La fissione nucleare è un processo in cui il nucleo di un atomo si scinde in due parti approssimativamente uguali, mediante il bombardamento con neutroni o con altre particelle elementari, e libera energia, perlopiù cinetica.
La prima reazione di fissione artificiale fu realizzata da Enrico Fermi nel 1934, e riconosciuta come tale nel 1938 da Otto Hahn e da Fritz Strassman, sfruttando l’azione di neutroni lenti sull’uranio 235.
Nella fissione, si possono utilizzare nuclei di materiale fissile, che cioè producono energia con neutroni aventi qualsiasi valore di energia cinetica, o nuclei di materiale fissionabile, che necessitano cioè di neutroni con alti valori di energia cinetica detti veloci; tutti i nuclei di elementi pesanti, dal torio in poi, possono subire la fissione.
Si innesca la reazione quando un nucleo assorbe un neutrone e si fissiona producendo due o più nuclei di minore grandezza ed un numero variabile (in media da 2 a 3) di neutroni. Gli isotopi prodotti sono radioattivi, poiché posseggono neutroni in eccesso, e subiscono quindi una catena di decadimenti β, fino a diventare stabili.
L’energia liberata dalla fissione del nucleo di uranio 235 è regolata dalla formula einsteiniana
dove MU235+n è la somma delle masse del nucleo di 235U e del neutrone incidente, e MP è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti. La somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti è leggermente minore della somma delle masse dei reagenti; la massa mancante si è trasformata in energia.
I neutroni prodotti possono dissiparsi come radiazioni, essere assorbiti da 238U ed essere persi nel bilancio, oppure possono essere assorbiti da nuclei di 235U vicini; così facendo si produce una nuova fissione del nucleo, ottenendo una reazione a catena.
L’arresto o la continuazione della fissione dipende da una costante K, definita come
Se K>1, il numero di neutroni aumenta, dando origine ad una reazione incontrollata, tipica delle bombe nucleari (K=1,2); se K<1, il numero dei neutroni diminuisce, e la reazione si spegne; infine, se K=1, il numero di neutroni resta stabile e si parla allora di massa critica, ossia quella concentrazione e disposizione di nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile. In un reattore nucleare è necessario che il valore di K non superi l’unità o, se ciò accade, in quantità bassissima (K=1,005).
L’elemento maggiormente utilizzato nella fissione è l’uranio, che in natura si presenta come miscela di due isotopi, 238U e 235U, in un rapporto 150:1, e solo 235U è fissile. Si ricorre quindi spesso all’arricchimento, che consiste nell’aumentare la percentuale di 235U a scapito del 238U per poter avere un numero sufficiente di nuclei per far funzionare il reattore. In natura l’uranio 235 è solo lo 0,7% dell’uranio totale, e col processo di arricchimento lo si porta a 3% o 5% per il funzionamento del reattore, o anche al 90% per la costruzione delle bombe atomiche. La quantità di 238U è comunque importante poiché permette di controllare il numero di neutroni che continueranno la reazione di fissione, grazie al fatto che li assorbe senza scindersi.
CENTRALE NUCLEARE A
FISSIONE
Una centrale nucleare a fissione è composta da un edificio
di contenimento del reattore (un enorme cilindro di cemento armato e/o acciaio
in cui è collocato il reattore), da una sala macchine e da edifici ausiliari per
la conservazione del materiale esausto.
Il calore provocato dalla fissione dell’uranio fa evaporare
dell’acqua pompata attraverso il nocciolo del reattore; il vapore viene inviato
alle turbine che trasferiscono l’energia meccanica all’alternatore, il quale genera
la corrente elettrica.
Parte fondamentale della centrale è comunque il reattore,
luogo in cui far avvenire le reazioni di fissione in maniera controllata, e del
quale sono stati realizzati diversi tipi a partire dagli anni ’40; inizialmente
lo scopo principale era quello di produrre materiale adatto alla realizzazione
di armi nucleari, e solo successivamente si è aggiunta la produzione di energia
elettrica. I reattori sono equipaggiati con barre di controllo che permettono
la regolazione della reazione e della potenza generata, e le aperture per
l’inserimento del materiale fissile e l’estrazione del materiale esausto.
Di Adriano Viganò
