaporizzazione dell'uraniometallico, dall'altro la complessità dellaspettroscopia dell'esafluoruro di uranio,che limita la selettività del processo, sem-brano aver determinato la situazione at-tuale della ricerca internazionale in questocampo. Nel 1982, dopo circa un decenniodi ricerche parallele, gli Stati Uniti hannosospeso le attività sul metodo molecolaredando l'avvio alla realizzazione di un im-pianto pilota per la separazione isotopicasull'uranio metallico. I maggiori paesi eu-ropei, pur sviluppando il processo a uraniometallico con impegno prevalente (un im-pianto pilota francese è previsto per il1992), continuano le ricerche sull'esafluo-ruro di uranio, mirando a un processo chepotrebbe risultare comunque sufficiente-mente economico e per il quale esistonomolte competenze acquisite con gli im-pianti URENCO e EURODIE

In Italia la fase di ricerca scientifica etecnologica è stata avviata nel 1978 ed èsvolta dall'ENEA (Comitato nazionale perla ricerca e per lo sviluppo dell'energia nu-cleare e delle energie alternative), nell'am-bito del «Progetto Arricchimento» del Di-partimento Ciclo del combustibile. Di se-guito verranno illustrate le problematicheaffrontate e alcuni significativi risultati.

Una conoscenza approfondita delle transizioni dell'uranio è essenzialeper la ottimizzazione del processo di fotoionizzazione selettiva. Vienepresentata qui un'apparecchiatura sperimentale molto compatta e di am-pie potenzialità che è stata messa a punto per l'indagine spettroscopica.La sorgente di vapore è costituita da una lampada a scarica a catodocavo, sulla quale tre tecniche diagnostiche fra le più sensibili sono statepredisposte per essere simultaneamente utilizzate: l'effetto optogalvani-co, la fluorescenza indotta e la fotoionizzazione. La lampada a catodocavo, connessa al circuito di rivelazione dei segnali optogalvanico e difotoionizzazione, è visibile in primo piano; a destra e sul fondo si notanol'ottica di focalizzazione dei fasci laser e il misuratore di potenza; asinistra, infine, il monocromatore per l'analisi della fluorescenza. L'effet-to optogalvanico consiste in una variazione di tensione che si producesul circuito di alimentazione della lampada ogni volta che il fascio laser,inviato nel catodo, viene sintonizzato su una transizione ottica di

una specie presente nella scarica. Variando in maniera continua la lun-ghezza d'onda del fascio laser e rivelando l'ampiezza del segnale opto-galvanico si ottiene uno spettro delle transizioni degli elementi contenutinella scarica. Uno specchio a 45 gradi rispetto al fascio laser riflette laradiazione emessa dalla scarica su un monocromatore, per un'analisi inlunghezza d'onda della fluorescenza indotta dal laser. Questa permettedi controllare lo schema di eccitazione, evidenziando eventuali assor-bimenti multipli di fotoni che possono presentarsi alle potenze tipiche deilaser impulsati riducendo l'efficienza e la selettività di un processo diarricchimento. Infine, la fotoionizzazione prodotta da laser e stata evi-denziata sullo stesso circuito di rivelazione dell'effetto optogalvanico ediscriminata da questo mediante l'analisi temporale del segnale elettricoosservato. L'impiego combinato delle tre tecniche ha permesso di otte-nere informazioni sui livelli altamente eccitati dell'uranio, sugli stati au-toionizzanti e sulle sezioni d'urto di eccitazione e di ionizzazione.

ESAFLUORURODI URANIO 235

segue possa fugare decisamente il timoreche una tecnologia cosi avanzata e sofisti-cata possa essere sviluppata autonoma-mente da singoli gruppi terroristici inter-nazionali. Per il resto non possiamo cheauspicare che la collaborazione e il con-trollo sovranazionali intervengano a impe-dire che la paura arresti il progresso civileed economico o, peggio ancora, che l'a-vanzamento tecnologico venga mantenutocome strumento di superiorità di pochipaesi sul resto della comunità mondiale.

Arricchimento isotopico mediante laser

Questo metodo rientra nella categoriadei processi fotofisici e fotochimici selettiviin cui il cambiamento dello stato fisico ochimico di un atomo o di una molecolaviene realizzato mediante energia fornitanon per via termica (non selettiva), ma con

l'uso di radiazione di lunghezza d'ondaben definita.

Secondo la fisica moderna soltanto al-cuni stati discreti di energia sono possibiliper gli atomi e per le molecole e il passag-gio dall'uno all'altro avviene per assor-bimento o per emissione di fotoni che ab-biano esattamente l'energia corrisponden-te al salto energetico da effettuare. Il lega-me tra l'energia del fotone (E), la frequen-za (v) e la lunghezza d'onda (i.) della ra-diazione elettromagnetica si ricava dallarelazione: E=hv=hcIX., dove c è la velo-cità della luce nel vuoto (3 x 10 10 centi-metri al secondo) e h è una costante uni-versale (6,63 x 10-27 erg per secondo);spesso si utilizza come misura dell'energiala grandezza n/.. = 1/X, espressa in cm—

La purezza spettrale della luce laserconsente di interagire selettivamente conun'unica specie in una miscela (separazio-

ne isotopica, analisi di tracce) e di deposi-tare energia in particolari moti interni diuna molecola per determinarne il compor-tamento reattivo (fotochimica selettiva).

Rimandando per un'esposizione più ge-nerale al già citato articolo di Richard N.Zare e all'articolo di Avigdor M. Ronnlaser in chimica (si veda «Le Scienze)>n. 131, luglio 1979) descriveremo qui piùin particolare i problemi relativi all'arric-chimento dell'uranio. Ricordiamo comun-que le diverse condizioni che devono esse-re soddisfatte per realizzare un processo diarricchimento mediante laser: occorre cheil materiale sia allo stato gassoso e cheabbia una riga di assorbimento con shiftisotopico tale da consentire l'eccitazioneselettiva di una sola specie isotopica; chesi disponga di una sorgente laser che emet-ta alla frequenza di assorbimento dellaspecie da separare; che sia possibile realiz-

Arricchimento laser sull'uranio atomico

Il processo di arricchimento isotopicofotoassistito sull'uranio atomico è concet-tualmente abbastanza semplice. Ottenutoil vapore, occorre ionizzare selettivamentel'uranio 235 per assorbimento di due o piùradiazioni laser: la pripa, a banda spettra-le molto stretta, eccita selettivamente l'iso-topo di massa 235, lasciando inalterato ilpiu abbondante uranio 238; le successiveradiazioni, di energia tale da essere assor-bite solo dagli atomi eccitati, portano que-sti atomi alla ionizzazione. Gli ioni prodot-ti possono quindi essere raccolti su unapiastra mediante applicazione di un cam-po elettrico o magnetico. Un esame piùdettagliato delle singole fasi metterà in lucele difficoltà di realizzazione del processo el'ampiezza dei contenuti scientifici e tec-nologici della ricerca in questo settore.

LUNGHEZZA D'ONDA (MICROMETRO16,5 16,0

15,5

600

620

640ENERGIA (CENTIMETRI-1)

627,6

627,8

628,0

628,2ENERGIA (CENTIMETRI-1)

628,3ENERGIA (CENTIMETRI->)

Esaminando, in alto, lo spettro di assorbimento a temperatura ambiente dell'esafluoruro di uranio238 (in blu) e quello dell'esafluoro di uranio 235, riportato alla stessa ampiezza del primo (inarancione), si comprende come un'eccitazione laser centrata sul picco di esafluoruro di uranio235 avrebbe un effetto altissimo anche sull'esafluoruro di uranio 238. A bassa temperatura,essendo il numero di livelli energetici rotazionali e vibrazionali popolati molto inferiore, lo spettrodi assorbimento assume una struttura a righe più idonea al nostro scopo. La dilatazione della scaladelle ascisse (al centro) mostra la pura transizione vibrazionale (picco più alto a sinistra) e unaserie di transizioni rotazionali associate dell'isotopo 238. All'estremità destra (evidenziata dall'o-vale) si nota la pura transizione vibrazionale dell'isotopo 235, amplificata nella curva in basso.Uno spettro del genere si ottiene con una scansione in frequenza di un laser a semiconduttoresull'esafluoruro di uranio naturale, raffreddato per espansione adiabatica attraverso un ugello.

628,2

98

99

La separazione isotopica dell'uranio può essere ottenuta dissociandoselettivamente l'esafluoruro di uranio 235 e producendo pentafluorurodi uranio, solido alla temperatura dell'esperimento. Per una definizioneoperativa del processo occorre studiare da quali parametri dipende laprobabilità di dissociazione sotto irraggiamento laser, rivelando i prodot-ti di dissociazione nelle diverse condizioni. Si è resa quindi necessaria lamessa a punto di particolari tecniche di rivelazione di particelle neutre.La fotografia mostra l'apparato sperimentale relativo a due di questetecniche e adattabile all'una o all'altra con poche modificazioni. Nellaprima tecnica viene sfruttato il fatto che il pentafluoruro di uranio pro-dotto per dissociazione si aggrega in breve tempo in corpuscoli di polve-re, la cui crescita è tanto più rapida quanto maggiore è la quantità dipentafluoruro di uranio prodotta (e quindi la quantità dell'esafluoruro diuranio dissociata). Poiché i corpuscoli diffondono la luce intensa di unlaser (è questo il motivo per il quale possiamo vedere un fascio laser chesi propaga nell'atmosfera), misurando l'intervallo di tempo tra l'inizio

dell'irraggiamento e la rivelazione di un segnale di diffusione della lucesi ha una misura dell'efficienza della dissociazione. La seconda tecnica,più complessa, ma anche maggiormente sensibile e diretta, utilizza inveceil fatto che il pentafluoruro di uranio ha un'energia di ionizzazione piùbassa del 20 per cento rispetto all'esafluoruro. Scegliendo opportuna-mente la lunghezza d'onda e la potenza di un altro laser è possibileionizzare per assorbimento simultaneo di più fotoni soltanto le molecoledi pentafluoruro di uranio prodotte dal laser ultravioletto; gli ioni vengo-no raccolti su un elettrodo e il segnale di corrente è proporzionale alnumero di molecole di esafiuoruro di uranio dissociate. La fotografia mo-stra una cella contenente l'esafiuoruro di uranio (al centro), su cui inci-dono il fascio ultravioletto che opera la dissociazione (il fascio è ottenutoper duplicazione di frequenza del fascio rosso visibile nella fotografia) equello blu che ionizza il pentafluoruro prodotto; questo secondo fascio,per mezzo di un sistema di specchi che ne allunga il percorso, è ritarda-to e allineato perfettamente rispetto al primo all'interno della cella.

CURVA DI POTENZIALE RELATIVAALLO STATO ELETTRONICO ECCITATO

SPETTRODI ASSORBIMENTO

SPETTRO DIDISSOCIAZIONE

10.MAnLMIREDAW

, 1Alrq

ECCITAZIONELASER

LLIRGETICI --11111AZIONALI III

MIIMIKALAIIIIIIIIIn

ALLA

W POTENZIALE REPULS(STATO DISSOCIATIV(

CURVA DI POTENZIALERELATIVA ALLO STATOELETTRONICO FONDAMENTAL

----- DI PROBABILITÀIN FUNZIONE

7 DELLA DISTANZA INTERATOMICA

P14-

E

VO

L'economia del processo e i possibilicanali di perdita della selettività determi-nano i valori della densità del vapore dautilizzarsi (10 12 .10 13 atomi al centimetrocubo). Per ottenere un vapore di uranio aqueste densità a partire dal metallo è ne-cessario raggiungere temperature dell'or-dine di 2200 gradi Celsius, alle quali l'u-ranio è estremamente corrosivo; ciò ri-chiede lo studio di particolari materiali dicontenimento e tecniche di riscaldamento.Una soluzione efficace al problema dellacorrosione, adottata negli impianti indu-striali progettati negli Stati Uniti e utilizza-bile anche su scala di laboratorio, è l'auto-contenimento dell'uranio fuso, reso possi-bile dall'uso di un cannone elettronico: fo-

LIVEENEVIB

calizzando un fascio elettronico al centrodel campione si può localizzare la fusionenella parte centrale, lasciando a tempera-tura molto inferiore il contatto tra l'uranioe il materiale del crogiolo.

Il problema della vaporizzazione dell'u-ranio si pone anche per le piccole quantitànecessarie per le fasi preliminari di studiodel processo e ha quindi stimolato la ricer-ca di varie soluzioni. Per misure spettro-scopiche è stata studiata la possibilità diutilizzare lampade a scarica a catodo cavodi uranio, in cui il materiale catodico vienedirettamente vaporizzato, senza passareper la fase liquida, mediante bombarda-mento da parte degli ioni della scarica(sputtering). Sorgenti standard di questo

tipo sono commerciali mentre lampadecon caratteristiche particolari (raffredda-te, a catodo passante, a diverse composi-zioni isotopiche eccetera) sono state rea-lizzate in laboratorio.

Per lo studio ad alta risoluzione deimeccanismi di interazione tra la luce lasere il vapore atomico viene generalmente uti-lizzato un piccolo fascio di atomi ben col-limato, ottenuto mediante evaporazionetermica. In tal caso i problemi di corrosio-ne vengono notevolmente ridotti vaporiz-zando una lega uranio-renio. L'interazio-ne fra il sistema atomico e la radiazionelaser costituisce la fase centrale dell'interoprocesso, in cui le caratteristiche dei duepartner interagenti devono adattarsi allaricerca del massimo rendimento.

In linea di principio due fotoni laser, ilprimo selettivo e il secondo per la ionizza-zione, sono indispensabili e sufficienti peruna fotoionizzazione selettiva dell'uranic235. Uno schema d'interazione a più didue fotoni può però essere più convenientedal punto di vista del rendimento del pro-cesso o, comunque, può essere dettato dal-l'attuale stato di avanzamento tecnologicodelle sorgenti laser. I laser che presentanole migliori caratteristiche per il processoemettono a lunghezze d'onda maggiori di500 nanometri: data l'energia necessaria aionizzare l'atomo di uranio, almeno tre fo-toni nella regione spettrale di 600 nanome-tri servono per la fotoionizzazione (si vedala figura a pagina 96 in basso).

L'atomo di uranio presenta uno spettromolto complesso con più di 92 000 tran-sizioni osservate nella regione del visibile,cosicché la scelta delle specifiche transi-zioni da utilizzare richiede una vastissimaindagine spettroscopica. Ogni stato atomi-co e ogni possibile transizione tra due statisono caratterizzati da una serie di parame-tri non sempre noti (shift isotopico, vitamedia, struttura iperfine, sezioni d'urto diassorbimento o di ionizzazione, larghezzadella riga spettrale. rapporti di decadimen-to eccetera), la cui incidenza sul rendimen-to dell'interazione ha portato allo sviluppodi tecniche sempre più accurate per la loromisurazione. Una semplice, ma chiara, in-dicazione dell'importanza di questi studipuò essere tratta da una stima effettuatanegli Stati Uniti e secondo la quale il rad-doppio di una sezione d'urto di assor-bimento porterebbe a un recupero di circacinque milioni di dollari (1984) nell'eserci-zio annuo dell'impianto su scala pilota.

Un esempio importante è fornito dallostudio dello spettro di autoionizzazionedell'uranio. È noto che, anche sopra il li-mite di ionizzazione, l'atomo presenta de-gli stati energetici «legati», corrispondentialla eccitazione simultanea di due elettro-ni. Trattandosi di stati discreti, essi presen-tano un'elevata probabilità di essere ecci-tati per assorbimento di luce e, tuttavia,trovandosi immersi nella zona continuadello spettro corrispondente all'allontana-mento di un elettrone dall'atomo, evolvo-no molto rapidamente verso la ionizzazio-ne (autoionizzazione). La sintonizzazionedell'ultimo fotone dell'interazione su uno

di questi stati permette di aumentare anchedi tre ordini di grandezza la probabilità diionizzazione.

Per individuare i parametri dell'intera-zione e per quantizzare la loro influenzasulle rese del processo è necessaria unaconoscenza molto particolareggiata deidue sistemi interagenti. I nuclei dei due iso-topi, oltre che dello shift isotopico, sonoresponsabili di un'ulteriore caratteristica:mentre ogni transizione dell'uranio 238 sipresenta come una riga singola, ciascunatransizione dell'uranio 235 è costituita daun insieme di righe (struttura iperfine).Inoltre, ciascuna di queste righe ha unalarghezza finita, determinata da cause siaintrinseche (principio di indeterminazione)sia dovute a condizioni sperimentali (col-lisioni, effetto Doppler, campi esterni). Daparte sua, come vedremo, anche la radia-zione laser, se analizzata con tecniche ad

alta risoluzione, può rivelarsi strutturata.Una fedele simulazione dei due sistemi

interagenti, lo sviluppo di modelli teoriciper l'interazione, la realizzazione di espe-rienze che permettano una verifica dei mo-delli stessi sono oggetto di un vera e pro-pria disciplina scientifica di recente svilup-po, che va sotto il nome di «dinamica fo-tonica» e che ha ricevuto grande impulsoproprio dallo studio dei processi di arric-chimento fotoassistito. In questo caso, loscopo ultimo consiste nell'individuare i pa-rametri dell'interazione e la loro influenzasul processo per una ottimizzazione delrendimento.

La raccolta degli ioni formati selettiva-mente costituisce l'ultima fase del proces-so; una fase apparentemente semplice chediventa critica quando si considerano lealte densità del vapore nel processo in sca-la industriale. Infatti, gli urti fra Pura-

nio 235, formato per fotoionizzazione se-lettiva, e l'uranio 238 neutro possono por-tare allo scambio di una carica elettrica ela raccolta dell'isotopo non desiderato an-nulla o comunque diminuisce la selettivitàdel processo. Bisogna dunque minimizza-re il tempo di raccolta degli ioni riducendole possibilità d'urto con scambio di carica.Applicando un campo elettrico a un vapo-re ionizzato si provoca, però, uno sposta-mento iniziale delle cariche positive e ne-gative, che genera un campo elettrico con-trario a quello applicato; il campo contra-rio rallenta la raccolta. Buone prospettiveper la soluzione del problema sono offertedall'impiego di campi magnetici non uni-formi; in questo caso, il campo elettrico ègenerato internamente al sistema dal mo-vimento delle cariche indotto dal campomagnetico, e gli ioni si possono raccoglierein direzione ortogonale ai due campi.

DISTANZA INTERATOMICA

Sono rappresentate le curve di potenziale di una molecola in funzione della distanza interatomicaper diversi stati elettronici (in grigio intenso) e la probabilità (quadrato della funzione d'onda) che,durante la vibrazione, la molecola assuma un dato valore della distanza interatomica (in nero).Poiché la probabilità di transizione è proporzionale al prodotto delle funzioni d'onda dei livellicoinvolti nella transizione, lo spettro di assorbimento (in blu) presenterà valori più elevati allelunghezze d'onda delle transizioni che collegano due massimi nelle curve di probabilità. Questetransizioni possono solo avvenire in direzione verticale, ossia la distanza interatomica non variadurante la transizione. Se la curva di potenziale dello stato elettronico eccitato è intersecata da unacurva di potenziale dissociativa e se l'intersezione con i livelli energetici vibrazionali avviene incorrispondenza di valori della distanza interatomica che hanno alta probabilità, allora la molecoladissocia (in grigio chiaro). Lo schema riguarda in realtà una molecola biatomica. Nel caso dimolecole poliatomiche. nelle quali l'energia varia in funzione delle distanze fra diversi atomi,l'energia potenziale e rappresentata da superfici in più dimensioni. Possiamo però ancora riferircia curve di questo tipo pensando che esse rappresentino delle sezioni della superficie di potenzialenella direzione del moto intramolecolare (per esempio nella direzione di vibrazione di un legame).

101

100

quale sia il procedimento più conveniente.Uno dei metodi usati sfrutta un secondo

laser infrarosso di elevata potenza che for-nisce alla molecola un numero di fotonisufficienti a risalire per assorbimento si-multaneo la sequenza dei livelli energeticirotovibrazionali fino a raggiungere la so- glia di dissociazione. Questo laser deve

avere lunghezza d'onda maggiore rispettoal laser infrarosso selettivo, in modo taleche le molecole non eccitate non siano ingrado di assorbirne la radiazione.

Rinviando per una descrizione più par-ticolareggiata di questo metodo all'esau-riente articolo di Zare, già citato, ci soffer-miamo qui su uno schema alternativo chepotrebbe essere più efficiente per le carat-teristiche spettroscopiche dell'esafluorurodi uranio. Esso, dopo l'eccitazione vibra-zionale selettiva, utilizza un solo fotone ul-travioletto per portare le molecole a unostato elettronico eccitato che evolve versola rottura spontanea del legame.

Sappiamo dalla fisica molecolare che,in una certa regione dello spettro di assor-bimento, una molecola eccitata vibrazio-nalmente assorbe più facilmente un fotoneultravioletto rispetto a una molecola noneccitata. Se tutte le molecole che assorbo-no il fotone ultravioletto dissociano, si ot-tiene un certo grado di arricchimento delpentafluoruro prodotto. Per aumentare ladifferenza nella probabilità di assorbimen-to è conveniente eccitare l'esafluoruro di

2v3

N1v3

38 000 37 50038 500 37 000

N 1111

500

111

5 —

3

ENERGIA (CENTIMETRI-1)

LIVELLI ENERGETICI VIBRAZIONALI

A sinistra, si riportano alcuni dati sperimentali relativi all'efficienza didissociazione in funzione dell'energia dei fotoni ultravioletti che causanola dissociazione. I valori sperimentali rappresentano il rapporto tra tassodi dissociazione, ricavato dal segnale di fotoionizzazione del pentafluo-ruro di uranio (si veda l'illustrazione a pagina 101), e numero di fotoniassorbiti. Nell'esperimento la pressione dell'esafluoruro di uranio puro ècirca I/10 000 della pressione atmosferica (quadrati). Nella figura sievidenzia come quest'andamento possa essere sfruttato per la separazio-ne isotopica. Infatti, fotoni ultravioletti della stessa energia (frecce blu)

porteranno le molecole eccitate vibrazionalmente dai fotoni infrarossi(freccia arancione), cioè quelle contenenti uranio 235, in una zona amaggiore efficienza di dissociazione rispetto alle molecole non eccitate(che contengono l'uranio 238). L'aggiunta di un quantitativo 100 voltesuperiore di argo allarga e sposta verso le basse energie la strutturamisurata (triangoli), diminuendo la selettività. Un incremento nella selet-tività si può ottenere, invece, eccitando con due fotoni infrarossi il secon-do stato v ibrazionale. in modo da avere una maggiore differenza nelladissociazione tra molecole vibrazionalmente eccitate e non eccitate.

— 1 mm Hg di UF6

— 1 mm Hg di UF 6 in 10 mm Hg di argo

1 mm Hg di UF 6 in 24 mm Hg di argo

_ 1 mm Hg di UF 6 in 40 mm Hg di argo

,4

IMPULSO LASER

ft,"

4

o

2 3

4

TEMPO (MICROSECONDI)

UF.•

• N20

N • • CO. • SiF.

• SF.

•GAS NOBILI

O

50 100 150 200 250

300

350UNITA DI MASSA ATOMICHE

100

Arricchimento laserdell'esafluoruro di uranio

La separazione isotopica fotoassistitadell'esafluoruro di uranio sfrutta la piccoladifferenza tra le frequenze di vibrazionedei moti di oscillazione della molecola, checoinvolgono l'atomo di uranio: l'esafluo-ruro di uranio 238, più pesante, vibra auna frequenza leggermente minore di quel-la a cui vibra l'esafluoruro di uranio 235e, in linea di principio, un laser infrarossodi frequenza ben definita può eccitare lavibrazione di quest'ultimo soltanto. Il mo-do di vibrazione v3, a cui corrisponde unalunghezza d'onda di circa 16 micrometri,è stato prescelto poiché presenta il mag-giore shift isotopico.

Una volta eccitato selettivamente resa-fluoruro di uranio 235, occorre rimuoverefisicamente dalla miscela le molecole ecci-tate. Poiché il pentafiuoruro di uranio

(UF 5 ) solidifica nelle condizioni del pro-cesso, in cui l'esafluoruro di uranio è gas-soso, una scelta naturale è quella di cerca-re di rompere con un secondo laser il lega-me tra l'uranio e un atomo di fluoro nellesole molecole eccitate vibrazionalmente.Cosi facendo si forma una polvere di pen-tafluoruro di uranio arricchita in penta-fluoruro di uranio 235 che può essere rac-colta su opportuni dispositivi.

La selettività dell'eccitazione vibrazio-nale nell'infrarosso dipende dalla tempera-tura. L'irraggiamento del vapore di esa-fluoruro di uranio a temperatura ambienteconsente solo selettività minime, poiché inqueste condizioni le molecole sono distri-buite su molti livelli energetici rotovibra-zionali; di conseguenza, lo spettro di as-sorbimento non è costituito da righe stret-te, ma da una banda la cui larghezza èmolto maggiore dello shift isotopico. Raf-freddando il vapore a temperature dell'or-

dine di —200 gradi Celsius, le molecole siconcentrano su pochi livelli energetici co-sicché lo spettro viene a essere costituitoda transizioni ben risolte. Un normale ab-bassamento di temperatura provochereb-be però la condensazione del vapore diesafluoruro di uranio. Una tecnica di raf-freddamento adeguata consiste nell'espan-sione adiabatica del gas attraverso unugello, in un getto supersonico. In tal mo-do si ottiene un fascio di molecole «fredde»in cui le energie interna e cinetica del motodisordinato delle singole molecole si sonotrasformate in energia traslazionale d'in-sieme. Il raffreddamento può raggiungeretemperature di —270 gradi Celsius misce-lando una piccola quantità di esafluorurodi uranio in un gas portante monoatomico.

La successiva fase della fotodissocia-zione laser delle sole molecole eccitate vi-brazionalmente può essere affrontata conmetodi diversi e tuttora non è stato definito

Il problema delle collisioni, di interesse generalein fisica molecolare, entra in varie fasi del pro-cesso di separazione isotopica. Infatti, le colli-sioni sono responsabili del raffreddamento al-l'interno dell'ugello, entrano nei processi di ri-distribuzione dell'energia, possono portare allaformazione di polimeri nel fascio molecolare,possono condurre allo scambio di eccitazionetra esafluoruro di uranio 235 ed esafluoruro diuranio 238, con conseguente perdita di seletti-vità. È stato quindi studiato con attenzione ilmeccanismo di interazione collisionale che por-ta alla sottrazione di energia da un certo stato.La tecnica usata consiste nel popolare con unimpulso laser della durata di qualche nanose-condo uno stato elettronico dell'esafluoruro diuranio dal quale viene emessa fluorescenza enell'osservare il tempo di decadimento dellafluorescenza in funzione del tipo e del numerodi collisioni. L'intensità della fluorescenza è in-fatti proporzionale al numero di molecole cheancora si trovano sullo stato radiativo. Nel gra-fico in alto si osserva che il segnale di fluore-scenza viene smorzato in tempi sempre più ra-pidi in presenza di quantitativi crescenti di ar-go. Uno studio sistematico eseguito con moltigas diversi ha mostrato che risultano partico-larmente efficienti per lo scambio di energia lemolecole che possono esercitare sull'esafluoru-ro di uranio forze non centrali, attraverso il loromomento di dipolo elettrico o multipoli di ordi-ne superiore. Questo si nota nel grafico in bas-so, dove i cerchi sono relativi ai gas nobili, itriangoli ai gas con momento di dipolo perma-nente, i quadrati ai gas con multipoli. L'altaefficienza dell'esafluoruro di uranio stesso usa-to come partner collisionale può essere legataall'uguaglianza delle frequenze di vibrazione o,più probabilmente, alla formazione di dimeri.

uranio in modo selettivo con più fotoni in-frarossi, ciascuno sintonizzato su uno spe-cifico livello.

Eccitando l'esafluoruro di uranio condue frequenze nell'infrarosso e con un la-ser a cloruro di xeno (che emette nell'ul-travioletto a 308 nanometri) non è stato,tuttavia, possibile sinora superare un fat-tore di arricchimento tre o quattro, che

porterebbe comunque la percentuale diisotopo fissile a valori prossimi a quellonecessario per i reattori ad acqua naturale.

L'impiego di un metodo come questo,che non usa la selettività della radiazioneultravioletta, si basa sull'ipotesi che l'ecci-tazione nell'ultravioletto conduca a statielettronici dissociativi, oppure che la com-plessità dei moti interni molecolari ad alte

104

105

CAVITÀ LASERMODI DELLA CAVITÀ

1 1 1 1 11 I I I I I I I

SPECCHIODI USCITA

e INTERFEROMETRO

a

CURVA DIGUADAGNO A

SOGLIA DI All hkGUADAG711/ \

MEZZO ATTIVO

La cavità ottica di un laser è formata usualmente da due specchi dei qualiuno parzialmente riflettente per permettere l'uscita della radiazione (a).Questi due specchi definiscono le caratteristiche spettrali dell'emissionelaser, determinando la cosiddetta struttura modale del campo elettroma-gnetico all'interno della cavità. Per comprendere meglio questa caratte-ristica si prenda come esempio un altro fenomeno relativo alle onde, lavibrazione di una corda vincolata agli estremi. La corda può vibrare invari modi, che hanno in comune il fatto che la semilunghezza dell'ondapuò solo essere un sottomultiplo della distanza fra gli estremi fissi dellacorda. Nel laser gli specchi determinano lo stesso effetto dei punti fissi:la radiazione generata nella cavità può solo avere semilunghezze d'ondacorrispondenti a sottomultipli della distanza tra gli specchi. Questi statidel sistema oscillante, corrispondenti a una delle possibili frequenze dirisonanza del sistema, vengono detti modi longitudinali della cavità laser.

Una tipica struttura modale e riportata in b. Se si fornisce energia a unmezzo attivo posto tra i due specchi, in modo tale da aumentarne lapopolazione su uno stato eccitato (inversione di popolazione), il fenome-no dell'emissione stimolata nel mezzo attivo può generare la radiazionelaser. Le possibili frequenze di emissione sono quelle dei modi per i qualiil bilancio tra le perdite della cavità (essenzialmente la radiazione inuscita) e il guadagno dovuto alla presenza del mezzo attivo risulta posi-tivo (e e d). L'andamento del guadagno del mezzo attivo è una funzionedella frequenza. In generale, perciò, il laser emetterà su più frequenzeanche se esse vanno a cadere in un intervallo molto ristretto (emissionein multimodo). Per molte applicazioni e richiesta una migliore purezzaspettrale, che può essere ottenuta ponendo nella cavità laser un sistemarealizzato con reticoli di diffrazione o con étalon (interferometri di Fa-bry-Perot), che limita la banda di emissione a due o tre modi (e-.1).

SPECCHIO 1

FENDITURA

RETICOLO

SPECCHIO O

SPECCHIO 1

TRASLATOREPIEZOELETTRICO

FENDITURA

TRASLATOREPIEZOELETTRICO

Per alcune applicazioni relative all'arricchimento isotopico, le caratteristiche dei laser devonoessere spinte fino a ottenere un singolo modo longitudinale. Per i laser impulsati, la realizzazionedi sorgenti a singolo modo è un problema che esige di trovare soluzioni originali; come esempio,nella figura vengono riportati alcuni dispositivi che utilizzano un interferometro in sostituzionedello specchio di uscita e moltiplicano l'efficacia di questo interferometro sostituendo un reticolodi diffrazione a uno dei suoi specchi. In alto, viene riportato uno schema di principio; in basso,invece, viene riportato lo schema più complesso, relativo a uno dei dispositivi sperimentali chesono stati realizzati. I risultati ottenuti rivestono notevole importanza sia dal punto di vista tecno-logico, poiché questi dispositivi accettano potenze molto più elevate dei dispositivi tradizionalisenza esserne danneggiati, sia dal punto di vista spettroscopico. Infatti è stato possibile ottenereper la prima volta un'emissione laser monomodo in laser a eccimeri e una sintonizzabilità sulsingolo modo in tutta la banda di emissione di laser ad anidride carbonica, facendo variare ladistanza tra gli specchi dell'interferometro. Gli interferometri descritti possono trovare anchevalide applicazioni nella realizzazione di analizzatori (monocromatori) della radiazione luminosa.

energie garantisca, comunque. una totaleridistribuzione dell'energia fornita dal fo-tone su tutti gli stati, cosicché la probabi-lità di dissociazione risulterebbe indipen-dente dall'esatta frequenza del fotone.

Tuttavia, si è osservato recentementeche l'alta densità degli stati di alcune mo-lecole può presentare forti discontinuitàche favoriscono la localizzazione dell'e-nergia. Esperimenti effettuati con impulsilaser di durata dell'ordine di 10 -12 secondihanno dimostrato che l'eccitazione può re-stare confinata su pochi stati limitrofi, pas-sando alternativamente dall'uno all'altro.In questo caso, anche per molecole com-plesse la probabilità di dissociazione puòdipendere fortemente dalla frequenza dellaradiazione ultravioletta utilizzata (si vedala figura a pagina 100).

In assenza di urti, il comportamentodella molecola dipende dalla forma dellasuperficie di potenziale associata allo statoelettronico eccitato. Per molecole com-plesse queste superfici non sono calcolabilicon esattezza; è però possibile misurare ilrendimento di dissociazione, cioè il nume-ro di molecole dissociate, rapportato al

numero di molecole che hanno assorbito laradiazione ultravioletta, in funzione dell'e-nergia del fotone. Si è cosi verificato spe-rimentalmente che in una zona dello spet-tro di assorbimento elettronico dell'esa-fluoruro di uranio la probabilità di disso-ciazione non è affatto uniforme. avvalo-rando l'ipotesi di una non completa ridi-stribuzione dell'energia.

Le implicazioni di queste misurazioniper l'arricchimento isotopico potrebberoessere molto importanti. La probabilità didissociazione varia di un fattore due o trein un intervallo di lunghezze d'onda (e cioèdi energia) confrontabile con l'energia delprimo livello del modo vibrazionale v3 e diun fattore 10 o 15 in un intervallo corri-spondente al salto di due quanti vibrazio-nali. Sembra così possibile realizzare unprocesso a soglia, che risulta particolar-mente efficiente se si eccita selettivamenteil secondo livello vibrazionale con due fo-toni infrarossi. Se la stessa disomogeneitànella dissociazione sarà verificata anche apartire da molecole fredde si potranno rag-giungere selettività elevate anche con ilprocesso basato sull'esafluoruro di uranio.

Sviluppo delle sorgenti laser

La realizzazione di un processo indu-striale di arricchimento fotoassistito ri-chiede lo studio e la messa a punto di sor-genti laser con adatte caratteristiche nonsolo spettrali (lunghezza d'onda, larghez-za e stabilità della banda di emissione) e diintensità, ma anche di durata, affidabilitàdei componenti ed efficienza elettroottica(rapporto tra energia luminosa in uscita edenergia elettrica fornita al sistema). Va no-tato peraltro che proprio le grandi temati-che energetiche dell'arricchimento isotopi-co e della fusione nucleare via laser sonostate il maggior stimolo alla realizzazionedelle più avanzate apparecchiature laserdell'ultimo decennio, con innumerevoli ri-cadute anche in altri settori (si veda l'arti-colo Progressi nella fusione nucleare conil laser di R. Stephen Craxton, Robert L.McCrory e John M. Soures in «Le Scien-ze)) n. 218, ottobre 1986).

Come si è visto, in entrambi i processiconsiderati si tratta di irraggiare un vaporein flusso continuo, di densità elevata. L'ir-raggiamento deve raggiungere tutte le par-

ticelle che interessano, cercando nel con-tempo di utilizzare al meglio i fotoni dellaser. Da queste condizioni derivano le ca-ratteristiche di potenza, frequenza di ripe-tizione degli impulsi e purezza spettrale.

La potenza luminosa richiesta alle sor-genti laser è determinata dalla quantità dimateriale da trattare e quindi dalla densitàe dal volume di vapore da attraversare.Inoltre, tenendo conto dell'attenuazionesubita dal fascio durante la sua propaga-zione nel mezzo assorbente, l'intensità(potenza per unità di superficie) dovrà sa-turare la capacità di assorbimento del si-stema, senza provocare indesiderati assor-bimenti multipli di fotoni che ridurrebberol'efficienza e la selettività dell'eccitazione.

Le prime esperienze dimostrative di ar-ricchimento furono effettuate mediante la-ser con emissione continua nel tempo. Unincremento di cinque-sei ordini di grandez-za sulla potenza disponibile può oggi esse-re realizzato mediante l'uso di laser impul-sati, nei quali la luce viene emessa sottoforma di impulsi brevissimi (10-8 - I 0-9 se-condi), ma ad alta potenza (10 5 -10 6 watt).In questo caso la necessità di irraggiare latotalità del vapore in flusso, in cui le par-ticelle si muovono a velocità dell'ordine di104 centimetri al secondo richiede fre-quenze di ripetizione di oltre 10 000 im-pulsi al secondo.

Le caratteristiche spettrali che devonoavere le sorgenti laser richiedono qualcheconsiderazione a parte. Il laser è general-mente considerato una sorgente di lucemonocromatica, e ciò è certamente verorispetto alle comuni sorgenti luminose; seperò ne analizziamo l'emissione con mag-giore risoluzione, potremo notare che, purall'interno di una banda molto stretta, laluce non è distribuita uniformemente infrequenza, ma presenta una struttura di-screta a gruppi di frequenze (modi). Nelcaso dei laser impulsati la competizione diguadagno tra modi porta a una strutturaspettrale variabile da un impulso all'altro.Poiché, come si è visto, la transizione delsistema atomico o molecolare da eccitarepuò presentare a sua volta una struttura infrequenza, si rende necessario lo sviluppodi una sorgente con una configurazionespettrale il più possibile uniforme e stabilesulla struttura di assorbimento del mezzo.

Per alcune applicazioni spettroscopi-che, dove si richiede un'alta risoluzionespettrale (per esempio quando si usa unfascio atomico o un fascio molecolarefreddo), e per lo sviluppo di alcuni sistemilaser bisogna disporre di radiazione lasera singolo modo. In genere questa viene ot-tenuta in sistemi oscillatori a bassa poten-za e quindi inviata in un mezzo attivo nonracchiuso tra specchi (amplificatore), perottenere, tramite emissione stimolata, i li-velli di potenza necessari. Questo metodoè necessario sia per limitare le perdite dienergia richieste dalla purificazione spet-trale della radiazione, sia per evitare il dan-neggiamento degli elementi ottici che sele-zionano una ristretta banda di frequenze.

Laser a singolo modo con emissionecontinua sono da tempo disponibili in

commercio mentre sono ancora oggetto distudio le sorgenti impulsate. Nelle regionidello spettro ove sono disponibili, i lasercontinui a singolo modo possono essereutilizzati come seme per stimolare l'emis-sione all'interno di amplificatori impulsati.Recentemente radiazione laser a singolomodo nelle regioni spettrali dell'infrarossoe dell'ultravioletto è stata ottenuta diretta-mente da oscillatori impulsati, medianteparticolari dispositivi interferometrici dinuova concezione.

Nella definizione di un efficiente proces-so di arricchimento a uranio atomico lascelta dei paesi a tecnologia più avanza-ta si è rivolta ai laser sintonizzabili a colo-rante, attivati da laser a vapori di rame. Ilaser a colorante (dye laser) sono sisteminei quali il mezzo attivo è costituito dacoloranti in soluzione, che vengono ecci-tati con radiazione proveniente da un altrolaser (laser di pompa) e possono emetteresu una larga banda di lunghezze d'onda(dell'ordine di 10 nanometri), maggioridella lunghezza d'onda della radiazionedel laser di pompa. Per selezionare un par-ticolare intervallo all'interno del campo di

emissione si introducono in cavità alcunicomponenti ottici disperdenti (prismi, reti-coli di diffrazione, interferometri); agendosu di essi, la lunghezza d'onda può esserevariata all'interno di tutto il campo corri-spondente al particolare colorante e, cam-biando colorante, è possibile sintonizzarein tutto lo spettro del visibile e nell'infra-rosso e ultravioletto vicini. I laser a vaporidi rame sono stati scelti come laser di pom-pa grazie alla elevata frequenza di ripeti-zione raggiungibile (maggiore di 10 chi-lohertz), associata a una elevata potenzamedia e alla qualità della radiazione checonsente di pompare con elevata efficien-za coloranti che presentano, all'uso pro-lungato, una minore degradazione delle lo-ro caratteristiche.

Nel caso del processo di arricchimentodell'esafluoruro di uranio gli sforzi sonostati rivolti negli ultimi anni a ottenere unasorgente laser con emissione attorno ai 16micrometri, con almeno una parziale sin-tonizzabilità e discrete caratteristiche diintensità per un'eccitazione vibrazionaleselettiva dell'esafluoruro di uranio 235. Imigliori risultati sinora conseguiti sono

108

109

Realizzare un laser che emetta radiazione a 16 micrometri per eccitareselettivamente l'esafluoruro di uranio 235 è uno dei problemi scientificie tecnologici da risolvere per mettere a punto un processo molecolare diarricchimento. In questo apparato sperimentale si è ottenuta emissionesu circa 20 diverse lunghezze d'onda intorno ai 16 micrometri. Il metodosi basa sull'invio della radiazione di un laser ad anidride carbonica (inprimo piano) in una cavità contenente, come mezzo attivo, tetrafluorurodi carbonio a —100 gradi Celsius (a destra), che assorbe la radiazione

incidente, poiché essa corrisponde alla frequenza di combinazione di duesue vibrazioni (v2 + v4). Le molecole così eccitate decadono sulla solavibrazione vz con emissione di radiazione a 16 micrometri. In pratica,poiché a ogni livello energetico vibrazionale sono associati i relativi livellirotazionali, si possono ottenere varie righe di emissione. Per selezionarneuna e migliorare l'efficienza e la stabilità in energia occorre utilizzare unlaser ad anidride carbonica a singolo modo, sintonizzabile con precisionesu una data transizione rotovibrazionale del tetrafluoruro di carbonio.

stati ottenuti con due tecniche distinte: ilpompaggio ottico e lo spostamento in fre-quenza per effetto Raman.

Entrambe le tecniche utilizzano uno deilaser più potenti ed efficienti oggi a dispo-sizione: il laser ad anidride carbonica, cheemette intorno a 10 micrometri. Nel primocaso la radiazione a 10 micrometri è uti-lizzata come pompa per ottenere emissio-ne laser da un altro gas (o miscela gasso-sa), per esempio il tetrafluoruro di carbo-nio (C F4). Nel secondo caso la radiazionedel laser ad anidride carbonica è inviata suuna cella riempita di paraidrogeno. Nelprocesso di diffusione della luce da partedel paraidrogeno viene eccitato uno deimoti rotazionali di quest'ultimo e la radia-zione diffusa è spostata da 10 a 16 micro-metri. In opportune condizioni la presenzasimultanea della radiazione incidente del-l'anidride carbonica e della radiazione dif-fusa a 16 micrometri forza il sistema aoscillare alla frequenza del paraidrogeno,permettendo cosi di ottenere radiazionecoerente amplificata a 16 micrometri.

Con il pompaggio ottico del tetrafluoru-ro di carbonio si ha una sintonizzabilitàper valori discreti di frequenza, corrispon-denti alle varie righe di emissione del tetra-fluoruro di carbonio. Alla ricerca dellaesatta coincidenza con l'assorbimento del-l'esafluoruro di uranio 235 il numero di ri-ghe possibili può essere moltiplicato usan-do diverse composizioni isotopiche del te-trafluoruro di carbonio o altre sostanzegassose. Analogamente il laser a effettoRaman presenta una sintonizzabilità perrighe, corrispondenti alle diverse righe dellaser ad anidride carbonica di cui riprodu-ce lo spettro. In questo caso tuttavia, unasintonizzabilità pressoché continua puòessere ottenuta utilizzando un laser ad ani-dride carbonica ad alta pressione in cui lerighe sono così larghe da confondersi l'unacon l'altra, producendo una banda quasiomogenea in frequenza.

Le caratteristiche di potenza del siste-ma Raman e la sintonizzabilità di questoconsentono lo studio dei diversi schemi dieccitazione e dissociazione multifotonica

dell'esafiuoruro di uranio. D'altronde, unavolta definito il processo e quindi le fre-quenze necessarie, un sistema laser a pom-paggio ottico potrebbe risultare più econo-mico nella realizzazione e nella gestione.

Per dissociare mediante radiazione ul-travioletta l'esafluoruro di uranio seletti-vamente eccitato possono essere impiegatii laser a eccimeri. sistemi basati su com-posti di gas nobili che esistono solamentein stati elettronici eccitati in una scarica eche, con la transizione stimolata verso lostato fondamentale, dissociano. Questesorgenti raggiungono elevate potenze dipicco e possono emettere a diverse lun-ghezze d'onda nell'ultravioletto, a secondadella composizione della miscela gassosausata. Dopo l'ottimizzazione delle caratte-ristiche spettrali, l'intervallo di lunghezzed'onda utilizzabile può essere esteso me-diante spostamento per effetto Raman. In-fine le caratteristiche di frequenza di ripe-tizione e di efficienza di questi sistemi lasersono tali da poterne prevedere l'uso neglieventuali impianti industriali.

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