Fissione

Reazione a catena

La fissione produce due nuclei (radioattivi) e due/tre neutroni “veloci”, cioè molto energetici (oltre a raggi e neutrini)

Questi, diffondendosi nella materia, possono urtare altri nuclei fissili e dare altre fissioni; aumentando enormemente il numero delle fissioni (reazione a catena).

L’unico isotopo fissile utilizzato è l’ uranio 235 (23592

U)

Se la reazione a catena si sviluppa senza controllo si ha la “bomba atomica”

I neutroni si possono perdere perché- vengono catturati da nuclei non fissili-escono dal volume contente il materiale fissile

Poiché i neutroni prodotti da una fissione si possono perdere, per sviluppare la reazione a catena è necessaria una “massa critica” di materiale fissile, ma …..

…..l’uranio è compostoper il 99,28 % da 238

92 U non fissile (solo una minima probabilità per neutroni veloci)

per lo 0,71% da 23592 U fissile

per lo 0,01% da 23492 U (che trascuriamo)

Per raggiungere la massa critica in un reattore è necessario aumentare artificialmente, con un processo tecnologico complesso e costoso, di circa 4-5 volte la percentuale di uranio 235

92 U.

Otteniamo così l’ “uranio arricchito”.Il residuo con percentualmente meno uranio fissile è l’“uranio impoverito”, che ha diversi usi, compreso quello militare, per alcune sue eccezionali proprietà meccaniche.

Ciclo dei neutroni in un

reattore a regime

• Lll• Llll

Giriamo in senso orario, partendo dal vertice in basso a sinistra

N0 : numero iniziale di neutroni veloci prodotti da fissione

N1 > N0 : numero di neutroni veloci dopo la fissione (poco probabile) dell’uranio 238

N2 < N0 : numero di neutroni lenti, dopo le perdite per fuga o assorbimento d parte dell’uranio 238

N3 < N2 <N0 : numero di neutroni che danno fissione sull’uranio 235, dopo le perdite per fuga e assorbimento da parte del moderatore e delle barre di regolazione.

N4 = 2,6 * N3 = N0 (a regime) : numero di neutroni veloci ottenuti dalle N3 fissioni

Il ciclo dell’uranio

Il materiale “esaurito” estratto dal reattore costituisce le cosiddette “scorie”, contenenti i prodotti della fissione, radioattivi.

Le loro emissioni possono dare una radioattività nell’ambiente incomparabilmente maggiore rispetto al fondo naturale, con gravi rischi per la vita.

I nuclei radioattivi possono esaurire la loro attività in tempi estremamente variabile, da frazioni di secondo a miliardi di anni. Ad esempio dimezzano la loro attività:Xenon 135 in 9,1 oreIodio 131 in 8 giorniCesio 137 in 30 anni Plutonio 239 in 24.000 anni

I fenomeni radioattivi sono indipendenti da qualsiasi trattamento meccanico e chimico: ciò significa che le scorie saranno inevitabilmente attive e pericolose per tempi “infiniti” rispetto alla storia umana.L’unica possibilità è stoccarle in luogo ritenuto sicuro. Ma sinora …..

Una bella idea (che non funziona)L’ 238

92 U (che costituisce la gran parte dell’uranio) non è fissile; invece può catturare un neutrone, subire alcune trasformazioni e diventare un elemento artificiale più pesante dell’uranio: il plutonio 239

94Pu

Il plutonio è fortemente radioattivo e per molto tempo (dimezza la sua attività in 24.000 anni ); ma è anche fissile e può essere utilizzato in un reattore.

Ecco la bella idea: facciamo un reattore “autofertilizzante” (breeder) nel quale si produce plutonio dall’ 238

92U, moltiplicando così di alcune decine di volte la quantità del materiale disponibile.

Il difetto: l’unico reattore autofertilizzante, costruito in Francia (SuperPhoenix), dopo anni di cattivo funzionamento, ingenti capitali investiti e problemi tecnici irrisolti, è stato definitivamente chiuso nel 2003.

Fonte IAEA - 2008