19.6: Fissione nucleare

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

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

Durante 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 fissione come risultato di qualsiasi bombardamento di neutroni è chiamato fissile; il materiale che può subire fissione come risultato del bombardamento da parte di neutroni termici a lento movimento è inoltre chiamato fissile.

La fissione nucleare diventa autosufficiente quando il numero di neutroni prodotti dalla fissione è uguale o superiore al numero di neutroni assorbiti dividendo i nuclei più il numero che fuoriecono nell’ambiente circostante. La quantità di un materiale fissile che supporterà una reazione a catena autosufficiente è una massa critica. Una quantità di materiale fissile che non può sostenere una reazione a catena è una massa sottocritica. Una quantità di materiale in cui c’è un tasso crescente di fissione è nota come massa supercritica.

La massa critica dipende dal tipo di materiale: la sua purezza, la temperatura, la forma del campione e il modo in cui le reazioni neutroniche sono controllate. I materiali diventano tipicamente meno densi a temperature più elevate, permettendo ai neutroni di fuoriuscire più facilmente. I neutroni che iniziano al centro di un oggetto piatto possono raggiungere la superficie più facilmente dei neutroni a partire dal centro di un oggetto sferico. Se il materiale è racchiuso in un contenitore fatto di un materiale che riflette neutroni come la grafite, allora possono fuoriuscire molti meno neutroni, il che significa che è necessario molto meno materiale fissile per raggiungere una massa critica.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.4: Trasmutazione ed Energia Nucleare.