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TEORIA DELLA FISSIONE NUCLEARE - 3

Moderatori e design di un reattore

L'ammontare e la natura della moderazione di neutroni ha effetto sulla controllabilità, quindi sulla sicurezza, di un reattore.
Poiché i moderatori allo stesso tempo rallentano e assorbono neutroni, esiste una quantità ottimale di elementi di moderazione da includere in una data geometria del un nucleo di un reattore: meno moderatori riducono l'efficacia del sistema riducendo il valore di P_fissione nell'equazione evolutiva, mentre troppo moderatore riduce l'efficacia aumentando il valore di P_fuga nella stessa equazione.

La gran parte dei moderatori diventano meno efficaci al crescere della temperatura, perciò i reattori sotto-moderati sono stabili nei confronti dei cambiamenti di temperatura nel nucleo del reattore: se il nucleo si scalda, la qualità del moderatore si riduce e la reazione stessa tende a rallentare. L'acqua rappresenta il caso estremo: ad alte temperature bolle, producendo un vuoto nel nucleo del reattore senza danneggiare la struttura del reattore stesso, che tende a spegnersi e riduce la possibilità di una fusione del combustibile nucleare.
I reattori sovra-moderat sono instabili nei confronti dei cambiamenti di temperatura, quindi sono meno intrinsecamente sicuri dei nuclei sotto-moderati.

Molti reattori in uso oggi utilizzano una combinazione di materiali di moderazione. Per esempio, i reattori da ricerca di tipo TRIGA usano come moderatore il ZnH2, come combustibile l'U235, un nucleo riempito di H2O e uno strato riflettente di C (grafite) interno al perimetro del nucleo.

Neutroni ritardati e controllo

Le reazioni di fissione e la conseguente fuga di neutroni accadono molto velocemente.
Questo è un aspetto molto importante nelle armi nucleari, in cui l'obiettivo è far sì che un nucleo rilasci quanta più energia possibile prima di esplodere; molti neutroni emessi da una fissione sono “immediati”: essenzialmente, vengono emessi istantaneamente.
Una volta emesso, la vita media di un neutrone (T) in un nucleo tipico è dell'ordine dei millisecondi, per cui se il fattore esponenziale a è piccolo almeno quanto 0.01, allora la potenza del reattore crescerà di un fattore di (1+0.01)¹⁰⁰⁰, ovvero più di diecimila volte, in appena un secondo.
Le armi nucleari sono costruite per massimizzare il rateo di crescita di potenza, con una vita media ben inferiore al millisecondo e il fattore esponenziale prossimo a 2; ma una simile rapida variazione rende praticamente impossibile controllare la reazione nel nucleo di un reattore.

Per fortuna, la vita media effettiva di un neutrone è molto più lunga della vita media di un singolo neutrone all'interno del nucleo. Circa lo 0.65% dei neutroni prodotti dalla fissione dell'U235, e circa lo 0.75% dei neutroni prodotti dalla fissione del Pu239, non vengono prodotti immediatamente, ma sono emessi dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione, che hanno una vita media di circa 15 secondi.
Questi neutroni “ritardati” aumentano la vita media effettiva dei neutroni nel nucleo a circa 0.1 secondi, per cui un nucleo con a pari a 0.01 incrementerà solo di un fattore di (1+0.01)¹⁰, ossia circa 1.1, in un secondo.
Questo è un rateo di crescita controllabile.

Molti reattori nucleari operano perciò in una condizione chiamata subcriticità immediata, criticità ritardata.
I neutroni “immediati” da soli non sono in gradi di sostenere la reazione a catena, ma i neutroni ritardati colmano questa piccola lacuna e mantengono attiva la reazione.
Questo influenza il modo in cui i reattori vengono controllati: quando una piccola parte delle barre di controllo scivola dentro o fuori dal nucleo del reattore il livello di energia cambia, dapprima molto rapidamente a causa della moltiplicazione subcritica immediata, poi più lentamente secondo la curva di crescita o decadimento della reazione critica ritardata.
Inoltre, gli aumenti di potenza possono essere ottenuti piuttosto velocemente, semplicemente estraendo una lunghezza sufficiente di barre di controllo dal nucleo, mentre le diminuzioni hanno una velocità inferiore, anche in un reattore altamente subcritico, perché i neutroni ritardati sono prodotti dall'ordinario decadimento radioattivo e questo non può essere in alcun modo accelerato.

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Storia della fissione nucleare

I risultati del bombardamento di uranio con neutroni si dimostrarono all'inizio interessanti ed enigmatici.
Studiati inizialmente da Enrico Fermi e dai suoi colleghi nel 1934, non furono pienamente compresi che molti anni dopo.
Il 16 gennaio 1939 Niels Bohr di Copenhagen (Danimarca), giunse negli Stati Uniti per trascorrervi molti mesi a Princeton (New Jersey) ed era particolarmente ansioso di discutere di alcuni problemi astratti con Albert Einstein.
Quattro anni più tardi Bohr riuscì a fuggire dalla Danimarca, occupata dai Nazisti, in Svezia, insieme ad altre migliaia di ebrei danesi. Poco prima che Bohr lasciasse la Danimarca, due suoi colleghi, Otto Robert Frisch e Lise Meitner (entrambi a loro volta fuggiti dalla Germania), gli parlarono della loro ipotesi secondo cui l'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio qualche volta causava la rottura del nucleo in parti all'incirca uguali, con il rilascio di una notevole quantità di energia: un processo che battezzarono “fissione”.
La causa di questa ipotesi era stata l'importante scoperta di Otto Hahn e Fritz Strassmann in Germania (pubblicata agli inizi del gennaio 1939 su Naturwissenschaften) che provava la produzione di un atomo di bario a seguito del bombardamento neutronico dell'uranio.
Bohr promise di tenere segreta la teoria di Meitner/Frisch fino a quando non l'avessero pubblicata, per garantirne la priorità, ma sulla nave che lo portava in America ne discusse con Leon Rosenfeld, dimenticandosi però di dirgli di mantenere il segreto.
Immediatamente dopo il suo arrivo, Rosenfeld ne parlò con tutti all'Università di Princeton, e da lì la notizia passò di bocca in bocca fra i fisici fino a raggiungere Enrico Fermi alla Columbia University. A seguito di una conversazione fra Fermi, John R. Dunning e G.B. Pegram, una ricerca venne avviata alla Columbia per individuare le pulsazioni pesanti di ionizzazione che dovevano derivare dai frammenti espulsi da un nucleo di uranio.

Il 26 gennaio 1939 si tenne una conferenza di fisica teorica a Washington D.C., sponsorizzata congiuntamente dalla George Washington University e dalla Carniege Institution.
Fermi lasciò New York per partecipare alla conferenza prima che l'esperimento di fissione alla Columbia venisse tentato. Alla conferenza Bohr e Fermi discussero del problema della fissione; Fermi in particolare menzionò la possibilità che durante il processo potessero venire emessi dei neutroni. Anche se questa era solo una ipotesi, le implicazioni in termini di reazione a catena erano ovvie.
Un certo numero di articoli sensazionalistici venne pubblicato dalla stampa sull'argomento. Prima che la conferenza di Washington fosse finita, molti altri esperimenti volti alla conferma della fissione vennero intrapresi e conferme sperimentali positive vennero riportate da quattro laboratori (Columbia University, Carniege Institution di Washington, John Hopkins University e University of California) sul numero del 15 febbraio 1939 di Physical Review.
A quel punto Bohr sapeva che un simile esperimento era stato condotto nei laboratori di Copenhagen il 15 di gennaio (lettera di Frisch a Nature datata 16 gennaio 1939 e apparsa sul numero del 18 febbraio).
Anche Frédéric Joliot a Parigi rese noti i suoi primi risultati su Comptes Rendus del 30 gennaio 1939.
Da questo momento in avanti ci fu un consistente numero di articoli sull'argomento della fissione: nel momento in cui L.A. Turner scrisse un saggio sull'argomento, pubblicato su Review of Modern Physics del 6 dicembre 1939, erano già apparsi più di un centinaio di articoli. Una analisi e una discussione completa di questi lavori apparvero nel citato saggio di L.A. Turner e su altre pubblicazioni.