TEORIA DELLA FISSIONE NUCLEARE - 4

Introduzione
Fisica della fissione nucleare
Fisica dei reattori a fissione
Soglia critica
Moltiplicazione subcritica
Moderatori dei neutroni
Moderatori e design di un reattore
Neutroni ritardati e controllo
Storia della fissione nucleare
Indurre la fissione nucleare
Effetti degli isotopi
Produzione e purificazione dei materiali

Indurre la fissione nucleare

Anche se la fissione è più spesso e più facilmente iniziata dall’assorbimento di un neutrone libero, può però essere indotta anche dall’urto di un nucleo fissionabile con altre particelle, fra cui sono compresi protoni, altri nuclei e fotoni ad alta energia come i raggi gamma.

Molto infrequentemente un nucleo fissionabile subirà una fissione nucleare spontanea senza alcun urto con un neutrone.

Indurre una fissione nucleare è più semplice negli elementi pesanti e, in genere, più è massiccio il nucleo più facile sarà ottenerne la fissione. La fissione di qualsiasi elemento più pesante del ferro produce energia, la fissione di qualsiasi elemento più leggero del ferro richiede energia.
L’opposto accade con la fusione nucleare: la fusione di elementi più leggeri del ferro produce energia, la fusione di elementi più pesanti del ferro ne richiede.

Gli elementi più comunemente utilizzati per produrre una fissione nucleare sono l’uranio e il plutonio.
L’uranio è l’elemento naturale più pesante fra quelli presenti in natura in quantità significative; il plutonio subisce reazioni di fissione naturali ed ha una vita media piuttosto corta. Perciò, anche se si possono utilizzare altri elementi, l’uranio e il plutonio sono quelli che combinano l’abbondanza con la facilità di fissione.

Effetti degli isotopi

L’uranio allo stato naturale contiene tre isotopi: U234 (0.006%), U235 (0.7%) e U238 (99.3%). La velocità richiesta per la fissione rispetto ad una cattura non fissile è diversa per i tre isotopi.

L’U238 subirà una fissione con neutroni aventi una energia superiore a 1 MeV, come quelli prodotti in una esplosione nucleare, ma la fissione dell’uranio non produce neutroni di questo livello energetico.
L’U238 semplicemente cattura i neutroni meno energetici senza fissionare, per cui non può supportare una reazione a catena come invece può fare l’U235.
L’U238 non ha massa critica; comunque, quando assorbe neutroni lenti si trasforma in U239, che non è stabile, per cui si trasforma prima in Np239 e poi decade in Pu239, che fissiona con neutroni lenti come l’U235.
Perciò una parte della produzione di energia di un reattore alimentato unicamente con uranio viene in realtà dalla fissione di plutonio.

L’U235 fissiona in un arco di energie dei neutroni molto maggiore che non l’U238.
L’U235 ha una “sezione trasversale” (cioè una capacità di fissione) molto maggiore quando viene colpito da neutroni “termici” (cioè a bassa energia) che hanno una energia molto inferiore a quella prodotta dalla fissione dell’U235.
Un moderatore, di solito acqua o grafite, viene spesso utilizzato per rallentare i neutroni prodotti dalla fissione, così che possano fissionare ulteriori quantità di U235.
Poiché l’U238 non partecipa alla reazione a catena, molti reattori utilizzano uranio arricchito, ovvero U235.
Se la quantità di U235 è sufficientemente elevata, non occorre nemmeno un moderatore per sostenere la reazione a catena.
L’U235 è presente nell’uranio naturale solo nella misura di una parte su 140, e la relativamente scarsa differenza di massa fra l’U235 e l’U238 rende difficile la separazione degli isotopi.

Produzione e purificazione dei materiali

Si è visto che la sezione trasversale per la cattura dei neutroni varia grandemente fra i differenti materiali. In alcuni è davvero alta se comparata alla massima sezione trasversale dell’uranio.
Perciò, se vogliamo sperare di ottenere una reazione a catena dobbiamo ridurre l’effetto di cattura non fissile ad opera di impurità ad un livello in cui non abbia rilevanza per la reazione.
Questo comporta una purificazione molto accurata sia dell’uranio sia del moderatore; i calcoli mostrano che la massima tolleranza consentita per molti elementi di impurità non può superare le poche parti per milione, sia nell’uranio che nel moderatore.

Quando si pensi che fino al 1940 la quantità totale di uranio prodotta negli Stati Uniti non superava i pochi grammi e comunque di dubbia purezza; che il totale del berillio metallico prodotto non andava oltre i pochi chilogrammi, come pochi chilogrammi erano la quantità prodotta, sempre negli Stati Uniti, di deuterio; che il carbonio non era mai stato prodotto in alcuna quantità con un grado di purezza anche solo paragonabile a quello richiesto come moderatore, si capisce che il problema della produzione e purificazione dei materiali era davvero importante.

Il problema di produrre grandi quantità di uranio con il grado di purezza richiesto fu risolto da Frank Spedding usando il processo della termite. Nel 1942 vennero costituiti i Laboratori Ames per produrre le grandi quantità di uranio che sarebbero state necessarie per la ricerca futura.