Si conclude il programma Megatons to Megawatts: armi nucleari russe per combustibile elettronucleare americano.

Lo scorso 14 novembre è partito dal porto di San Pietroburgo diretto a Baltimora il cargo Atlantic Navigator con l’ultimo carico di uranio debolmente arricchito (LEU) prodotto per gli impianti elettronucleari americani a partire dall’uranio altamente arricchito (HEU) estratto da testate nucleari russe, nell’ambito del programma Highly Enriched Uranium Agreement noto come “Megatons to Megawatts” [1].

Si tratta di 40 speciali cilindri contenenti 91 t di esafluoruro di LEU (UF6) arricchito a circa il 4,4% nella componente di uranio-235 (per circa 61 t di uranio) , prodotto a partire dal HEU al 90% di circa 80 testate nucleari [2]: alla partenza della nave erano presenti dignitari russi e americani, fra cui Rose Gottemoeller, il sottosegretario americano per il controllo degli armamenti e la sicurezza internazionale. L’arrivo del cargo è previsto per il 10 dicembre; da Baltimora il carico continuerà verso l’impianto di diffusione gassosa di Paducah (Kentucky) per trattamenti ulteriori preliminari alla produzione di elementi di combustibile.

Figura 1. Cilindri B 30 contenenti LEU solido prodotto nell’ambito del programma Russo-americano “Megatons to Megawatts” (foto USEC).

Il programma ventennale Megatons to Megawatts [3], firmato il 18 febbraio 1993 a seguito di un accordo fra i presidenti americano e russo, ha assicurato la conversione in LEU di 500 t di HEU proveniente da circa 20.000 bombe nucleari russe con la produzione di oltre 15.000 t di combustibile adatto per centrali elettronucleari. Il piano, nato dal suggerimento di Thomas L. Neff, un fisico del MIT [4], mirava a più obiettivi:

• eliminare in via definitiva un’enorme quantità di uranio altamente arricchito, annullando così il rischio di un suo impiego per armi nucleari,
• accelerare lo smantellamento delle armi sovietiche in eccesso rispetto agli accordi START, il cui progresso si scontrava con i problemi economici russi del tempo,
• evitare l’accumulo di enormi quantità di materiale fissile militare in presenza di sistemi di controllo e protezione fisica non sempre adeguati,
• agevolare la riconversione dei laboratori e degli scienziati russi dal settore militare a quello civile, riducendo il pericolo dell’esodo di esperti e di attrezzature sensibili verso potenziali proliferatori,
• fornire alla Russia delle risorse economiche nella difficile situazione economica alla fine dell’Unione Sovietica,
• ridurre la produzione americana di LEU, con un notevole risparmio energetico,
• salvaguardare l’ambiente dal possibile inquinamento radioattivo a causa di dispersione di HEU senza le necessarie cautele.

Il negoziato
Il negoziato russo-americano richiese 18 mesi di intensi contatti nel contesto dei colloqui “per lo smantellamento sicuro e protetto” delle armi nucleari e del programma Nunn-Lugar per la messa in sicurezza degli armamenti ex-sovietici [5]; l’assoluta novità del progetto, cui le burocrazie russa e americane non erano preparate, competizioni interne fra le diverse agenzie implicate, le implicazioni economiche e le sue ripercussioni sul mercato mondiale dell’uranio e dei servizi di arricchimento hanno reso necessario [6]:

• risolvere i problemi legislativi interni ai due paesi riguardanti il commercio di materiale fissile,
• individuare le necessarie strutture operative commerciali nei due paesi (l’United States Enrichment Corporation – USEC di proprietà del governo, poi privatizzata nel 1998, e laTechsnabexport – TENEX del Rosatom responsabile dal 1963 delle esportazioni industriali i processi di arricchimento dell’uranio),
• definire i rapporti con l’Ucraina per l’utilizzo di armi nucleari stazionate sul suo territorio: con l’accordo trilaterale di Mosca [7] (gennaio 1994) l’Ucraina riceverà combustibile per i suoi reattori),
• individuare e convenire le procedure di controllo reciproco sul rispetto degli accordi, in particolare che l’HEU russo provenga effettivamente dallo smantellamento di bombe, e il LEU venga utilizzato dagli USA solo per combustibile elettro-nucleare [8],
• rendere compatibile il programma con le norme previste dall’Agenzia Atomica di Vienna (IAEA) e dalla Convenzione per la protezione fisica del materiale nucleare,
• definire le procedure operative nei due paesi e realizzare gli impianti necessari.

L’accordo quadro raggiunto nel 1993 prevedeva la definizione di ulteriori accordi per la definizione delle forme di controllo reciproco e la definizione di contratti economici; per i primi anni i negoziati avvennero sia a livello governativo che fra TENEX e USEC; il contratto firmato il 14 gennaio 1994, prevedeva l’acquisto da parte americana nel corso di 20 anni di esafluoruro di LEU al 4,4% prodotto in Russia a seguito della trasformazione di 500 t di HEU al 90%; ulteriori contratti hanno via via aggiornato gli aspetti economici. Globalmente l’USEC ha pagato il costo equivalente all’arricchimento da uranio naturale a LEU (circa 12 miliardi di dollari) e ha messo a disposizione della Russia una quantità di uranio naturale corrispondente a quello che sarebbe stato richiesto per la produzione del LEU (circa 163.000 t di ossido d’uranio, per 5 miliardi di dollari); quest’ultimo in parte è stato trasferito in Russia e in parte venduto per conto della Russia a tre compagnie occidentali, Cameco (Canada), GOGEMA (Francia) e RWE NUKEM (Germania); altro uranio naturale di spettanza russa è stato acquistato dal Department of Energy (DOE) americano [9].
Particolare attenzione è stata dedicata ai sistemi di controllo reciproco per il rispetto del trattato, nel rispetto dei segreti militari e industriali, con sistematiche visite di ispettori americani agli impianti di trasformazione russi e verifiche occasionali e misure continue dei flussi di HEU e LEU; negli USA 6 strutture sono soggette al controllo russo: l’impianto operativo dell’USEC (inizialmente il Portsmouth Gaseus Diffusion Plant, successivamente Paducah) e le strutture di produzione del combustibile di Siemens Power Corporation, ABB/Combustion Engineering, Westinghouse Nuclear, Framatome Cogema Fuels, GE Nuclear Energy.

Lo svolgimento del programma
Quattro laboratori ex-militari siberiani sono stati coinvolti nel progetto: le bombe venivano smantellate in quattro città chiuse (Zarechnly (già Penza-19), Lesnoy (già Sverlovsk-45), Trekhgornyy (già Zlatoust-36) e Sarov (Arzamas-16)) e l’HEU estratto inviato per truciolatura, ossidazione e purificazione dalle scorie alla Siberian Chemical Conbine di Severks (già Tomsk-7) e alla Mayak Production Association a Ozersk (già Chelyabinsk-65, già Chelyabinsk-40); Mayak mandava l’ossido di HEU in parte a Severks e in parte al Krasnoyarks Electrochemical Plant a Zelenogorks (già Krasnoyarks-45) per la fluorizzazione e diluizione; Severks trasferiva gran parte del suo fluoruro di HEU per la diluizione al Urals Electrochemical Integrated Plant di Novouralks (già Sverdlovsk-44) [10], presso Ekaterinburg; l’esafluoruro di LEU prodotto nei tre impianti procedeva per San Pietroburgo per l’imbarco verso gli Stati Uniti; nei laboratori della USEC, inizialmente il Portsmouth Gaseus Diffusion Plant e quindi Paducah, nel Kentuky, avvengono gli aggiustamenti finali prima della sua consegna a 5 impianti americani per la produzione di combustibile per i reattori [11].

Figura 2. I laboratori russi coinvolti nel programma Megatons to Megawatts (Lawrence Livermore National Laboratory).

La Russia decise di coinvolgere più impianti nell’operazione al fine di garantire lavoro e finanziamenti a città già dedicate alla produzione di armi nucleari, che la fine della guerra fredda lasciava senza risorse; i lunghi spostamenti in treno di materiale fissile, in particolare composti di HEU, non soggetti a controllo americano, sono stati motivo di preoccupazione per i rischi di furto o diversione.
La prima consegna di LEU prodotto nel contesto dell’accordo si ebbe nel giugno 1995 con 18 t di LEU derivante da 786 kg di HEU; le quantità di HEU trattato è andato crescendo fino a stabilizzarsi dal 2000 in poi al ritmo di circa 30 t di HEU trasformate annualmente: da allora il LEU prodotto copre circa il 45% delle necessità americane di combustibile, ossia il 10% della produzione di energia elettrica americana. Il programma produrrà in tutto oltre 15.000 t di LEU, in grado di generare 6.000 miliardi di kWh, equivalenti a 10,3 miliardi di barili di petrolio, il carico di 10.000 super-petroliere.

Il processo di produzione di LEU da HEU
Esiste un metodo immediato per l’eliminazione dell’HEU: la sua riduzione a LEU mediante miscelamento con uranio a basso tenore di uranio-235. Al fine di non sprecare le risorse impiegate per l’arricchimento, conviene miscelare l’HEU con materiale arricchito all’1,5%, piuttosto che con uranio naturale o impoverito [12]; un’ulteriore ragione di questa scelta mira alla diluizione delle componenti di uranio-234 e 236 (parassiti che assorbono neutroni) presenti nel materiale fissile delle bombe in seguito ai vari riprocessamenti cui è di solito sottoposto; tale diluizione è imposta dalle condizioni previste dalle norme internazionali di commercializzazione per i combustibili elettronucleari [13]; la riduzione dell’uranio-234, fortemente radioattivo, essendo anche necessaria per ridurre l’esposizione del personale alle radiazioni.
La procedura di conversione avviene attraverso più fasi [14], schematizzate in fig. 3. Anzittutto l’HEU in forma metallica viene isolato dagli altri componenti della bomba, o altra struttura d’impiego, e ridotto in trucioli. I trucioli metallici sono quindi riscaldati e convertiti in ossido di HEU (U3O8), che subisce una purificazione chimica da eventuali contaminanti. L’ossido di HEU viene successivamente trasformato in esafluoruro di HEU (UF6), che riscaldato assume la fase gassosa. La diluizione avviene appunto in fase gassosa miscelando l’esafluoruro di HEU con l’esafluoruro di LEU all’1,5% (prodotto arricchendo uranio naturale o impoverito) in modo da ottenere esafluoruro di LEU al 4,4%, che poi è raffreddato a fase solida; successivamente il materiale viene defluorizzato e ridotto a ossido di LEU (UO2). Verificata la qualità commerciale, eventualmente corretta con qualche intervento, si procede alla produzione delle pastiglie del combustibile per reattori.

Fig. 3 Schema delle fasi di diluizione di HEU a LEU per combustibile elettronucleare. Vedi allegato

In questo processo, partendo da 1.000 kg di HEU (sufficiente per 40 bombe) e 29.517 kg di LEU all’1,5% (prodotto a partire da 86.181 kg di uranio naturale) si ottengono 30.517 kg di LEU al 4,4%, quanto serve al funzionamento di un impianto da 1GWe per un anno e mezzo.

Prospettive
Il programma Megatons to Megawatts è stato indubbiamente un importante strumento di disarmo, lotta alla proliferazione e al terrorismo nucleare e il principale caso economicamente significativo di riconversione di armi e impianti militari a scopo civile, oltre a costituire un importante tassello nei rapporti di collaborazione fra Russia e Stati Uniti.
Per motivi di natura economica, il programma non è stato esteso: sulla base di un nuovo accordo commerciale, la Russia continuerà a fornire LEU alla USEC per gli impianti americani, per quantità circa metà di quelle previste da Megatons to Megawatts, ma utilizzando uranio naturale e non l’HEU delle sue armi.
Rimane a livello internazionale il problema di eliminare quanto prima le scorte di HEU esistenti sottraendolo sia dagli impieghi militari che dagli usi civili; varie iniziative sono in corso [15] ma rimangono ancora oltre 1.300 t di HEU (vedi tabella 1), sufficienti per oltre 50.000 bombe; gli Stati Uniti procedono lentamente alla diluizione del HEU in eccesso e mantengono enormi quantità per impieghi navali. Ulteriori preoccupazioni vengono dalle scorte di plutonio separato, sia di origine militare che civile, che ormai sfiorano le 500 tonnellate; va osservato che il problema dell’eliminazione del plutonio è molto più arduo di quello del HEU e non vi sono concrete iniziative in corso.

Tabella 1. Stima dell’International Panel on Fissile Material [17] della quantità di HEU mondiale alla fine del 2012 (in tonnellate). 

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Alessandro Pascolini
Dipartimento di fisica e astronomia Galileo Galilei
Consiglio direttivo del Centro d’ateneo per i diritto umani,
Università di Padova

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NOTE

[1] A.E. Kramer, Last Shipment of Nuclear Fuel from Russian Bombs heads to U.S., The New York Times, November 14, 2013.
[2] Ricordiamo che l’uranio in natura è una miscela di due isotopi, uranio 238 (con 92 protoni e 146 neutroni) per il 99,3% e uranio 235 (con 92 protoni e 143 neutroni) per lo 0,7%, con tracce di uranio-234; di questi solo l’uranio-235 è in grado di sostenere una reazione di fissione a catena: nei reattori elettronucleari questa si raggiunge con un incremento della frazione di uranio-235 tipicamente del 4-5%, mentre per le armi si richiede un arricchimento attorno al 90%.
[3] Il testo dell’accordo Russian-U.S. agreement concerning the disposition of highly enriched uranium extracted from nuclear weapons si può trovare in SIPRI Yearbook 1994, Oxford University Press, Oxford, Appendix 16A, pp. 672-675.
[4] T.L. Neff, A Grand Uranium Bargain, The New York Times, October 24, 1991; T.L. Neff, 1993, Integrating Uranium from Weapons into the Civil Fuel Cycle, Science & Global Security 3, pp. 215-222.
[5] D. Lockwood, 1994, Nuclear arms control, in SIPRI Yearbook 1994, cit., pp. 669-672.
[6] O. Bukharino, 1994, Weapons to Fuel, Science& Global Security, 4 , pp.179-188.
[7] Il testo dell’ANNEX to Trilateral Staement by the Presidents of the United States, Russia and Ukraine, in SIPRI Yearbook 1994, cit., pp.677-678.
[8] O. Bukharino and H.M. Huntb, 1994, The U.S.-Russian HEU Agreement: Internal Safeguards to Prevent Diversion of HEU, Science & Global Security 4, pp.189-212; A. Parker, 2013, A Transparent Success, “Megatons to Megawatts” Program, Science and Technology, April/May 2013, pp. 16-19.
[9] International Panel on Fissile Materials, 2007, Global Fissile Material Report 2007, Princeton University, Princeton.
[10] Laboratori e città militari segrete costruite per il programma nucleare sovietico avevano anche più denominazioni differenti e dopo la caduta dell’URSS hanno ripreso i nomi originali dei villaggi presso cui erano stati costruiti.
[11] U.S. General Accounting Office, 1999, Status of Transparency Measures for U.S. Purchase of Russian Highly Enriched Uranium, Report GAO/RCED99-194, Washington.
[12] IAEA, 2005, Management of High Enriched Uranium for Peaceful Urposes: Status and Trends, IAEA-tecdoc-1452, Vienna.
[13] American Society of Standards and Testing Materials, 2004, International Standard C 996-04, ASTM, West Conshohocken.
[14] R. Kokoski, 1995, Nuclear weapons destruction, in SIPRI Yearbook 1995, Oxford University Press, Oxford, Appendix 16A.
[15] A. Pascolini, 2008, Una pesante eredità della guerra fredda: le enormi scorte di materiali fissili con potenzialità militari, Pace e diritti umani, V(3), pp. 53-93.
[16]A. Pascolini, 2012, Forme di controllo delle armi nucleari, chimiche e biologiche, in G. Giacomello, A. Pascolini (cur), 2012, L’ABC del terrore. Le armi di distruzione di massa nel terzo millennio, Vita e Pensiero, Milano, pp. 185-206.
[17] International Panel on Fissile Material, 2013, Global Fissile Material Report 2013: Increasing Transparency of Nuclear Warhead and Fissile Material Stocks as a Step toward Disarmament, Princeton University, Princeton.