approfondimento a cura di Lina Quintieri
Di seguito si espone la principale motivazione per la quale i reattori termici moderati ad acqua (dai quali deriva oggigiorno la maggiore produzione mondiale di elettricità dal nucleare) devono necessariamente usare combustibile arricchito.
Segue la spiegazione di che cosa vuol dire tecnicamente arricchire il combustibile e si risponde alla domanda posta dal web-nauta “quale è la relazione fra l’arricchimento del combustibile ed il consumo di uranio naturale?”.
Nei reattori termici i neutroni 
devono essere rallentati per poter indurre efficacemente l’U-235 a fissionare.
Nei reattori LWR (Light Water Reactor) il ruolo di moderatore è svolto dall’acqua stessa usata come fluido refrigerante. L’acqua leggera (H2O) altro non è che l’acqua di cui facciamo largo uso nel quotidiano ed è così denominata per distinguerla dall’acqua pesante formata dal legame dell’ossigeno con uno degli isotopi più pesanti dell’idrogeno ,il deuterio.
L’acqua leggera ha ottime capacità di moderazione ma purtroppo ha in campo termico un’elevata sezione di cattura neutronica. L’acqua pesante, invece, pur avendo lo stesso potere rallentante dell’acqua leggera, assorbe rispetto a quest’ultima molti meno neutroni. Affinché la reazione di fissione a catena possa autosostenersi il fattore di moltiplicazione deve essere pari all’unità e ciò implica che si mantenga invariato il numero di neutroni di una generazione e di quella immediatamente successiva. In termini pratici, nei reattori termici ad acqua leggera, l’arricchimento isotopico dell’ossido di uranio deve essenzialmente compensare la perdita di quei neutroni che anziche' risultare utili per la reazione di fissione vengono invece assorbiti dalle molecole del moderatore o di altro materiale diverso da quello fissile.
Se si volesse usare l’uranio naturale invece di quello arricchito, bisognerebbe necessariamente ricorrere all’acqua pesante come liquido moderatore-refrigerante. Questa seconda scelta è stata estensivamente applicata in Canada nei reattori CANDU.
Che relazione c’è fra l’arricchimento del combustibile e il consumo di uranio naturale?
Il combustibile nucleare corrisponde ad una miscela di isotopi fertili e fissili in proporzione ben definita. Per esempio, la percentuale in peso dell’isotopo U-235 nell’uranio naturale è pari a circa 0.7, mentre il rimanente 99.3 è essenzialmente costituito di U-238. Il combustibile impiegato nella maggior parte dei reattori nucleari di potenza deve, invece, avere un tenore di U-235 maggiore di quello dell’uranio naturale.
Si definisce arricchimento il rapporto fra i nuclei fissili e i nuclei totali (fissili + fertili) di una medesima specie chimica.
Si può mostrare che, in generale, un piccolo arricchimento di uranio migliora cospicuamente la capacità di moltiplicazione neutronica del combustibile.
Il processo di arricchimento dell’uranio naturale richiede adeguate tecnologie e la predisposizione di opportuni impianti, all’uscita dei quali, si avranno composti dell’uranio con una percentuale in peso dell’isotopo 235 maggiore di quella caratteristica dell’uranio naturale e una coda costituita da prodotti dell’uranio con un tenore di U-235 inferiore a quello dell’uranio arricchito.
Negli impianti di arricchimento isotopico attualmente impiegati il tenore di U-235 delle code è tipicamente pari a circa lo 0.2%. I
l rapporto fra la quantità di uranio naturale e di prodotto arricchito dipende ovviamente dal valore finale dell’arricchimento richiesto. Il consumo di uranio naturale per produrre 1 Kg di combustibile arricchito è esprimibile con la seguente relazione:
dove “e” indica il valore dell’arricchimento finale desiderato, “ec” è l’arricchimento delle code “en” è l’arricchimento naturale. Ad esempio per avere 1 Kg di uranio arricchito al 3% sono richiesti circa 5.5 Kg di uranio naturale.