19.6: Fissione nucleare

Molti elementi più pesanti con energie di legame per nucleone più piccole possono decomporsi in elementi più stabili che hanno numeri di massa intermedi ed energie di legame per nucleone maggiori-ovvero numeri di massa ed energie di legame per nucleone più vicini al “picco” del grafico dell’energia di legame. vicino a 56. Talvolta vengono prodotti anche neutroni. Questa decomposizione di un nucleo grande in pezzi più piccoli è chiamata fissione. La rottura è piuttosto casuale con formazione di un gran numero di prodotti diversi. La fissione di solito non avviene naturalmente ma è indotta dal bombardamento con neutroni.

Un'enorme quantità di energia viene prodotta dalla fissione degli elementi pesanti. Ad esempio, quando una mole di U-235 subisce la fissione, i prodotti pesano circa 0,2 grammi in meno dei reagenti; questa massa “persa” viene convertita in una grandissima quantità di energia – circa 1,8 × 1010 kJ per mole di U-235. Le reazioni di fissione nucleare producono quantità incredibilmente grandi di energia rispetto alle reazioni chimiche. La fissione di 1 chilogrammo di uranio-235, ad esempio, produce circa 2,5 milioni di volte più energia di quella prodotta bruciando 1 chilogrammo di carbone.

Quando subisce la fissione, l’U-235 produce due nuclei “di medie dimensioni” e due o tre neutroni. Questi neutroni possono quindi causare la fissione di altri atomi di uranio-235, che a loro volta forniscono più neutroni che possono causare la fissione di ancora più nuclei, e così via. Se ciò accade, abbiamo una reazione nucleare a catena. D'altra parte, se troppi neutroni sfuggono al materiale sfuso senza interagire con un nucleo, non si verificherà alcuna reazione a catena.

Il materiale che può subire la fissione a seguito di qualsiasi bombardamento di neutroni è detto fissile; il materiale che può subire la fissione a seguito del bombardamento di neutroni termici che si muovono lentamente è anch’esso chiamato fissile.

La fissione nucleare diventa autosufficiente quando il numero di neutroni prodotti dalla fissione è uguale o superiore al numero di neutroni assorbiti dalla scissione dei nuclei più il numero che sfugge nell'ambiente circostante. La quantità di materiale fissile in grado di supportare una reazione a catena autosufficiente costituisce una massa critica. Una quantità di materiale fissile che non può sostenere una reazione a catena è una massa subcritica. Una quantità di materiale in cui vi è un tasso di fissione crescente è nota come massa supercritica.

La massa critica dipende dal tipo di materiale: dalla sua purezza, dalla temperatura, dalla forma del campione e da come vengono controllate le reazioni dei neutroni. I materiali tipicamente diventano meno densi a temperature più elevate, consentendo ai neutroni di sfuggire più facilmente. I neutroni che partono dal centro di un oggetto piatto possono raggiungere la superficie più facilmente di quanto non facciano i neutroni che partono dal centro di un oggetto sferico. Se il materiale è racchiuso in un contenitore costituito da un materiale che riflette i neutroni come la grafite, allora molti meno neutroni possono fuoriuscire, il che significa che è necessaria molto meno materiale fissile per raggiungere una massa critica.

Questo testo è adattato daOpenstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

La fissione nucleare è un processo in cui un nucleo pesante si disintegra in due, o più, nuclei più leggeri di dimensioni diverse, o frammenti di fissione, e neutroni. Sorprendentemente, i frammenti di fissione e il numero di neutroni non sono gli stessi per ogni fissione. Tuttavia, le somme della massa e dei numeri atomici sono sempre le stesse su entrambi i lati delle equazioni di fissione.

Oltre ai neutroni rapidi"prodotti dalla fissione, dopo il decadimento beta dei frammenti di fissione ad alta energia possono essere prodotti neutroni ritardati"aggiuntivi. Nelle reazioni di fissione, la somma delle energie di legame dei nuclidi figli è maggiore dell'energia di legame del nuclide genitore. La differenza spiega l'enorme quantità di energia rilasciata durante la fissione.

I neutroni rilasciati dalla fissione sono tipicamente neutroni veloci"che hanno energie cinetiche elevate e si muovono attraverso i nuclei più grandi, senza interagire con essi. I neutroni perdono una notevole energia in caso di collisione con nuclei di dimensioni simili. Quelli che si avvicinano all'equilibrio con l'ambiente circostante sono neutroni lenti"o termici.

I nuclidi fissibili che subiscono la fissione assorbendo i neutroni termici sono chiamati fissili"Non tutti i neutroni prodotti in una reazione di fissione causano necessariamente la fissione in un altro nucleo. Tuttavia, quando tali neutroni iniziano la fissione, la reazione nucleare viene definita a catena. Le reazioni a catena sono descritte come generazioni"di neutroni.

Il neutrone che avvia una reazione a catena è la prima generazione e la fissione risultante produce la seconda generazione. I neutroni prodotti dalle fissioni indotte dai neutroni di seconda generazione, sono la terza generazione. La reazione a catena continua fino a quando non vengono più prodotti neutroni.

Se il numero medio di fissioni rimane lo stesso da una generazione all'altra, l'energia viene prodotta a un ritmo costante. Nella maggior parte dei casi, questo processo è più probabile se i neutroni rallentano molto prima di lasciare il materiale. Una certa massa minima, chiamata massa critica, di materiale fissile è richiesta per garantire che i neutroni prodotti abbiano materiale sufficiente per indurre un'ulteriore fissione.

Una massa subcritica è qualsiasi quantità al di sotto della soglia per la massa critica, e una massa supercritica è qualsiasi quantità al di sopra di tale soglia. La massa critica è influenzata da temperatura, forma e composizione dell'ambiente circostante. Modifiche a questi parametri potrebbero rendere critica una massa subcritica, o viceversa.