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9.6:

Fissione nucleare

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Chemistry
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Nuclear Fission

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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.

9.6:

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.

Suggested Reading

  1. United States Nuclear Regulatory Commission. Glossary. https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/full-text.html Accessed 2021-01-11