STORIA
La prima fissione nucleare artificiale (cioè provocata dall'uomo) avvenne nel 1932 ad opera
Ernest Walton e
John Cockcroft, che accelerando protoni contro un atomo di
Litio-7 riuscirono a dividere il suo nucleo in due particelle
alfa (cioè due nuclei di
Elio); il fenomeno era noto come
splitting the atom.
[2] Il 22 ottobre
1934 la prima fissione nucleare artificiale di un atomo di Uranio fu realizzata da un gruppo di fisici italiani guidati da
Enrico Fermi (i cosiddetti "
ragazzi di via Panisperna") mentre bombardavano dell'uranio con neutroni. Il gruppo di fisici italiani però non si accorse di ciò che era avvenuto ma ritenne invece di aver prodotto dei nuovi elementi transuranici. Alla fine del dicembre
1938, esattamente nella notte tra il
17 e il
18, due chimici nucleari tedeschi,
Otto Hahn e il suo giovane assistente
Fritz Strassmann, furono i primi a dimostrare sperimentalmente che un
nucleo di uranio 235, qualora assorba un neutrone, può dividersi in due o più frammenti dando luogo così alla fissione del nucleo (fu la chimica
Ida Noddack ad ipotizzare per prima la fissione nel 1934, mentre i fondamenti teorici si devono a
Otto Frisch e a sua zia
Lise Meitner). A questo punto per i chimici e fisici iniziò a prendere forma l'idea che si potesse utilizzare questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari (la prima
bomba atomica esplose il 16 luglio 1945 nel poligono di Alamogordo, in New Mexico).
DESCRIZIONE
Nella fissione nucleare, quando un nucleo di
materiale fissile (che produce fissione con neutroni di qualsiasi
energia cinetica) o fissionabile (solo con neutroni di elevata energia cinetica, detti veloci) assorbe un neutrone, si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli e un numero variabile di nuovi neutroni. Gli
isotopi prodotti da tale reazione sono
radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e subiscono una catena di
decadimenti beta fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi. L'
energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di
235U è di 211
MeV, una quantità elevatissima data dalla formula
dove la prima massa è la
massa del nucleo di
235U e del neutrone incidente, la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti e c è la
velocità della luce nel vuoto (299.792,458 km/s). Perciò in questo fenomeno parte della massa iniziale scompare e per la
conservazione della massa/energia si trasforma in energia sotto forme diverse, la maggior parte (circa 167 MeV) in energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione. Circa 11 MeV sono trasportati via dai
neutrini emessi al momento della fissione, mentre l'energia effettivamente sfruttabile come
energia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione. Per raffronto in un comune processo di
combustione, l'
ossidazione di un atomo di
carbonio fornisce un'energia di circa 4
eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione.
I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di
uranio 235 vicini: se ciò avviene possono produrre una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una
reazione a catena in cui il numero di fissioni aumenta
esponenzialmente; se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile ed in tal caso si parla di
massa critica. La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si autoalimenta in maniera stabile ed il numero complessivo di neutroni presente nel sistema non varia. Se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere, ed in tal caso la reazione si spegne, oppure aumentare, e si ha che la reazione cresce esponenzialmente ovvero non più controllata. Per cui scrivendo:
se la disposizione è tale che si abbia K>1 allora il numero di neutroni aumenta, se K<1 diminuisce, mentre se K=1 il numero di neutroni resta stabile e si parla di
massa critica. La quantità K viene definita in fisica del reattore come il
fattore di moltiplicazione effettivo ed è fondamentale nel controllo del reattore stesso.
La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari a fissione e le bombe atomiche (o, meglio, nucleari). Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1 se non di una quantità bassissima (come quando si aumenta la potenza del reattore e allora si può arrivare a K = 1,005) per le
armi nucleari il valore di K deve essere il più alto possibile e in tal caso si può arrivare a K=1,2.
L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi:
238U e
235U in rapporto di 150 a 1, dunque l'uranio 235 è solo lo 0,7% del totale dell'uranio, e solo quest'ultimo è fissile. Il processo di
arricchimento consiste nell'aumentare la percentuale in massa di uranio
235U a scapito del
238U in modo da riuscire ad avere un numero di nuclei fissili sufficiente per far funzionare il reattore, in tal caso l'arricchimento varia dal 3% al 5%, o per costruire una bomba atomica, in tal caso l'arricchimento arriva fino al 90%. In una reazione, la presenza di impurità e di atomi di
238U e, nei reattori, di apposite
barre di controllo che hanno lo scopo di controllare la reazione a catena, fanno sì che solo parte dei neutroni emessi venga assorbita dai nuclei di materiale fissile.
RESIDUI DELLA REAZIONE
Gli atomi con un
numero di massa maggiore hanno una percentuale di neutroni rispetto al
peso atomico più elevata rispetto a quelli con minor numero di massa, per cui un processo di fissione produce dei frammenti di fissione con un numero elevato di neutroni; tali isotopi per diventare stabili devono dunque presentare un
decadimento beta più volte. Il
tempo di decadimento di tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochi
millisecondi fino a decine di anni. Per questo tutte le reazioni di fissione producono
isotopi radioattivi alcuni dei quali rimangono attivi molto a lungo. Inoltre le reazioni di fissione dell'
235U che avvengono nei reattori nucleari avvengono in presenza di un gran numero di nuclei di
238U, questi assorbono parte dei neutroni prodotti trasformandosi in
239U (reazione di fertilizzazione) il quale in tempi rapidi decade due volte beta diventando
plutonio 239 il quale ha un tempo di decadimento molto più lungo (si dimezza in 24000 anni). Per cui le reazioni di fissione producono molte sostanze radioattive estremamente nocive, ma mentre le
scorie che provengono dai prodotti da fissione decadono in poche decadi, il plutonio resta radioattivo per milioni di anni.
Il decadimento radioattivo produce energia attraverso l'emissione di raggi beta (decadimento beta), e per questo è importante raffreddare le barre di
combustibile nucleare dopo lo spegnimento di un reattore o quando diventano non più utilizzabili per produrre energia.
[3]
Per costruire dei reattori nucleari che non producano scorie nucleari dagli anni '50 del secolo scorso si stanno studiando dei reattori a
fusione nucleare, ma per ora tali reattori hanno un funzionamento non continuo (si riesce a tenere 'accesa' la reazione di fusione nucleare per tempi dell'ordine di grandezza della decina di secondi); la ricerca in questo campo tuttavia va avanti, pur fra mille dubbi sulla loro possibile realizzabilità e ipotesi di avere il primo reattore funzionante
fra circa cinquanta anni[quando?]. Il reattore nucleare a fusione più promettente è quello in corso di costruzione del progetto
ITER nel sito francese di Cadarache.
[4]
Un altro modo per affrontare il problema della produzione del plutonio potrebbe essere quello di costruire dei
reattori autofertilizzanti a neutroni veloci in cui oltre alla fissione dell'uranio 235 si fissiona pure una parte del plutonio 240 formato dalla fertilizzazione dell'uranio 238. Un consorzio italo-franco-tedesco ha realizzato il primo e per ora unico esempio di reattore veloce autofertilizzante di tipo commerciale
Superphénix, refrigerato a
sodio liquido. Questo progetto è stato però abbandonato a causa dei costi economici e dei problemi tecnologici nell'uso del sodio.
WIKIPEDIA
Nuraghi.
raccordate a una torre centrale; hanno molte stanze, possono avere più di un piano e poi corridoi, scale e camminamenti coperti: sono le fortezze nuragiche, di arcaica bellezza e maestosa complessità come il nuraghe Losa presso Abbasanta (NU), il nuraghe Santu Antine di Torralba (SS) e il complesso Su Nuraxi di Barumini (CA) dichiarato patrimonio dell'umanità dall'UNESCO.