Fissione nucleare
Principi teorici della fissione nucleare
Le reazioni di fissione nucleare sono quelle reazioni in cui un nucleo complesso si frantuma in due o più nuclei, come avviene, per esempio, nel processo di fissione dell'uranio con conseguente liberazione di energia nucleare.
Fermi scopri che i cosiddetti neutroni lenti (cioè neutroni dotati di bassa energia cinetica) sono suscettibili di dare luogo a particolari reazioni nucleari.
Fissione dell'uranio
Hahn e Strassmann, nel 1939, scoprirono il fenomeno della fissione dell'uranio.
Un atomo di uranio, entrando in collisione con un neutrone, ha una probabilità (tanto maggiore quanto più il neutrone è lento) di scindersi in vari frammenti dotati di notevole energia cinetica e di liberare, oltre ad altre forme di radiazione, due o tre neutroni veloci.
L'energia liberata nella reazione è quella relativa alla differenza dei difetti di massa fra il nucleo dell'uranio ed i nuclei dei suddetti frammenti di fissione.
In media (esistono diverse modalità con cui può avvenire la fissione) l'energia liberata da ogni nucleo di uranio fissionato è di circa 180 MeV. I prodotti di fissione sono radioattivi ed in breve termine emettono raggi beta e gamma per ulteriori 13 MeV per ogni fissione avvenuta.
È fondamentale attirare l'attenzione sul fatto che, mentre il processo di fissione si attiva per cattura di un neutrone, ne libera successivamente due o tre promettendo pertanto di dare corso ad una reazione autosostenentesi.
I neutroni di fissione sono veloci e quindi poco adatti a produrre ulteriori fissioni, anzi, se collidono con nuclei di uranio, presentano una notevole probabilità di essere catturati secondo una reazione che dà luogo a nettunio che per decadimento radioattivo si trasforma poi in plutonio secondo lo schema:
238U + n0 → 239U
239U → 239Np
239Np → 239Pu
La probabilità di catture di questo tipo è particolarmente elevata per energie intermedie fra quella di fissione e quella di agitazione termica.
È necessario pertanto sottrarre i neutroni di fissione, finché non sono diventati lenti, agli urti con l'uranio. Il rallentamento deve essere rapido ed è effettuato grazie ad urti elastici con opportuni nuclei di altra natura, appositamente predisposti in vicinanza dell'uranio.
Moderatore e combustibile nelle reazioni di fissione nucleare
La meccanica classica insegna che nell'urto elastico di due corpi quello più veloce cede energia a quello più lento per frazioni tanto più grandi quanto più quest'ultimo è leggero. Inoltre, non sempre questi urti fra neutrone e nuclei si risolvono in un puro e semplice trasferimento di energia cinetica, ma a seconda della velocità del neutrone e della natura del nucleo colliso si ha una certa probabilità che quest'ultimo catturi il neutrone.
Di conseguenza il materiale rallentante, di cui abbiamo ravvisato la necessità, deve essere costituito da nuclei essenzialmente leggeri e di bassa attitudine alla cattura dei neutroni.
In ingegneria nucleare questo materiale viene chimato moderatore, l'uranio (o il plutonio) viene chiamato combustibile, mentre l'opportuno assemblaggio di questi due materiali prende il nome di struttura moltiplicante.
L'idrogeno, essendo il più leggero dei nuclei, è un ottimo rallentatore, ma purtroppo è anche un notevole catturatore di neutroni, per cui le sue prestazioni come moderatore sono accettabili con riserva.
Il deuterio è il migliore moderatore che esista in natura in quanto concilia buone proprietà rallentatrici con scarsissime capacità di cattura neutronica.
Il carbonio, specialmente per la bassa cattura neutronica, rappresenta un soddisfacente moderatore. Se pertanto e secondo opportune geometrie vengono sistemati, in volumi ristretti, quantità calcolate di uranio e d'acqua leggera o pesante o di grafite, si possono realizzare le condizioni necessarie per l'autosostentamento della reazione di fissione a catena.
Autosostentamento delle reazioni di fissione nucleare
La prima reazione autosostenentesi della storia è stata realizzata nel 1942 da Fermi a Chicago in una struttura in cui erano state impilate (da cui il nome di pila atomica) barre di uranio naturale e blocchi di grafite.
Volendo sfruttare la reazione a catena per produzione d'energia continua, sarà necessario refrigerare la massa reagente ed avviare all'utilizzazione il calore prodotto e mantenere costante il livello della reazione nucleare. Soddisfatte queste condizioni, la struttura diventa un reattore nucleare.
La prima funzione viene assolta dal refrigerante che è un fluido pompato in circuito chiuso fra il reattore (dove si riscalda) e lo scambiatore utilizzatore (dove si raffredda). Questo fluido deve avere buone proprietà termoconvettrici e deve presentare una modesta cattura neutronica affinché la sua presenza nel reattore non disturbi troppo la reazione nucleare.
La seconda funzione è assolta dalle cosiddette barre di controllo, costituite da materiali fortemente assorbenti di neutroni, che possono essere più o meno parzialmente ed a volontà introdotte nel reattore. Tali barre hanno anche la funzione di spegnere discrezionalmente la reazione a catena quando sono completamente inserite. I materiali assorbenti di cui sono usualmente costituite le barre di controllo sono il cadmio e il boro. L'acqua naturale può essere un discreto refrigerante ma presenta l'inconveniente delle catture neutroniche: da questo punto di vista, un refrigerante molto migliore sarebbe l'acqua pesante. In certe applicazioni un gas inerte come l'elio o l'anidride carbonica può costituire un buon refrigerante.
In effetti, il processo di fissione prima descritto si riferisce all'isotopo-235 dell'uranio che ha un'abbondanza naturale del 7%. La maggior parte dell'uranio naturale è però costituita dall'isotopo-238 che dà luogo ad assorbimento neutronico con produzione finale di plutonio. Questo elemento è a sua volta fissile, con comportamento molto simile a quello dell'uranio.
Un altro elemento fissile è l'uranio-233 che non si trova in natura ma che si produce dal torio dopo cattura neutronica. L'uranio-235, l'uranio-233 ed il plutonio vengono chiamati materiali fissili, mentre l'uranio-238 ed il torio vengono chiamati materiali fertili in quanto appunto suscettibili di diventare materiali fissili.
Uranio arricchito
Esiste un processo di separazione isotopica, consistente nell'arricchimento dell'uranio nel suo isotopo fissile, in modo da dare luogo ad un combustibile pregiato, detto arricchito poiché permette (maggiori fissioni e minori catture parassite) una migliore economia neutronica. Con l'uso dell'uranio arricchito vengono semplificati molti problemi ingegneristici ed è possibile concepire reattori particolarmente efficienti.
I reattori che abbiamo descritto finora sono chiamati reattori termici in quanto la presenza in essi del moderatore rallenta i neutroni moderando la loro energia a livello dell'agitazione termica.
In questi reattori il bilancio fra atomi fissili consumati e nuovi atomi fissili prodotti (sia di plutonio che di uranio-233) è in generale minore di uno, per cui con il loro funzionamento il combustibile in essi contenuto si depaupera nella sua percentuale di atomi fissili, e dopo un certo periodo non è più in grado di sostenere la reazione e deve essere scaricato e sostituito.
Allo scopo di evitare che i prodotti di fissione generati nel combustibile contaminino il refrigerante, disseminando radioattività nel corrispondente circuito, si usa incamiciare il combustibile nucleare in guaine speciali di materiale idoneo che abbia cioè buone caratteristiche meccaniche di compatibilità con il combustibile stesso ed il refrigerante ed inoltre bassa cattura neutronica.
Per proteggere l'ambiente esterno dalla contaminazione radioattiva che potrebbe invaderlo nel caso di gravi incidenti, i reattori nucleari vengono racchiusi in opportuni edifici a tenuta, progettati in modo da assolvere la loro funzione nelle circostanze più disparate.
Reattori veloci
Ciò che abbiamo esposto si riferisce ai reattori termici che sono quelli attualmente industrializzati; in alternativa a questi esiste un'altra classe di reattori, detti veloci.
In precedenza si è detto che i neutroni veloci non producono fissione collidendo con l'uranio-238: ciò è vero quando i neutroni hanno perso una frazione della loro energia di emissione. Nella realtà, invece, dalla collisione di un neutrone veloce con un atomo di uranio-238, si ha una certa probabilità di fissione.
Da questo fatto nasce la possibilità di concepire reattori, detti appunto veloci, privi di moderatore, che sfruttino le fissioni provocate dai neutroni veloci.
Dato che non tutte le collisioni veloci danno luogo a fissioni, e se non si ha fissione si ha rallentamento del neutrone collidente che in successivi urti con l'uranio-238 verrebbe catturato, si intuisce che questi reattori devono essere alimentati da uranio arricchito o da plutonio.
Un'opportuna scelta della struttura può rendere questi reattori non soltanto produttori d'energia, ma anche produttori di plutonio in una misura per cui la produzione di nuclei fissili (per trasformazione in plutonio dell'uranio-238) sia maggiore della loro distruzione.
Il progetto di reattori di questo tipo porta a dimensioni del nocciolo molto piccole a parità di potenza prodotta e quindi alla necessità di una intensa refrigerazione specifica.
Come fluido refrigerante, in questi casi, non è possibile usare l'acqua in quanto questa darebbe luogo ad un effetto di moderazione non desiderato. Allo scopo vengono impiegati metalli liquidi che, oltre a presentare notevoli caratteristiche refrigeranti, abbiano un peso atomico troppo elevato per rallentare efficacemente i neutroni.
Il fluido refrigerante classico che si usa in questi reattori è il sodio, il quale viene pompato con pompe elettromagnetiche che sfruttano la sua conduttività elettrica.
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