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Indice
S-7. L'energia del Sole
S-7A. Un buco nero
al centro della galassia
LS-7A. La scoperta degli atomi
e del loro nucleo
S-8. L'energia nucleare
-------------------------- L'energia nucleare
S-8A-0. Sommario
S-8A-1. Atomi e nuclei
S-8A-2. Energia di legame
S-8A-3. Fissione
S-8A-4. Controllare una reazione
Allen: Usare il torio
S-8A-5. Domande e risposte
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S-9. Le armi nucleari
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. 3. Fissione dei nuclei pesantiEsiste comunque un'altra via attraverso cui i nuclei molto pesanti possono spostarsi sulla curva verso stati più stabili. Si tratta della fissione nucleare, in cui il nucleo, anziché espellere 4 nucleoni sotto forma di una particella α, si spezza in due parti di massa comparabile. Il rapporto tra le due masse è variabile, ma tipicamente il rapporto tra le masse dei due frammenti è 1:2.
Le energie dei processi atomici e nucleari vengono misurate in elettron-volt, che è l'energia acquistata da un elettrone o da un protone (che hanno cariche elettriche dello stesso valore assoluto) tra una differenza di potenziale di un volt. L'eV è una unità appropriata per i processi atomici, connessi con l'energia di legame "chimica" degli elettroni. Per i processi nucleari, l'unità più appropriata è il MeV (un milione di elettron-volt). Ciascuno dei due frammenti della fissione porta una carica positiva, e la loro reciproca repulsione libera 161 MeV (riferimento n.9), confrontati con le tipiche energie di 2 MeV per i raggi γ e di 4 MeV per le particelle α (ulteriori dettagli sul riferimento n.10). |
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È noto che questo processo avviene spontaneamente per gli elementi artificiali più pesanti dell'uranio. Tuttavia, l'assorbimento di un neutrone da parte di un opportuno nucleo di uranio (uranio 235U o 233U) può anche innescare la sua fissione. Un protone diretto contro un nucleo, anche se è indirizzato esattamente contro di esso, deve essere accelerato con una considerevole energia per superare la forza elettrica di repulsione e deve arrivare abbastanza vicino per essere catturato dalla interazione nucleare forte. Un neutrone, invece, non è respinto e può raggiungere il suo bersaglio, anche se si muove abbastanza lentamente - per esempio, un neutrone termico, la cui energia, di circa 0,03 eV, è confrontabile con quella delle molecole nella materia ordinaria o nell'aria. Immaginiamo un nucleo come un bersaglio di una certa dimensione: allora la "sezione d'urto nucleare" è l'area che un proiettile deve colpire per produrre una certa reazione (è anche proporzionale alla probabilità del proiettile di "attaccarsi" al nucleo). Le sezioni d'urto nucleari vengono misurate in barn, dove 1 barn è equivalente alla dimensione di un bersaglio di 10-24 cm2 (i fisici nucleari dicono "grande come un barn"). La sezione d'urto perché un neutrone colpisca un nucleo varia da un isotopo all'altro e con l'energia del neutrone (la stessa cosa per le collisioni di altre particelle). Per esempio, la probabilità che un neutrone "termico" si attacchi a un nucleo di idrogeno pesante (l'isotopo 2H o deuterio) è piuttosto piccola, poiché quel tipo di idrogeno ha già un neutrone in più. Quando un neutrone raggiunge il suo nucleo bersaglio, si può visualizzare che l'attrazione nucleare lo fa accelerare, cosicché colpirà il nucleo con una considerevole energia, scuotendo il nucleo bersaglio. Gli effetti di questa energia in più possono variare. Il nucleo colpito può semplicemente emetterla come un fotone (alla fine del rif. n.11) di un raggio γ, oppure può subire un cambiamento interno - per esempio, un neutrone può diventare un protone, emettendo un elettrone (radioattività β). Ma con l'uranio 235U - un isotopo che costituisce circa lo 0,7% dell'uranio naturale - il risultato è in genere una fissione nucleare, con lo spezzarsi del nucleo in due frammenti. I prodotti possono variare, ma il rapporto delle masse dei due frammenti è tipicamente vicino a 2:1. La fissione nucleare fu identificata in Germania nel 1939 da Hahn, Strassman e Lise Meitner (si era nella Germania nazista - Hahn ricevette il premio Nobel nel 1944, mentre la sua collaboratrice Meitner, che era ebrea, riuscì fortunatamente a fuggire in Svezia). Molto presto dovunque i fisici si resero conto che il processo poteva fornire energia utilizzabile. Non solo l'energia sviluppata per ogni nucleo era considerevole, ma - cosa più importante - il processo produceva ulteriori neutroni, rendendo possibile una reazione a catena autosostenentesi. La reazione a catenaI nuclei che hanno uno o due neutroni più del loro isotopo più stabile possono ancora essere stabili. Con un numero maggiore di neutroni extra, essi cercano di adattarsi mediante la radioattività β, emettendo un elettrone mentre un neutrone si trasforma in un protone. In questo caso, però, lo squilibrio è così grande che avviene un processo più drastico: vengono espulsi interi neutroni. Quando uno di tali neutroni viene catturato nell'uranio 235U, vengono emessi in media 2,3 neutroni per fissione, il 98% di essi "immediatamente" e il 2% con un secondo o due di ritardo. Questi numeri risultano molto importanti. Il reattore nucleare
Prima di tutto, i neutroni che sfuggono dalla superficie del combustibile nucleare (uranio) sono "perduti" ai fini della reazione a catena. Questo significa che occorre una "massa critica" perché la reazione proceda. Una massa di uranio delle dimensioni di una nocciolina ha una profondità troppo piccola - troppi neutroni sfuggono dalla superficie senza colpire nulla (ed è anche importante la forma del pezzo di uranio). Secondo, per controllare la velocità della reazione, è meglio usare i neutroni termici. (Esistono reattori nucleari che usano neutroni veloci, ma sono difficili da progettare e da far funzionare, poiché tutta l'energia viene liberata in un volume piccolissimo, rendendo la rimozione del calore estremamente complicata. Le bombe a fissione usano neutroni veloci). I neutroni innescano la fissione con considerevole energia, ed è necessario rallentarli mediante ripetute collisioni in un "moderatore" che avvolge la loro sorgente.Il moderatore ideale è un materiale che non tenda ad assorbirli, con atomi piccoli per massimizzare il trasferimento di energia: normalmente si sceglie "l'acqua pesante" D2O - dove D è la notazione correntemente usata per il deuterio, l'isotopo pesante dell'idrogeno (cioè 2H) - oppure carbonio purissimo, in forma di grafite, il materiale con cui si fanno le mine delle matite.
Ritrattamento e arricchimentoNei primissimi reattori veniva usauo uranio naturale ma, poiché si consumava rapidamente, si è preferito usare "uranio arricchito", in cui la frazione di 235U viene incrementata con un "processo di arricchimento". Le proprietà chimiche di differenti isotopi sono praticamente le stesse, per cui la separazione deve essere effettuata con mezzi non chimici, usando composti gassosi come l'esafluoruro di uranio (UF6). In tale gas, le molecole con l'uranio 235U sono circa l'1% più leggere di quelle con l'uranio 238U e quindi, a una certa temperatura, si muovono più velocemente e si diffondono più rapidamente attraverso partizioni porose. In alternativa, una centrifuga, opportunamente progettata, con un albero che ruota rapidamente, può mettere in rotazione il gas, facendo concentrare le molecole più pesanti negli strati più esterni. In entrambi i casi, poiché gli isotopi separati hanno masse quasi uguali, la differenza in concentrazione è molto piccola. Pertanto i separatori di uranio devono essere costituiti da una serie a cascata di diverse unità, ciascuna che alimenta la successiva, in cui la frazione arricchita procede al livello seguente e la frazione impoverita viene riciclata su una unità precedente [l'uranio completamente impoverito viene talvolta usato per proiettili che perforino mezzi corazzati, poiché si tratta di un materiale molto denso che quindi, alle velocità dei proiettili, possiede una grande energia cinetica]. In genere il combustibile della maggior parte dei reattori nucleari è costituito dall'isotopo più abbondante 238U. L'assorbimento di neutroni rende questo isotopo instabile e dopo qualche trasformazione nucleare si trasforma in plutonio 239Pu, un elemento artificiale con 94 protoni. Il plutonio è anche adatto come combustibile nucleare, e parte dell'energia sviluppata da un reattore nucleare proviene dalla fissione del plutonio prodotto nel reattore stesso. Il ritrattamento del combustibile nucleare è un'impresa difficile, poiché è troppo pericoloso per gli esseri umani maneggiare direttamente il materiale esaurito. Tutti i dispositivi per il ritrattamento - compresi quelli per estrarre le barre del combustibile già usato e trasportarle - sono fatti funzionare con comandi a distanza e, quando il materiale è stato scartato, deve essre immagazzinato in modo sicuro (come il combustibile esaurito) per lunghi periodi. Una ragione per cui il combustibile utilizzato parzialmente deve essere rimosso dai reattori e ritrattato è che alcuni prodotti di fissione assorbono i neutroni e quindi riducono l'efficienza ("avvelenano il reattore"). Attualmente gli Stati Uniti hanno sospeso il ritrattamento del combustibile nucleare preso dalle centrali e lo fanno "raffreddare" in vasche posizionate vicino ai reattori, ma il ritrattamento verrà ripreso presto. La Francia, che ricava la maggior parte della sua energia dalla fissione, la Russia e altre nazioni utilizzano con successo centrali di ritrattamento. Una curiosità: Già dall'inizio ci si rese conto che i reattori nucleari erano delle fonti ideali di energia per i grandi sommergibili, poiché non avevano bisogno di aria e richiedevano soltanto rari rifornimenti. Furono anche progettati reattori a fissione per la propulsione di veicoli spaziali (riferimento n.13). Gli Stati Uniti hanno lanciato nel 1965 il reattore nucleare SNAP 10-A, ma dopo 43 giorni in orbita fu spento a causa di un malfunzionamento. La Russia sovietica lanciò molti reattori, che furono successivamente distaccati dal veicolo e spinti su un'orbita più alta, con una vita prevista di secoli. Tali programmi terminarono quando il reattore sul satellite Cosmos 954, che alimentava un radar di sorveglianza sull'oceano, mancò di distaccarsi. Il satellite con tutto il reattore precipitò il 24 gennaio 1978 in un lago gelato in Canada, generando forti proteste e facendo così terminare l'uso di reattori nucleari nello spazio. Inoltre il calore radioattivo prodotto dal plutonio viene usato nei Generatori Termoelettrici a Radioisotopi (GTR) per alimentare sonde spaziali dirette verso le parti più esterne del sistema solare, troppo lontane dal Sole perché le celle solari possano generare potenza sufficiente. I GTR gradualmente perdono potenza dopo 20-30 anni e naturalmente non ritorneranno mai nelle vicinanze della Terra. ----------- Anche la Germania nazista cercò di sviluppare l'energia nucleare durante la Seconda Guerra Mondiale, ma su una scala più limitata rispetto agli Alleati. Tuttavia, la grafite fu considerata non adatta, poiché i campioni sperimentati nei moderatori non erano abbastanza puri e assorbivano troppi neutroni. Fu invece scelta l' "acqua pesante", un sottoprodotto delle centrali idroelettriche in Norvegia, ma sabotatori norvegesi ne bloccarono la produzione. Problemi(soluzioni nella sezione S-8A-5)(1) (Per questo problema, risolvete prima il problema (5) nella sezione precedente) Assumendo che un nucleo di 235U liberi 200 MeV in un evento di fissione (contando alcuni processi secondari, l'energia totale liberata è di 215 MeV), quante tonnellate di tritolo (TNT) sono necessarie per ottenere l'energia fornita dalla fissione completa di 1 grammo di 238U ? (2) Compilate un glossario definendo brevemente in ordine alfabetico, a parole vostre, i seguenti termini: Acqua pesante, Arricchimento a cascata di isotopi, Arricchimento (dell'uranio), "Avvelenamento" di un reattore nucleare, Barn (unità), Barre di combustibile, Fissione (nucleare), Fotone, Frammenti di fissione, Grafite, Massa critica, Neutroni immediati, Neutroni ritardati, Neutroni termici, Plutonio, Reazione (nucleare) a catena, Ritrattamento del combustibile nucleare, Separazione degli isotopi mediante centrifuga, Separazione degli isotopi mediante pareti porose, Sezione d'urto (per interazioni nucleari). |
