Introduzione al fotopolimerizzazione con uranio
Un gruppo di ricerca guidato dall’Università di Padova in collaborazione con il Joint Research Centre della Commissione Europea e i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN ha ottenuto la prima stampa 3D di monoliti strutturati a base di uranio impiegando la tecnologia Digital Light Processing (DLP). A differenza delle consuete resine, l’inchiostro utilizzato sfrutta ioni uranili (provenienti da nitrato di uranio) come fotocatalizzatori. In questo modo il processo converte in un unico passaggio il precursore sol–gel in composti di carburo di uranio (UCₓ), evitando l’introduzione di iniziatori organici e migliorando la purezza finale del materiale.
Sintesi dell’inchiostro e stampa
Il team ha messo a punto un inchiostro acquoso in cui il nitrato di uranio si lega al citrato, stabilizzando il complesso; la saccarosio funge da fonte di carbonio e da legante, mentre il PEGDA (polietilenglicole di peso molecolare 575) costituisce la matrice fotopolimerizzabile. Un comune dispositivo DLP è stato impiegato per realizzare geometrie intricate con risoluzione di circa 12 μm. Dopo la fase di stampa, i pezzi sono stati sottoposti a sinterizzazione a 1 700 °C in atmosfera di argon, ottenendo nanocompositi di UC, UC₂ e carbonio grafitico con porosità raggiungibile fino al 91,9 % e superficie specifica pari a 59,3 m²/g.
Meccanismo di fotoiniziazione senza componenti organici
L’esposizione UV–vis promuove un trasferimento di carica dal ligando citrato all’uranio, generando radicali capaci di estrarre atomi di idrogeno dal PEGDA e dare avvio alla reticolazione del polimero. L’adozione di questa strategia semplifica la formulazione dell’inchiostro e aumenta la compatibilità con sistemi a base d’acqua, riducendo il numero di componenti chimici necessari.
Caratterizzazione microstrutturale
Le analisi XRD e Raman hanno confermato l’assenza di ossidi di uranio non desiderati e la formazione delle fasi UC e UC₂; la morfologia, osservata con SEM-EDX, ha evidenziato distribuzione omogenea degli elementi senza segregazioni di fase. Nonostante un restringimento dimensionale intorno al 10 % durante la sinterizzazione, le parti mantengono la geometria di progetto, un aspetto fondamentale per applicazioni nei target ISOL (Isotope Separation On-Line), dove serve garantire un rilascio rapido e controllato dei radioisotopi.
Applicazioni nei settori nucleare e medicale
Oltre ai target per la produzione di radioisotopi nell’ambito degli esperimenti dell’European Isotope Separation On-Line Radioactive Ion Beam Facility (EURISOL), la tecnologia DLP con uranio apre nuove prospettive per carburanti nucleari avanzati. Aziende come Framatome e Westinghouse, attive nella progettazione di elementi combustibili, potranno studiare configurazioni a elevata superficie interna per ottimizzare il trasferimento di calore. Nel campo della medicina, produttori di radiofarmaci quali Ion Beam Applications (IBA) potrebbero realizzare geometrie personalizzate per sorgenti di irraggiamento a scopo diagnostico e terapeutico.
Prospettive e collaborazioni industriali
La metodologia si presta ad estensioni verso altre chimiche dell’uranio, come l’ossido UO₂, e potrà integrarsi con sistemi di monitoraggio in situ, per aggiustamenti dinamici durante la stampa. Le sinergie tra università, centri di ricerca e imprese—ad esempio la collaborazione in corso tra INFN-Legnaro e la startup italiana Additive3D Solutions—favoriranno il trasferimento dei risultati in ambito industriale. Sessioni dedicate presso convegni come l’“Additive Manufacturing Advantage: Energy” metteranno a confronto specialisti del settore nucleare e dell’additive manufacturing per definire protocolli di produzione qualificata.
