La fissione nucleare
La fissione nucleare è la scissione di un nucleo atomico pesante in due o più nuclei leggeri. E' uno dei processi fisici di trasformazione nucleare.
Quando si presenta la fissione nucleare?
Si presenta in modo naturale negli isotopi di alcuni elementi chimici pesanti con nucleo instabile ( es. Uranio 235 ).
Perché la fissione genera energia
La massa del nucleo atomico iniziale ( pesante ) è maggiore alla somma della massa dei nuclei finali ( leggeri ) ottenuti dopo la fissione.
Secondo l'equazione della massa di Albert Einstein, la massa (m) e l'energia (E) sono intercorrelati tra loro.
E = m·c2
Quando due nucleoni ( neutroni e protoni ) sono attratti tra loro e si uniscono, una parte della loro massa viene trasformata in energia di legame.
Grazie all'energia di legame le particelle restano unite nel nucleo di un atomo ( interazione forte ).
Cosa accade durante la fissione?
Dopo la fissione nucleare una parte della massa viene liberata dal nucleo.
Questa differenza di massa ( difetto o massa mancante ) è l'energia di legame in eccesso che viene rilasciata dai frammenti dell'atomo dopo la fissione.
Come funziona la fissione nucleare
La spiegazione della reazione nucleare a fissione è abbastanza semplice anche se poco conosciuta.
Un atomo di uranio-235 ( materiale fissile ) viene bombardato con un fascio di neutroni a bassa energia.
Perché i neutroni devono essere a bassa energia? I neutroni a bassa energia cinetica sono più lenti e hanno maggiore probabilità di essere catturati dall'interazione forte del nucleo atomico. Per rallentare la corsa dei neutroni sono presenti nel reattore dei materiali moderatori ( es. molecole d'acqua pesante o deuterio ).
Il nucleo dell'atomo che ha assorbito il neutrone aggiuntivo si scinde in due atomi più leggeri e libera due o tre neutroni. Questo fenomeno è detto fissione nucleare.
Dopo la fissione, i due atomi più leggeri hanno minore massa ( numero di neutroni ) e, quindi, necessitano di una minore quantità di energia di legame complessiva.
L'energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di energia cinetica dei frammenti della fissione ( atomi leggeri e neutroni liberi ) ed energia termica. Circa 200 MeV.
A cosa serve?
Nei reattori nucleari l'energia termica ( calore ) è utilizzata per produrre forza vapore. Poi trasformata in energia meccanica e, infine, in energia elettrica.
La reazione a catena
I neutroni liberati dalla reazione nucleare dopo la fissione si muovono nello spazio circostante.
Se nel percorso incontrano un altro atomo di uranio 235, sono a loro volta assorbiti e innescano un nuovo processo di fissione che libera altri due o tre neutroni.
Questo processo è detto reazione a catena.
La reazione a catena può essere controllata o non controllata.
La reazione a catena controllata
Nel reattore sono presenti altri atomi di altri materiali non fissili per assorbire una parte dei neutroni liberati e ridurre il numero delle fissioni nucleari.
La reazione controllata evita il surriscaldamento del reattore nucleare. Il reattore produce nel tempo una quantità di energia termica costante e non supera mai una soglia massima Emax.
E' il principio fisico alla base del funzionamento delle centrali nucleari termoelettriche a fissione.
Nota. L'incidente di Chernobyl del 1986 fu causato da una reazione a catena incontrollata che portò al rilascio di un'enorme quantità di calore, fino a causare la fusione del nocciolo del reattore.
La reazione a catena incontrollata
Il materiale fissile è concentrato in uno spazio ridotto per aumentare le probabilità di fissione. Non ci sono altri atomi oltre gli elementi fissili e alle sostanze moderatrici.
In queste condizioni ambientali i neutroni liberati sono assorbiti dagli altri atomi fissili ( isotopi di plutonio o uranio ) che, a loro volta, si scindono liberando altri neutroni.
In poco tempo si innesca una reazione a catena divergente. Se il il materiale fissile è presente in abbondanza, il numero delle fissioni cresce esponenzialmente rilasciando una grande quantità di energia.
Nota. La reazione a catena non controllata è stata utilizzata per produrre le bombe atomiche sganciate sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki nel 1945, alla fine della seconda guerra mondiale.
