STEP 4- IL PRINCIPIO FISICO

 STEP 4- IL PRINCIPIO FISICO 

novembre 20, 2021

La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui atomi di uranio 235, plutonio 239 o di altri elementi pesanti adatti vengono divisi in frammenti in un processo che libera energia. È la reazione nucleare più facile da ottenere, ed è alla base del principio fisico nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bombe atomiche, quali le bombe all'Uranio (come quella di Hiroshima) ed al Plutonio (come quella che colpì Nagasaki).

Può avvenire spontaneamente o a causa del bombardamento di neutroni (è il caso più diffuso) o da particelle cariche. Il processo di fissione nucleare genera un'enorme quantità di energia; nelle centrali nucleari questo avviene in modo controllato e il calore prodotto dalla reazione viene trasformato in energia elettrica: da 1 g di uranio-235 (il combustibile nucleare più importante) si ottengono ca 80 miliardi di joule di energia. 

I primi processi di fissione vennero ottenuti nel 1936 da un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi, i cosiddetti "ragazzi di via Panisperna" mentre bombardavano dell'uranio con neutroni rallentati per mezzo di paraffina. Il gruppo di fisici però non si accorse di ciò che era avvenuto ma ritenne invece di aver prodotto degli elementi transuranici. Tre anni dopo, alcuni fisico-chimici tedeschi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Straßmann, furono i primi a capire che un nucleo di uranio 235, colpito quando assorbe un neutrone si rompe in due o più frammenti ed ha luogo cosi la fissione del nucleo. A questo punto per i fisici nucleari di tutto il mondo fu chiaro che si poteva usare questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari ed ebbe inizio l'"Era atomica".

Nella fissione nucleare, quando un materiale fissile assorbe un neutrone si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni.
I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di uranio 235 vicini, se ciò avviene producono 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 aumentano esponenzialmente; se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile in tal caso si parla di massa critica, cioè quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile; se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere sotto tale valore e si ha che la reazione si spegne oppure salire sopra e si ha che la reazione aumenta esponenzialmente.

La fissione nucleare può avvenire in nuclei con numero di massa superiore a 100, ma è molto più probabile in nuclei con numero di massa pari a circa 230: nelle centrali nucleari si utilizzano due isotopi diversi dell'uranio, uno con un numero di massa pari a 238 e l'altro pari a 235 (è questo il nucleo che più facilmente subisce il processo di fissione). Nella fissione nucleare indotta, il neutrone che incide sul nucleo e ne viene assorbito cede la propria energia al nucleo stesso, aumentando l'energia interna dei suoi componenti (protoni e neutroni); il nucleo acquista un'anomala forma allungata. Questa è una situazione instabile e nel giro di una frazione di secondo, il nucleo si divide in due emettendo due o tre neutroni. La massa totale dei due nuclei prodotti nella fissione nucleare è inferiore a quella del nucleo di partenza: questo difetto di massa è l'origine dell'energia prodotta nella reazione, perché la massa persa si trasforma in energia secondo l'equazione di Einstein (E = mc2). Per poter iniziare la reazione di fissione nucleare dell'uranio, il neutrone deve essere di bassa energia (neutrone lento): per questo vengono usate particolari sostanze dette moderatori che rallentano i neutroni più veloci. 

I nuclei che vanno incontro a fissione, spontanea o indotta, sono gli isotopi degli elementi più pesanti della tavola periodica, come l’uranio, il torio e il plutonio. I due frammenti di fissione possono avere masse variabili entro uno spettro relativamente ampio: in genere è favorita la formazione di un nucleo più leggero, di numero di massa A pari a circa 90, e di uno più pesante, con A vicino a 140. Insieme ai due frammenti vengono emessi da 2 a 4 neutroni liberi, rilasciati immediatamente (neutroni pronti) o dopo un intervallo di tempo dell’ordine dei secondi (neutroni ritardati). L’emissione di neutroni liberi si deve al fatto che i nuclei fissili, molto pesanti, sono caratterizzati da un numero medio di neutroni proporzionalmente maggiore di quello dei nuclei più leggeri: quando un nucleo si rompe in due frammenti, quindi, i neutroni in eccesso, che non trovano posto nella composizione dei nuclei leggeri, vengono liberati. 

Una tipica reazione di fissione indotta è:

• 235U+n→93Rb+141Cs+2n, dove un neutrone induce la fissione dell’uranio 235, che si spezza in due frammenti – il rubidio 93 e il cesio 141 – e due neutroni liberi. La reazione di fissione è sempre accompagnata dal rilascio di una notevole quantità di energia, pari alla differenza tra le masse dei reagenti e le masse dei prodotti. Per la reazione scritta sopra, la quantità di energia liberata è di circa 200 MeV. 

I frammenti di fissione sono sempre elementi altamente radioattivi: prima di raggiungere la stabilità, vanno incontro a decadimenti beta e gamma successivi, con tempi di dimezzamento anche molto lunghi. 

FONTI:

• https://it.wikipedia.org/wiki/Reattore_nucleare_a_fissione 
• https://core.ac.uk/download/pdf/31155763.pdf 
• https://www.chimica-online.it/download/energia-nucleare.htm 
• https://www.granviale.it/blog/i-ragazzi-di-via-panisperna/https://www.dima.unige.it/~denegri/PLS2/PENSIERO_SCIENTIFICO%20DEF/RADIOATTIVITA%27/pages/fissione.htm