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L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: 238U e 235U, nella proporzione di circa 140 a uno. Di questi, solo l'uranio-235 è fissile, cioè il suo nucleo si scinde se colpito da un neutrone. Il più abbondante uranio-238, invece, cattura i neutroni senza subire fissione.
Come fu scoperto da Fermi, la probabilità che si verifichi la fissione dell'uranio-235 aumenta se i neutroni, liberati da determinate reazioni nucleari
con un'energia cinetica di qualche MeV, vengono rallentati finché la loro energia non si riduce a quella di agitazione termica, cioè valori dell'ordine dell'elletronvolt. Per produrre neutroni lenti basta lasciare che le particelle attraversino un moderatore, cioè uno strato sufficientemente spesso di materiale formato da elementi con basso numero atomico, i cui nuclei, per urto, sottraggono energia ai neutroni senza catturarli. I moderatori più utilizzati sono il carbonio (grafite), il berillio e l'acqua (meglio se acqua pesante, cioè acqua in cui l'idrogeno è sostituito con deuterio).

Affinché la fissione, una volta innescata, diventi una reazione a catena capace di auto-mantenersi, è necessario che in media, per ogni nucleo diviso, almeno uno dei neutroni prodotti provochi la divisione di un altro nucleo.
Una certa percentuale dei neutroni va infatti perduta: alcuni Vengono catturati dai nuclei non fissili (238U e impurità), altri sfuggono dal campione di uranio.

Un apparato in grado di produrre energia termica dalla fissione nucleare, mediante una reazione a catena controllata, è chiamato reattore nucleare. I costituenti principali di un reattore sono le barre di uranio, arricchito dell'isotopo 235U, e il moderatore, contenuti nel cosiddetto nocciolo, oltre ai dispositivi di protezione e controllo. Il rapporto R fra il numero dei neutroni prodotti in un reattore e quello dei neutroni perduti dipende sia dalle caratteristiche costruttive del reattore stesso sia dalla quantità dei nuclei fissili rispetto ai nuclei inerti. La più piccola quantità di materiale fissile necessaria affinché abbia luogo una reazione a catena, per la quale è R 1, prende il nome di massa critica. Per controllare la reazione basta far variare il rapporto R inserendo nel nocciolo, oppure togliendo da esso, alcune barre, generalmente di cadmio o acciaio al boro, capaci di catturare i neutroni.

Quando in un processo di fissione nucleare è R 1, la catena di reazioni sviluppa molto rapidamente un'immane quantità di energia. La fissione diventa esplosiva se, per esempio, sono messe rapidamente a con-tatto due masse subcritiche di materiale fissile, tali da superare, nel complesso, la massa critica.

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