Fissione nucleare

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Introduzione

Fissione nucleare Reazione nucleare che consiste nella scissione di un nucleo atomico pesante in due nuclei più leggeri, con produzione di neutroni liberi ed energia. La reazione può essere spontanea (e in tal caso viene classificata come una forma di radioattività) o indotta dall’urto con protoni o neutroni.

La scoperta della fissione nucleare risale al 1939 e si deve ai tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann. In quel periodo, i due scienziati stavano conducendo esperimenti sull’uranio 238, bombardandolo con neutroni nel tentativo di sintetizzare elementi transuranici. Tra i prodotti di reazione, Hahn e Strassman isolarono inaspettatamente un gruppo di elementi con numero di massa A intorno a 140 (bario e lantanio) e un altro gruppo con A intorno a 90 (stronzio, xeno, cripto): la cattura di neutroni da parte dell’uranio 238 aveva portato alla formazione di nuclei pesanti instabili, subito decaduti in frammenti più leggeri attraverso la reazione di fissione.

La fissione nucleare è il processo su cui si basa la produzione di energia nucleare. La reazione che procede in senso opposto alla fissione è la fusione nucleare, l’unione di due nuclei di elementi leggeri in un nucleo più pesante.

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Caratteristiche generali

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.

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Bilancio energetico e barriera di potenziale

Dal punto di vista energetico, le reazioni di fissione sono estremamente vantaggiose: trasformano infatti un sistema relativamente poco legato, quale è il nucleo fissile, in due frammenti più saldamente legati, e quindi più stabili. Lo si comprende confrontando l’energia di legame media per nucleone del nucleo fissile e dei due frammenti di fissione: se si assume che il primo abbia un numero di massa A = 240, la sua energia di legame media ammonta a circa 7,6 MeV per nucleone, contro gli 8,5 MeV di un ipotetico frammento con A = 120. La differenza di energia di legame, pari a 0,9 MeV moltiplicato per i 240 nucleoni dell’elemento fissile, rappresenta l’energia totale liberata nella reazione.

Nonostante risulti così vantaggiosa dal punto di vista energetico, la fissione non è tanto frequente quanto ci si potrebbe aspettare: nella maggior parte dei casi non avviene spontaneamente e, se avviene, ha tempi di dimezzamento estremamente lunghi (vedi Radioattività). Tutto ciò dipende dal fatto che la fissione, come il decadimento alfa, è ostacolata dalla presenza di una barriera di potenziale: se si ipotizza che i due frammenti di fissione siano già preformati nel nucleo padre prima dell’emissione, risulta che la forza attrattiva con cui sono legati è molto più alta dell’energia a disposizione per vincerla. Secondo la teoria della fissione, due sono i modi per contrastare questa forza attrattiva: penetrare la barriera attraverso il meccanismo quantistico dell’effetto tunnel, o superarla grazie all’apporto di una quantità opportuna di energia dall’esterno. Il primo è il meccanismo che consente la fissione spontanea; il secondo, quello che sta alla base della fissione indotta.

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Energia nucleare da fissione

L’enorme quantità di energia emessa nelle reazioni di fissione viene sfruttata per la produzione di energia elettrica. Nei reattori nucleari vengono indotte, sostenute e controllate reazioni di fissione in cui il materiale fissile può essere, a seconda dei casi, uranio 235 o plutonio 239. La produzione di neutroni liberi favorisce il sostentamento della reazione: tali particelle, infatti, fungono da proiettili per indurre le reazioni successive e alimentare il processo a catena. Vedi anche Energia nucleare.