Fissione nucleare

Schema di una reazione nucleare.
1) Un nucleo diuranio-235viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kriptonebario) liberando tre neutroni e dell'energia.
2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio-238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio-235 che si spezza in due atomi liberando due neutroni e dell'energia.
3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei diuranio-235e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

Distribuzione dei prodotti di fissione dell'uranio-235.

Lafissione nucleareè unareazione nuclearein cui ilnucleo atomicodi unelemento chimicopesante (ad esempiouranio-235oplutonio-239)decadein nuclei di atomi di numero atomico inferiore, e quindi di minoremassa,con emissione di una grande quantità dienergiaeradioattività.

Può avvenirespontaneamentein natura oppure essere indotta artificialmente tramite opportuno bombardamento dineutroni.È la reazione nucleare comunemente utilizzata neireattori nuclearie nel tipo più semplice diarma nucleare(bomba A), quali la bomba all'uranio(comeLittle Boyche colpìHiroshima) o alplutonio(comeFat Manche colpìNagasaki).

Storia

La prima fissione nucleare artificiale avvenne nel 1932 ad opera diErnest WaltoneJohn Cockcroft,che, accelerando protoni contro un atomo dilitio-7 riuscirono a dividere il suonucleoin dueparticelle alfa(cioè due nuclei dielio).

A livello teorico fu la chimicaIda Noddacknel 1934 ad ipotizzare per prima la fissione di nuclei pesanti. Il 22 ottobre 1934 la prima fissione nucleare artificiale di un atomo di uranio fu realizzata dal gruppo di fisici italiani deiRagazzi di via Panispernaguidati daEnrico Fermi,bombardando l'elemento conneutroni lenti.Il gruppo però non si accorse di ciò che era avvenuto, ma ritenne di aver prodotto dei nuovielementi transuranici.

Nella notte tra il 17 e il 18 dicembre 1938, il chimico nucleare tedescoOtto Hahne il suo giovane assistenteFritz Strassmannfurono i primi a dimostrare sperimentalmente che un nucleo diuranio-235,qualora assorba un neutrone, può dividersi in due o più frammenti dando luogo alla fissione del nucleo. Due mesi dopoOtto Frische a sua ziaLise Meitnerne descrissero i fondamenti teorici.

A questo punto per i chimici e fisici iniziò a prendere forma l'idea che si potesse utilizzare questo processo, costruendo dei reattori per produrre energia (il primo prototipo dei quali fu laChicago Pile-1messa in funzione il 2 dicembre 1942) o degli ordigni nucleari (laprima bomba atomicaesplose il 16 luglio 1945 neltest Trinity).

Descrizione

Nella fissione nucleare, quando un nucleo dimateriale fissile(ovvero che fissiona con neutroni di modesta energia cinetica, detti termici) o fissionabile (ovvero che fissiona con neutroni di una certa minimaenergia cinetica) assorbe un neutrone, si divide producendo due o più nuclei più piccoli e un numero variabile di nuovi neutroni. Gliisotopiprodotti da tale reazione sonoradioattiviin quanto posseggono un eccesso di neutroni e subiscono una catena didecadimenti betafino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi. L'energiacomplessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di²³⁵U è di211MeV,una quantità elevatissima data dalla formula

$E=M_{^{235}U+n}c^{2}-M_{P}c^{2}$

dove la prima massa è lamassadel sistema formato dal nucleo di²³⁵U e dal neutrone incidente (sistema che si assume fermo nel riferimento del laboratorio), la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti ecè lavelocità della lucenel vuoto (299792,458km/s). Perciò in questo fenomeno parte della massa/energia a riposo del sistema iniziale scompare e per laconservazione della massa/energiaviene convertita in energia di altro tipo: la maggior parte (circa 170 MeV) in energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione (nuovi atomi e neutroni). Circa 11 MeV sono trasportati via come energia cinetica deineutriniemessi al momento della fissione, il resto è sotto forma dienergia elettromagnetica(raggi gamma). L'energia effettivamente sfruttabile comeenergia termicaè di circa 200 MeV per ogni fissione. Per raffronto in un comune processo dicombustione,l'ossidazionedi un atomo dicarboniofornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è un cinquantamilionesimo (1/50 000 000) di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi diuranio-235vicini: se ciò avviene possono produrre una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha unareazione a catenain cui il numero di fissioni aumentaesponenzialmente;se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile ed in tal caso si parla dimassa critica.La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si autoalimenta in maniera stabile ed il numero complessivo di neutroni presente nel sistema non varia. Se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere, ed in tal caso la reazione si spegne, oppure aumentare, e si ha che la reazione cresce esponenzialmente ovvero non è più controllata. Per cui scrivendo:

$K={\frac {\text{neutroni presenti in una generazione}}{\text{neutroni della generazione precedente}}}$

se la disposizione è tale che si abbia K > 1 allora il numero di neutroni aumenta, se K < 1 diminuisce, mentre se K = 1 il numero di neutroni resta stabile e si parla dimassa critica.La quantità K viene definita in fisica del reattore come ilfattore di moltiplicazioneefficace ed è fondamentale nel controllo del reattore stesso.

La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari a fissione e le bombe atomiche (o, meglio, nucleari). Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1 se non di una quantità bassissima (come quando si aumenta la potenza del reattore e allora si può arrivare a K = 1,005) per learmi nucleariil valore di K deve essere il più alto possibile e in tal caso si può arrivare a K=1,2.

L'uraniosi trova in natura come miscela di due isotopi:²³⁸U e²³⁵U in rapporto di 150 a 1, dunque l'uranio-235 è solo lo 0,7% del totale dell'uranio ed è il solo ad essere fissile. Il processo diarricchimentoconsiste nell'aumentare la percentuale in massa di uranio²³⁵U a scapito del²³⁸U in modo da riuscire ad avere un numero di nuclei fissili sufficiente per far funzionare il reattore, in tal caso l'arricchimento varia dal 3% al 5%, o per costruire una bomba atomica, in tal caso l'arricchimento arriva fino al 90%. In una reazione, la presenza di impurità e di atomi di²³⁸U e, nei reattori, di appositebarre di controlloche hanno lo scopo di controllare la reazione a catena, fanno sì che solo parte dei neutroni emessi venga assorbita dai nuclei di materiale fissile.

Residui della reazione

Gli atomi con unnumero di massamaggiore hanno una percentuale di neutroni rispetto alpeso atomicopiù elevata rispetto a quelli con minor numero di massa, per cui un processo di fissione produce dei frammenti di fissione con un numero elevato di neutroni; tali isotopi per diventare stabili devono dunque presentare undecadimento betapiù volte. L'emivitadi tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochimillisecondifino a decine di anni. Per questo tutte le reazioni di fissione produconoisotopi radioattivialcuni dei quali rimangono attivi molto a lungo. Inoltre le reazioni di fissione dell'²³⁵U nei reattori nucleari avvengono in presenza di un gran numero di nuclei di²³⁸U, questi assorbono parte dei neutroni prodotti trasformandosi in²³⁹U (reazione di fertilizzazione) il quale in tempi rapidi decade due volte beta diventandoplutonio-239 il quale ha un'emivita molto più lunga (si dimezza in 24 000 anni). Per cui le reazioni di fissione producono molte sostanze radioattive estremamente nocive, ma mentre lescorieche provengono dai prodotti da fissione decadono in pochi decenni il plutonio resta radioattivo per milioni di anni.

Il decadimento radioattivo produce energia attraverso l'emissione diraggi beta(decadimento beta) e, per questo, è importante raffreddare le barre dicombustibile nuclearedopo lo spegnimento di un reattore o quando diventano non più utilizzabili per produrre energia.

Per costruire dei reattori nucleari che non producano scorie nucleari daglianni cinquantadelXX secolosi stanno studiando dei reattori afusione nucleare,ma per ora tali reattori hanno un funzionamento non continuo (si riesce a tenere 'accesa' la reazione di fusione nucleare per tempi dell'ordine di grandezza della decina di secondi); la ricerca in questo campo tuttavia va avanti, pur fra mille dubbi sulla loro possibile realizzabilità e ipotesi di avere il primo reattore funzionante entro il 2058. Il reattore nucleare a fusione più promettente è quello in corso di costruzione del progettoITERnel sito francese diCadarache.

Voci correlate

• Fissione spontanea
• Energia nucleare
• Energia nucleare nel mondo
• Fusione nucleare
• Reattore nucleare a fissione

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Collegamenti esterni

• Maurizio Cumo,Fissione nucleare: applicazioni,inEnciclopedia della scienza e della tecnica,Istituto dell'Enciclopedia Italiana,2007-2008.
• (EN) Ellis P. Steinberg,nuclear fission,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN)fission,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN)IUPAC Gold Book, "nuclear fission",sugoldbook.iupac.org.