La Fissione nucleare Davide Magni e Marta Selleri

Un po’ di storia: Il 22 ottobre 1934 la prima fissione nucleare artificiale (cioè provocata dall'uomo) della storia 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 due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn e il suo 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.

Li sapresti riconoscere?

Introduzione all’energia nucleare: L’energia nucleare è la forma di energia posseduta dagli atomi che compongono la materia. Vi sono due procedimenti diversi per produrre energia direttamente dagli atomi: si può scindere, cioè dividere, un nucleo pesante in due nuclei più leggeri con la fissione, oppure si possono fondere insieme due nuclei leggeri per ottenerne uno più pesante con la fusione. Entrambi i procedimenti provocano la liberazione di grandi quantità di energia, perché in queste reazioni una parte delle masse di partenza scompare, trasformandosi completamente in energia.

Fissione: Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile o fissionabile 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, cioè un decadimento radioattivo spontaneo, 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( elettronvolt ).

Schema di una reazione nucleare: 1)Un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due atomi e libera tre neutroni e dell'energia. 2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio 238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio 235 che si spezza in due atomi liberando due neutroni e dell’energia. 3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio 235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

Uranio: L'uranio è l'elemento chimico di numero atomico 92. Il suo simbolo è U. È un metallo bianco-argenteo, tossico e radioattivo; appartiene alla serie degli attinoidi ed il suo isotopo 235U trova impiego come combustibile nei reattori nucleari e nella realizzazione di armi nucleari. Per ottenere un materiale fissile che sia adatto a scopi nucleari, cioè che emetta una quantità sufficiente di neutroni, è necessario aumentare la concentrazione dell'isotopo 235U rispetto al più comune e meno radioattivo 238U.

Il reattore nucleare: Un  reattore nucleare a fissione è un sistema complesso in grado di gestire una reazione nucleare a fissione a catena in maniera controllata (diversamente da quanto accade invece per una ordigno nucleare) ed utilizzato come componente base nelle centrali nucleari, che possono contenere più di un reattore contemporaneamente.

Schema del nucleo di una centrale a fissione: La fissione del nucleo del combustibile genera energia, sotto forma di energia cinetica dei frammenti della fissione e di raggi gamma. I frammenti di fissione rallentando nel combustibile generano calore che viene asportato da un fluido refrigerante (gassoso o liquido) che lo trasporta ad un utilizzatore, direttamente o indirettamente per mezzo di generatori di vapore. Il termovettore refrigerante può anche essere il moderatore stesso, come avviene nel caso dei reattori ad acqua leggera. Il reattore dispone anche delle cosiddette barre di controllo cioè barre metalliche, atte ad assorbire i neutroni in eccesso liberati dalla reazione che a sua volta alimentano; possono essere inserite nel nocciolo e servono a modulare in funzione della potenza energetica da generare.

Prodotti della fissione: 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 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. Il decadimento radioattivo produce energia attraverso l'emissione di raggi 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.

Smaltimento delle scorie radioattive: Non sono ancora stati completamente risolti i problemi relativi al confinamento di scorie nucleari a lungo termine. In effetti, una volta esaurito il fissile presente nel combustibile, restano i sottoprodotti della reazione a catena, che in massima parte non sono fissili ma continuano ad essere radioattivi. Questi sottoprodotti sono una gamma di isotopi con tempo di dimezzamento molto vario, ma che può arrivare anche ad alcune migliaia di anni: le scorie prodotte dai reattori si mantengono radioattive a lungo nel tempo, fino al caso estremo del Cesio 135. Il 96% delle scorie altamente radioattive potrebbe essere riciclato e riutilizzato se i rischi aggiuntivi di proliferazione fossero ritenuti accettabili.

Sicurezza: La sicurezza delle centrali nucleari è stata spesso messa in questione, dal momento che le strutture più visibili, come le torri di raffreddamento, appaiono fragili e potrebbero quindi essere facili obiettivi di attacchi terroristici, ad esempio da parte di kamikaze che impiegassero aerei di linea per colpirle (questo dibattito è stato molto acceso in Germania Uno studio condotto dalla commissione statunitense che controlla il settore nucleare ha evidenziato che più di metà delle centrali nucleari statunitensi non sono state in grado di prevenire una simulazione di attacco.

Chernobyl L’ormai noto incidente di Chernobyl avvenne il 26 aprile 1986, con l’esplosione del reattore numero 4. Le esplosioni non furono di tipo nucleare (reazione a catena incontrollata) bensì chimica, cioè causata da reazioni fra sostanze chimiche innescate dalle elevatissime temperature raggiunte. In seguito alle esplosioni, dalla centrale si sollevarono delle nubi di materiali radioattivi che raggiunsero l’Europa orientale e la Scandinavia, oltre alla parte occidentale dell’URSS. Vaste aree vicino alla centrale furono pesantemente contaminate rendendo necessaria l’evacuazione e il reinsediamento in altre zone di circa 336.000 persone. Le repubbliche oggi separate di Ucraina, Bielorussia e Russia sono ancora oggi gravate dagli ingenti costi di decontaminazione.

Three Mile Island La città di Three Mile Island, in Pennsylvania, divenne celebre nel 1979 quando subì il più grave incidente avvenuto in una centrale statunitense che non determinò la fuoriuscita di quantità significative di particelle radioattive, malgrado la fusione del nocciolo. Questo fatto è stato attribuito alla presenza delle strutture di contenimento del reattore americano rispetto a quello sovietico. Le cause principali dell’incidente furono la strumentazione carente della sala di controllo e l’addestramento inadeguato del personale. La fusione parziale del nocciolo avrebbe potuto innescare una reazione a catena incontrollata e l’unità, chiusa dopo la tragedia, è ancora oggi sotto monitoraggio.

“Noi scienziati, il cui tragico destino è stato quello di aiutare a costruire i mezzi di distruzione più raccapriccianti ed efficienti, dobbiamo considerare come nostro dovere solenne e supremo fare tutto ciò che è in nostro potere per impedire che queste armi siano usate per gli scopi brutali per i quali sono state inventate” Oppenheimer, Einstein e Fermi