Fisica FISSIONE NUCLEARE

Il fenomeno della reazione a catena è importantissimo dal punto di vista pratico, in quanto è la base del funzionamento delle bombe atomiche (in cui la reazione è incontrollata) e dei reattori nucleari (in cui la reazione è controllata).
La fissione nucleare è una reazione che ha luogo soltanto nei nuclei aventi alto numero atomico (z) , alcuni dei quali esistono in natura, come il torio (z =90) , il protoattinio ( z =91 ) e uranio ( z =92 ) , mentre altri , i transuranici , non esistono in natura , si producono artificialmente.
Il fenomeno della fissione consiste nel fatto che i nuclei , colpiti da neutroni si spezzano in due altri nuclei più leggeri , aventi numero atomico medio, liberando un certo numero di neutroni (generalmente 2 o 3 ) e una notevole quantità di energia , dovuta al fatto che la massa totale dei prodotti della fissione è minore di quella del nucleo originario e che la differenza di massa secondo la relazione di Einstein E= mc2. Il fenomeno della fissione fu scoperto nel 1939 dai fisici tedeschi O. Hahn e F. Strassman che , bombardando con neutroni lenti l’uranio naturale ( composto per lo 0,006% di 234U , per lo 0,715 % di 235U e per il 99,279 % di 238 U) , scoprirono fra i prodotti della reazione numerosi radionuclidi aventi numero atomico compreso fra 35 e 57 : questo fenomeno fu interpretato come la rottura del nucleo di uranio in due frammenti all’incirca uguali e ad esso venne dato il nome di fissione . Fu anche scoperto che , dei tre isotopi costituenti l’uranio naturale soltanto il 235 U partecipa alla reazione di fissione.
Misure effettuate in camera di Wilson sulla densità e sulla lunghezza delle tracce prodotte dai frammenti di fissione, hanno permesso di stabilire che l’energia cinetica complessa dei frammenti stessi è dell’ordine di 160 MeV. La fissione di un dato nucleo può avvenire in modi diversi : ciò significa che, globalmente, in una reazione di fissione si producono numerose coppie di frammenti diversi, ciascuna coppia corrispondendo ad una fissione particolare. Ad esempio la fissione dell’ U 235 bombardato con neutroni può avvenire in oltre 40 modi diversi, ciascuno presente in una determinata percentuale ; uno dei modi è , ad esempio il seguente:

In totale si calcola che nella fissione dell’ U 235 si formino almeno 80 radionuclidi diversi; poichè però molti di essi sono radioattivi e decadono spontaneamente in breve tempo, si formano, alla fine, almeno 200 radionuclidi diversi, fra stabili e radioattivi a lunga vita media. Alla radioattività di questi radionuclidi è dovuta la emissione di radiazioni alfa e beta e di neutrini che accompagna la fissione.
Si definisce come soglia di fissione una costante, caratteristica di ciascun nucleo , che dipende sia dall’energia cinetica dei neutroni incidenti, che dal nucleo stesso : essa stabilisce , per ogni nucleo , l’energia cinetica minima che deve avere in neutrone per produrre la fissione . Il calcolo teorico dei valori della soglia della fissione , sviluppato da Bohr e Wheeler sulla base del modello a goccia del nucleo , e confermato da misure sperimentali , ha permesso di stabilire che , per alcuni nuclei , la fissione ha luogo anche solo con neutroni termici ( la cui energia , cioè, è minore di 0,0025 eV ) : tali nuclei sono detti fissili ; per altri nuclei , invece , occorrono neutroni veloci mentre per i nuclei con Z<90 , neppure con neutroni veloci è possibile produrre la fissione. Fra i nuclei fissili più importanti ricordiamo l’uranio 233 e il plutonio 239 . Altro parametro importantissimo è la sezione d’urto per la fissione : essa esprime il numero di fissione prodotta per neutrone incidente. Per i nuclei fissili la sezione d’urto di fissione è , per energie del neutrone incidente comprese fra 0,025 eV e 0,5 MeV, inversamente proporzionale alla radice quadrata dell’energia; per energie superiori la sezione d’urto è approssi-mativamente costante, e piccola . Quando il rapporto fra il numero di neutroni emessi nella fissione e il numero di neutroni assorbiti è maggiore di 1, è possibile il realizzarsi, in opportune condizioni, di un fenomeno estremamente importante: la reazione a catena. Infatti, se ognuno dei neutroni emessi nella fissione produce a sua volta altre fissioni, il numero di queste cresce rapidamente , e , al limite, sarà sufficiente anche un solo neutrone iniziale per provocare la fissione in un numero grandissimo di nuclei: è proprio questa la reazione a catena , che permette di realizzare la fissione in scala macroscopica, cioè su masse anche considerevoli di materiali fissili: in pratica però la reazione a catena si innesca soltanto se la massa del materiale fissile è superiore a un determinato valore, che viene denominato massa critica . Il valore, dell’energia sviluppata in una reazione a catena è enorme , tenendo conto che circa 1/1000 della massa iniziale viene trasformato in energia : per l’uranio 235 è dell’ordine di 1,9 . 1010Cal/Kg in confronto , ad esempio alle 7500 Cal/kg sviluppate nella combustione del carbone, o alle 730 Cal/Kg sviluppate nell’esplosione del tritolo. Ne consegue che la fissione di 1Kg di U 235 sviluppa la stessa energia che la combustione di 2500 tonnellate di carbone , o dell’esplosione di 26.000 tonnellate di tritolo!