Schema di una reazione nucleare. 1) Un nucleo diuranio-235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi (kripton ebario) 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-235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.Distribuzione dei prodotti di fissione dell'uranio-235.
A livello teorico fu la chimicaIda Noddack nel 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 daiRagazzi di via Panisperna, il gruppo di giovani fisici italiani guidati 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 Hahn e il suo giovane assistenteFritz Strassmann furono 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 Frisch e a sua ziaLise Meitner ne 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-1 messa in funzione il 2 dicembre 1942) o degli ordigni nucleari (laprima bomba atomica esplose il 16 luglio 1945 neltest Trinity).
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. Gliisotopi prodotti da tale reazione sonoradioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e subiscono una catena didecadimenti beta fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi.L'energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di235U è di211 MeV, una quantità elevatissima data dalla formula
dove la prima massa è lamassa del 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 ec è lavelocità della luce nel vuoto (299792,458 km/s). Perciò in questo fenomeno parte della massa/energia a riposo del sistema iniziale scompare e per laconservazione della massa/energia viene 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 deineutrini emessi al momento della fissione, il resto è sotto forma dienergia elettromagnetica (raggi gamma). L'energia effettivamente sfruttabile comeenergia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione. Per raffronto in un comune processo dicombustione, l'ossidazione di un atomo dicarbonio fornisce 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-235 vicini: 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 catena in 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:
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 moltiplicazione efficace 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 nucleari il valore di K deve essere il più alto possibile e in tal caso si può arrivare a K=1,2.
L'uranio si 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 diarricchimento consiste 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 controllo che hanno lo scopo di controllare la reazione a catena, fanno sì che solo parte dei neutroni emessi venga assorbita dai nuclei di materiale fissile.
Gli atomi con unnumero di massa maggiore hanno una percentuale di neutroni rispetto alpeso atomico più 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 beta più volte. L'emivita di tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochimillisecondi fino a decine di anni. Per questo tutte le reazioni di fissione produconoisotopi radioattivi alcuni 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 lescorie che 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 nucleare dopo lo spegnimento di un reattore o quando diventano non più utilizzabili per produrre energia.[2]
Per costruire dei reattori nucleari che non producano scorie nucleari daglianni cinquanta delXX secolo si 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 progettoITER nel sito francese diCadarache.[3]
