fisica della fissione
 

Il nucleo di un atomo , quando viene bombardato con neutroni , solitamente interagisce con essi dando origine a uno dei due fenomeni seguenti :

1) il neutrone rimbalza semplicemente sul nucleo senza alcun altro effetto ( la
   probabilità che ciò avvenga è chiamata sezione di rimbalzo ) ;
2) il neutrone viene catturato dal nucleo dell’atomo.
Questa seconda possibilità a sua volta può dare origine a due fenomeni distinti :
1) il neutrone viene semplicemente assorbito creando un isotopo dell’atomo precedentemente
   bombardato (la probabilità che ciò avvenga è detta sezione di assorbimento) ;
2) il nucleo si suddivide in due nuclei distinti di massa simile ( la probabilità che ciò
   avvenga è detta sezione di fissione) ;

La caratteristica fondamentale affinché si verifichi la fissione del nucleo atomico è rappresentata dal grado di stabilità dell’atomo in questione e , quindi, dalla sua energia di legame ( l’energia spesa per mantenere i nucleoni legati tra loro ). Più l’energia di legame è bassa , maggiore sarà la sezione di fissione. Isotopi quali l’uranio 235, il plutonio 239 e l’uranio 233 hanno una energia di legame talmente bassa che quando un neutrone viene catturato , l’energia liberata nello scontro ( uguale alla energia cinetica del neutrone ) è maggiore dell’energia che tiene unito il nucleo. In questa configurazione il nucleo non è più stabile poiché possiede un eccesso di energia per cui o libera tale energia eccedente sotto forma di onde elettro magnetiche ( eventualità molto improbabile ), o si scinde in due parti ( eventualità più probabile ).
Il processo appena descritto è detto “fissione nucleare lenta”, poiché , appunto, non necessità di neutroni ad alta energia cinetica ( non a caso è anche detta “fissione naturale” perché ha tutti i presupposti teorici per avvenire spontaneamente in natura).

**************************

Al contrario , per isotopi , quali l’uranio 238, che presentano una energia di legame più alta, il processo di fissione presenta due fasi :

1) il nucleo deve prima di tutto assorbire un neutrone con energia prossima a quella di
   legame ;
2) il nucleo deve nuovamente assorbire un neutrone con energia superiore alla nuova
   energia di legame presentatasi dopo l’assorbimento del primo neutrone.

Questo ultimo processo è detto “fissione nucleare veloce” perché necessita di coppie di neutroni altamente energetici.
È facilmente intuibile a questo punto come sia di molto più semplice realizzazione la fissione lenta rispetto a quella veloce e, quindi , come si preferisca realizzare la fissione utilizzando isotopi a bassa energia di legame.

Come conseguenza principale della scissione di un nucleo atomico si ha la liberazione di una grande quantità di energia .
La spiegazione di tale liberazione di energia è legata alla differenza di massa che si determina  tra le configurazioni iniziale e finale.

Ripensiamo infatti a cosa avviene nel processo di fissione : un nucleo pesante si scinde in due nuclei più leggeri di massa intermedia ciascuno caratterizzato da energie di legame che sommate tra loro sono inferiori di quella che caratterizzava il nucleo iniziale.Questo significa che parte della massa precedente si è trasformata in energia secondo la formula:

 E = M * C^2

dove m è la differenza di massa e c è la velocità della luce ( pari a circa 2,997925 *10^8 m/s).
E' evidente che, se pur piccola, la massa trasformata  moltiplicata per il quadrato di un valore così grande dà come risultato una quantità di energia notevole.
Oltre ad energia ( negli isotopi comunemente usati si ha un valore medio di circa 180 MeV a fissione) , si ha anche la liberazione di nuovi neutroni che a loro volta sono in grado di dar luogo a processi di fissione in altri nuclei ; in questo modo si crea un processo che viene comunemente detto “reazione a catena “che porta ad una liberazione di energia che cresce in modo esponenziale come il numero dei neutroni prodotti.

Tale reazione può essere : controllata , come nei reattori nucleari di uso civile dove il processo è molto lento e la liberazione di energia è graduale ; o incontrollata , come negli ordigni nucleari dove il processo è pressoché istantaneo e si ha una totale liberazione dell’energia disponibile in pochissime frazioni di secondo.

L’efficienza di una reazione a catena ( cioè quanti neutroni prodotti dalla fissione effettivamente partecipano alla reazione e, quindi, se effettivamente il processo innescato avrà successo) può essere espressa matematicamente secondo la seguente formula :

K = F - ( nc + nf )
dove F è il numero dei neutroni generati , nc il numero dei neutroni non catturati e nf il numero dei neutroni che non hanno il tempo di reagire.

Solitamente si ritiene che K = 1 sia il minimo per una reazione che si autoalimenta ( nei reattori civili) e K = 2 il minimo valore accettabile per una bomba .
Più in generale , tenendo ben presente che la fissione è un processo statistico , in realtà , il nucleo bombardato si divide in parti di massa leggermente diversa e libera, sempre statisticamente , un numero di neutroni che varia mediamente da 0 a 6 a fissione con energia cinetica compresa fra 0,5 MeV e 4 MeV( l’energia più probabile è 0.75 MeV).
 
 

 *******************
 

Un bilancio energetico della reazione di fissione può essere riassunto dalla seguente tabella (valori in MeV):

 

A livello macroscopico , proprio perché, come abbiamo visto, il processo di fissione è un processo statistico , affinché nella realtà tale processo si inneschi è necessaria una minima quantità di materiale fissile al di sotto della quale la reazione non avviene ; al contrario , una quantità di tale materiale pari o superiore alla quantità minima può reagire naturalmente a causa dei neutroni liberi presenti in natura. Tale massa viene comunemente detta “massa critica”.

L’esistenza di una minima massa critica è spiegabile in termini probabilistici : poniamo dei birilli (che rappresentano i nuclei atomici) su piedistalli in equilibrio estremamente precario  in un piazzale , molto distanti fra loro ; a questo punto lanciamo una manciata di biglie d’acciaio (che rappresentano i neutroni) casualmente all’interno del piazzale. È evidente che maggiore è il numero dei birilli , a parità di superficie del piazzale , maggiore è la probabilità di centrare almeno un birillo con una biglia. Allo stesso modo , maggiore è la massa di materiale fissile a disposizione , maggiore sarà la probabilità che i neutroni urtino un nucleo.

Quantitativamente parlando , ecco qui riportate , circa , le masse critiche dei più comuni isotopi utilizzati nelle reazioni a fissione :

U-233            16  kg
U-235            52  kg
PU-239          10  kg
 
 

 
 
back