Fissione nucleare - Ricerca

La fissione nucleare

Definizione

• La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui atomi di uranio 235, plutonio 239 o di altri elementi pesanti adatti vengono divisi in frammenti in un processo che libera energia.

• È la reazione nucleare più facile da ottenere, ed è comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bombe atomiche, quali le bombe all’uranio (come quella di Hiroshima) o al plutonio (come quella che colpì Nagasaki). Tutte le bombe a fissione nucleare vengono militarmente etichettate come Bombe Astoria.

• I primi processi di fissione vennero ottenuti nel 1936 da un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi, mentre bombardavano dell'uranio con neutroni rallentati per mezzo di paraffina. Il gruppo di fisici però non si accorse di ciò che era avvenuto. Alla fine di Dicembre 1938, due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn e il suo giovane assistente, furono i primi a realizzare e capire che un nucleo di uranio 235, colpito, quando assorbe un neutrone si rompe in due o più frammenti ed ha luogo così la fissione del nucleo. A questo punto per i chimici e fisici nucleari di tutto il mondo fu chiaro che si poteva usare questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari.

Come avviene la fissione

Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile assorbe un neutrone si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni che decadono a catena fino a che arrivano ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti in media 2.3 neutroni liberi. L'energia liberata dalla rottura di 1 nucleo di U235 è di 211,5 MeV, una quantità elevatissima data dalla formula dove la prima massa è la massa del nucleo di U235 mentre la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti. c è la costante che rappresenta la velocità della luce nel vuoto (300’000 Km/s). Perciò in questo fenomeno parte della massa iniziale scompare e si trasforma in energia cinetica, ovvero in moto dei prodotti della reazione. In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella reazione nucleare.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di uranio 235 vicini. Se ciò avviene, producono una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni aumenta esponenzialmente, se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile e in tal caso si parla di massa critica. La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile. Se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere sotto tale valore e si ha che la reazione si spegne. Se arriva al di sopra di tale valore si ha che la reazione aumenta esponenzialmente.

Per cui scrivendo:

• Se la disposizione è tale che si abbia R>1 allora il numero di reazioni aumenta,
• Se R<1 diminuisce,
• Mentre se R=1 il numero di reazioni resta stabile e si parla di massa critica.

Reattori nucleari e armi nucleari

La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari e le bombe atomiche (o, meglio, nucleari). Se per i reattori nucleari il valore di R 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 R=1.01) per le armi nucleari si deve avere che il valore di R deve essere il più alto possibile e in tal caso si arriva a R=1.2.

L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: U238 e U235 in rapporto di 150 a 1, dunque l'uranio 235 è solo lo 0.7% del totale dell'uranio, e solo quest'ultimo è fissile. Il processo di arricchimento consiste nell'aumentare la percentuale di uranio U235 a discapito del U238 in modo da...

Descrizione generale di un reattore

Qualunque sia il modello di reattore, esso ha alcune parti componenti fondamentali. La sorgente di energia è il nucleo di combustibile, composto da materiale fissile (tipicamente una miscela di 235U e 238U) che, emettendo neutroni e subendo la fissione ad opera degli stessi, emette energia sotto forma di calore. Questo calore è asportato da un fluido (gassoso o liquido, o che subisce un cambio di fase nel processo) che lo tra...