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TEORIA DELLA FISSIONE NUCLEARE - 1

Introduzione

La fissione nucleare (in fisica nucleare semplicemente fissione) è un processo durante il quale il nucleo di un atomo si divide in due o più nuclei più piccoli (prodotti della fissione) e, di solito, alcune altre particelle come sottoprodotto. La fissione è perciò una forma di trasmutazione elementale.
Fra i sottoprodotti vanno inclusi neutroni liberi, fotoni (di solito raggi gamma), e altri frammenti nucleari come le particelle alpha e beta. La fissione di elementi pesanti può rilasciare abbondanti quantità di energia utilizzabile, in forza di raggi gamma e di energia cinetica dei frammenti. La fissione nucleare è utilizzata per produrre energia attraverso un impianto nucleare o per innescare l'esplosione di armi nucleari, come nel caso della bomba atomica.

La fissione è utile come fonte di energia perché alcuni materiali, chiamati combustibili nucleari, generano neutroni come parte del processo di fissione e nello stesso tempo subiscono una fissione innescata da neutroni liberi. I combustibili nucleari possono far parte di una reazione a catena che si autosostiene: questa reazione rilascia energia, in forma controllata (in un reattore nucleare) o in maniera incontrollata e molto rapida (in una bomba nucleare).

L'ammontare di energia contenuta in una data quantità di combustibile nucleare è milioni di volte superiore rispetto a quella contenuta in una pari quantità di un combustibile chimico come, ad esempio, la benzina. Questo rende la fissione nucleare una fonte di energia molto appetita, anche se i prodotti di scarto della fissione nucleare sono altamente radioattivi, e lo rimangono per migliaia di anni, generando un problema di smaltimento delle scorie.

Le preoccupazioni in merito all'accumulazione delle scorie nucleari e l'immenso potenziale distruttivo delle armi nucleari fanno da contrappeso alle qualità positive della fissione come fonte di energia, e generano un intenso dibattito politico sull'argomento.

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Fisica della fissione nucleare

La fissione nucleare si differenzia dalle altre forme di decadimento radioattivo per il fatto che può essere provocata e controllata nel corso di una reazione a catena.
Isotopi chimici che possano sostenere una reazione a catena nucleare sono chiamati combustibili nucleari, e sono detti materiali fissili.
I più comuni combustibili nucleari sono l'Uranio 235 (U235, un isotopo dell'uranio con massa atomica 235) e il Plutonio 239 (Pu 239, un isotopo di plutonio con massa atomica 239). Questi combustibili si dividono in un insieme di elementi chimici con massa atomica di circa 100 (prodotti di fissione).
Molti combustibili nucleari subiscono una fissione spontanea molto lenta, disintegrandosi gradualmente nel corso di milioni di anni. In un reattore nucleare, o in un'arma nucleare, la fissione è indotta dal bombardamento con altre particelle, come ad esempio il neutrone.

La tipica fissione nucleare rilascia svariate centinaia di MeV (Megaelettronvolt, milioni di elettronvolt) di energia per ogni singolo atomo di combustile sottoposto a fissione, che è la ragione per cui la fissione nucleare viene utilizzata come forma di energia. Per contrasto, la maggior parte delle reazione di ossidazione chimica (come, ad esempio, la combustione del carbone) rilasciano al massimo poche decine di eV. Il combustibile nucleare contiene quindi da una a dieci milioni di volte più energia utilizzabile di un qualsiasi combustibile chimico.

L'energia di una fissione nucleare è rilasciata sotto forma di energia cinetica, data dai prodotti e dai frammenti della fissione stessa, e sotto forma di radiazione elettromagnetica (raggi gamma); in un reattore nucleare questa energia viene convertita in calore quando le particelle e i raggi gamma si scontrano con gli atomi che compongono il nucleo del reattore e il suo refrigerante (solitamente acqua).

La fissione nucleare produce energia perché l'energia di legame dei nuclei di massa intermedia (con numeri atomici e masse atomiche vicine a quelle del Fe56) è maggiore dell'energia di legame dei nuclei molto pesanti, per cui quando i nuclei pesanti vengono spezzati si libera energia.
La massa totale dei prodotti della fissione di una singola reazione è inferiore alla massa originale dei combustibili nucleari, e la differenza è rappresentata dall'energia in eccesso che viene liberata in accordo con la formula di Einstein e=mc².

La differenza nell'energia di legame è dovuta all'interazione delle due forze fondamentali che agiscono sui nucleoni (protoni e neutroni) che compongono il nucleo.
I nuclei sono tenuti assieme dalla forza nucleare forte, attrattiva, che agisce fra i nucleoni e che supera l'intensa repulsione elettrostatica fra i protoni. Comunque, la forza nucleare forte agisce unicamente su distanze estremamente ridotte (seguendo il potenziale di Yukawa), per cui i nuclei di dimensioni maggiori sono legati meno fortemente dei nuclei di dimensioni minori e rompere un grande nucleo in due o più nuclei di dimensioni intermedie rilascia energia.

A causa del ridotto raggio d'azione delle forze di legame, i nuclei pesanti contengono in percentuale più neutroni dei nuclei degli elementi leggeri che, con una proporzione fra neutroni e protoni di 1:1, sono più stabili.
I prodotti della fissione hanno, generalmente, la stessa proporzione fra neutroni e protoni dei nuclei da cui derivano; sono perciò normalmente molto instabili, avendo troppi neutroni rispetto agli isotopi stabili di massa atomica comparabile. Questa è la principale ragione dell'alto tasso di radioattività delle scorie dei reattori nucleari: i prodotti della fissione tendono ad essere beta-emettitori, liberandosi di elettroni ad alta energia per conservare la carica elettrica mentre all'interno del nucleo i neutroni diventano protoni.

I più comuni combustibili nucleari, l'U235 e il Pu239, non costituiscono di per sé un gran rischio radiologico: l'U235 ha una vita media che si misura in miliardi di anni, e anche se il Pu239 ha una vita media di soli 25.000 anni è un emettitore puro di particelle alpha e perciò non è pericoloso a meno che non venga ingerito.
Una volta che un elemento combustibile è stato utilizzato si mischia con prodotti di fissione altamente radioattivi che emettono particelle beta altamente energetiche e raggi gamma. Alcuni prodotti di fissione hanno una vita media di pochi secondi, altri di decine di migliaia di anni, e richiedono una stivaggio di lungo periodo in impianti appositi, come nelle Montagne Yucca negli Stati Uniti, fino a quando i prodotti della fissione decadono in isotopi stabili, non radioattivi.

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Fisica dei reattori a fissione

I reattori nucleari utilizzano una reazione a catena per indurre un rateo controllato di fissione in un combustibile nucleare.
Un reattore nucleare è composto da un blocco di combustibile nucleare (nucleo del reattore), normalmente circondato da un moderatore di neutroni come l'acqua, la grafite o l'idruro di zirconio, e da meccanismi come le barre di controllo che permettono moderare il tasso di reazione.

I reattori vengono costruiti per tre scopi principali, che normalmente comportano tre progettualità distinte:

• i Reattori di Potenza hanno lo scopo di produrre calore tramite l'energia nucleare, come parte di una stazione di generazione di energia o di un motore nucleare (come nei sottomarini);
• i Reattori di Ricerca hanno lo scopo di produrre neutroni e/o rendere attive fonti radiologiche per scopi scientifici, medici, ingegneristici o altri scopi di ricerca;
• i Reattori Fertilizzanti hanno lo scopo di produrre Pu239 (un combustibile nucleare) dall'U238, che in natura è molto abbondante ma che non è un combustibile nucleare.

Anche se, in linea di principio, tutti i reattori possono operare per tutti e tre gli scopi, in pratica la destinazione d'uso comporta differenti obiettivi ingegneristici, e la gran parte dei reattori viene costruita avendo in mente un solo obiettivo principale (esistono diversi esempio contrari, soprattutto nei progetti più vecchi, come il Reattore N di Hanford, ora non più in servizio).

I reattori di potenza generalmente convertono l'energia cinetica dei prodotti della fissione in calore, che viene usato per scaldare un fluido refrigerante che muove una turbina, che a sua volta produce energia elettrica o meccanica.
Il fluido refrigerante è di solito acqua, ma in alcuni reattori si usa l'elio gassoso.
I reattori di ricerca producono neutroni che vengono utilizzati in molte maniere; in questo caso il calore generato dalla fissione viene considerato un sottoprodotto di scarto, inevitabile ma indesiderato.
I reattori fertilizzanti sono una variante specializzata dei reattori di ricerca, in cui il campione che viene irradiato è di solito il nucleo del reattore stesso, un insieme di U238 e di U235.

Tutti i combustibili nucleari subiscono un certo grado di fissioni spontanee, che rilascia un certo numero di neutroni liberi in ogni campione di combustibile. Questi neutroni di solito escono velocemente dal combustibile e decadono in protoni (che hanno una vita media di 15 minuti) o impattano con altri nuclei nelle vicinanze, da cui vengono assorbiti.
Comunque, i combustibili nucleari possono subire una fissione indotta dall'impatto con neutroni liberi. Se abbastanza combustibile è confinato in un posto e se i neutroni liberi sono intrappolati in numero sufficiente, allora queste fissioni indotte possono rimpiazzare o superare di numero i neutroni persi per fuga o assorbimento, e la fissione spontanea diviene una reazione a catena.

Questo combustibile confinato è chiamato “insieme critico” o, colloquialmente, “massa critica”, dove il termine “critico” indica la cuspide della curva delle equazioni differenziali che regolano il flusso di neutroni nel nucleo del reattore. La quantità effettiva di “massa critica” di un combustibile nucleare dipende fortemente sia dalla geometria (come è disposto il combustibile stesso) sia dai materiali di confinamento e moderazione.